JAVA 代理模式（Proxy）死磕，一文全懂

偏执的太偏执、 2024-02-18 23:55 16阅读 0赞

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在Java编程中，代理模式是一种极为重要的设计模式。

什么是代理模式呢？简单的说，当不想直接访问，或者无法直接访问某个方法时，可以通过一个代理对象来间接访问，这便是代理的模式。

为什么在这里讲解代理模式呢？  
Java中的代理模式，与Java的反射技术关系非常的密切，故与反射技术一起分析和研究。

####    代理场景一：访问日志 ####

打个比方，我们前面设计了一个简单的宠物类Pet类。

有两个方法： sayHello和sayAge，赘述如下：

![70][]

现在问题来了： 如果在调用sayHello 和sayHi时，需要在文件中加上访问日志，该如何实现呢？

假如，要求实现的访问日志的实例如下：

2018-09-23 03:03:11 嗨，大家好！我是小狗-1
    2018-09-23 03:03:11 嗨,我是小狗-1,我的年龄是：91
    2018-09-23 03:03:11 嗨，大家好！我是小猫-1
    2018-09-23 03:03:11 嗨,我是小猫-1,我的年龄是：4

访问日志，是一种非常普遍、非常常见的日常开发需求。

在我们的日常开发中，往往需要进行访问的统计，统计网站页面或者API接口的详细访问日志，以便进行后续的性能分析和产品优化。这种访问统计，小部分是保存在文件中，更多的是保存在数据库中，而大型的网站的访问日志，则是保存在分布式的文件系统中。

为了简单起见，本实例将日志保存在文件中。 按照日期为单位，每天在log目录下生成一个以当天为文件名称的log文件。

如何实现这个日志的功能呢？  
有一种愚笨蠢的方式，就是直接修改原来的代码，加上日志的功能。为什么说这个方法愚笨蠢呢？ 这明细不符合面向对象设计的原则：对修改封闭，对扩展开放。去修改原来的老的代码，一是可能会引入新的问题。更何况，老的代码可能来自其他的项目和工程，手上未必有老的代码。  
稍微高级一点的办法，是使用静态代理的模式，对原来的代码进行继承和扩展。

####    静态代理以及实例 ####

首先说下静态代理的简单做法：  
（1）首先，继承老的代码，增加中间层。  
（2）在中间层中，加入扩展的功能。  
（3）在中间层中，组合老的对象实例，调用老的代码。  
（4）中间层代码，必须继承原来的接口。

保持接口的一致，利用面向对象的多态机制和向上转型功能，这样，能保障客户端代码不需要改变。

在思路上非常的简单，按照上面的思路，实现前面讲的案例：设计一个静态代理类，给Pet类增加日志的能力，设计UML图如下：

![70 1][]

新设计一个PetLoger类，作为Pet类的代理，包含一个原Pet对象的组合，并且扩展了日志的能力。

PetLoger类代理对象控制对Pet原对象的引用，对客户端的调用，隐藏Pet原对象的具体信息。

PetLoger类的代码如下：

package com.crazymakercircle.Proxy;
    import com.crazymakercircle.common.pet.IPet;
    import com.crazymakercircle.common.pet.Pet;
    import com.crazymakercircle.util.FileLogger;
     class PetLogger  extends Pet implements IPet  {
        IPet pet;
        public PetLogger(IPet pet) {
            this.pet = pet;
        }
    
        @Override
        public IPet sayHello() {
            pet.sayHello();
            String logInfo = "嗨，大家好！我是" + pet.getName();
            FileLogger.info(logInfo);
            return this;
        }
    
        @Override
        public IPet sayAge() {
            pet.sayAge();
            String logInfo = "嗨,我是" + pet.getName() + ",我的年龄是：" + pet.getAge();
            FileLogger.info(logInfo);
            return this;
        }
    }

在PetLogger 代理类的sayHello和sayAge方法中，进行了日志能力的增强，调用fileLogger，向文件中进行日志的记录。

客户端的调用代码如下：

package com.crazymakercircle.Proxy;
    import com.crazymakercircle.common.pet.Cat;
    import com.crazymakercircle.common.pet.Dog;
    public class PetLoggerDemo
    {
        public static void main(String[] args) {
            PetLogger petLogger=new PetLogger(new Dog());
            petLogger.sayHello();
            petLogger.sayAge();
            petLogger=new PetLogger(new Cat());
            petLogger.sayHello();
            petLogger.sayAge();
          }
    }

客户端程序，除了对象的新建需要稍微的调整之外，其他的代码，都不需要改变。

运行客户端的程序，在日志文件中，进行了日志的保存。日志保存的结果，如下所示：

新设计的PetLogger，调用了一个通用的日志类FileLogger，向日志文件，追加日志。

日志类FileLogger的代码，逻辑上比较简单。

由于与本例核心逻辑不相干，这里不赘述，欢迎来疯狂创客圈QQ群共享下载。

####    静态代理的原理 ####

通过上面的实例，对静态代理有一个比较清晰的了解。  
静态代理模式，原理上由3大组成部分：  
（1）抽象接口类（abstract subject）  
该类的主要职责是声明目标类与代理类的共同接口方法，该类既可以是一个抽象类也可以是一个接口。  
（2） 真实目标类（real subject）  
该类也称为被委托类或被代理类，该类定义了代理所表示的真实对象，由其执行具体业务逻辑方法，而客户端则通过代理类间接地调用真实目标类中定义的方法。  
（3）代理类（proxy subject）  
该类也称为委托类或代理类，该类持有一个对真实目标类（realSubject）的引用，在其所实现的接口方法中调用真实目标类中相应的接口方法执行，以此起到代理的作用。同时，代理类执行扩展的业务逻辑，实现能力的扩展。

前面讲到，静态代理模式，完美的符合了面向对象的一项基本原则：对修改封闭，对扩展开放。

然而，这种模式有一个显而易见的缺点。

下面做一个假设， 假设一种新的场景：需要对属性的合理性进行校验。静态代理模式的缺点就一览无余了。

#### 代理的场景二：属性校验 ####

在实际的开发中，客户会一个接着一个，不断提出新的要求。这也符合互联网开发的迭代思维，是在一次又一次的迭代开发中，产品的功能一步一步丰富和完善的。

这里假设一种新的场景：  
在解决完了日志的能力扩展之后，领导或者客户又提出了一项新的能力扩展，需要对宠物的年龄进行属性校验。

校验的逻辑是：对于在合理范围之外的宠物年龄，要求进行年龄的保密，不暴露给外界。

为了进行属性校验，先进行两项准备工作：  
（1）定义一个注解，用来进行年龄的配置注解的代码如下：

@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
    @Target(ElementType.FIELD)
    public @interface AgeRange {
    
    int min();
    int max();
    }

（2）第二项准备工作是： 给Pet 类的age成员，加上年龄的注解标记

public class Pet  implements IPet{
     .........
        @AgeRange(max = 15,min = 2)
        protected int age;
    ..........
    
    }

接下来，万事具备，只欠东风了。

为了实现对年龄进行校验，可以使用静态代理模式。

参考前面的案例，再一次对Pet类进行扩展，新增一个AgaChecker 代理类，在 AgaChecker 代理类的sayAge方法中，对age的属性值进行校验。

AgaChecker 代理类的代码如下：

class AgaChecker extends PetLogger implements IPet {
        IPet pet;
        public AgaChecker(IPet pet) {
            super(pet);
            this.pet = pet;
        }
    
        @Override
        public IPet sayAge() {
            Field field = null;
            try {
                field = Pet.class.getDeclaredField("age");
            } catch (NoSuchFieldException e) {
               e.printStackTrace();
            }
            AgeRange anno = field.getAnnotation(AgeRange.class);
            if (this.getAge() > anno.max() || this.getAge() <anno.min() ) {
                Logger.debug("sorry,my age is secret ");
                return  this;
            }
            pet.sayAge();
            return this;
    
        }
    }

在上面的 AgaChecker 代理类的sayAge方法中， 首先取得了注解的min和max值，然后对age 进行校验：如果不在合理范围之类， 不在输出宠物的年龄，实现了保密的目的。

在这个代码中， 应用了注解的技术、 反射的技术、静态代理的技术。

几项Java的比较牛逼的技术，都全面的得到了引用。 然后，通过新技术的应用，优美的解决了客户的问题。

正在心里洋洋得意之时，客户或者领导不断的暗示你：这个不是终点，后面几轮迭代，还需要对持续Pet类进行扩展和改进，还需要扩展性能统计能力、安全控制能力、异常处理能力 ........

在这种场景下，估计作为开发者的你，也是头都大了。

难道每一种场景，都去增加一个代理类吗？ 显然，静态代理模式的缺点，已经昭然若揭的出来了。

静态代理的一个显著的缺点是：

一个静态代理类，只服务于一种场景的能力增强。反过来说，每一次能力的增强，需要设计一个新的代理类。

如果能力增强的场景很多，就需要设计较多的代理类型。在这种情况下，若采用静态代理，则会出现新增静态代理类多，造成代码量大，从而导致代码冗余、重复的问题。

如何解决这个问题呢？  
上帝告诉我们：办法总比问题多。 其办法之一就是：动态代理。

#### 动态代理 ####

动态代理则与静态代理相反，不需要手工实现代理类。  
动态代理通过反射机制，动态地生成代理类型。在编码阶段，不需要编写代理类。这个代理类，由JDK通过反射技术，在执行阶段动态生成，所以也叫动态代理。

通过JDK 的方式，实现动态代理的代码很简单，大致如下3步：  
（1）构造一个能力扩展对象，能力扩展对象需要实现InvocationHandler接口，实现该接口的invoke抽象方法。能力扩展的代码逻辑，写在此invoke方法中。 InvocationHandler接口是JDK的预定义接口，位于 java.lang.reflect 包中。  
（2）在JDK生成运行时代理对象前，需要取得真实目标对象（real subject）的接口，作为运行时代理类需要实现的接口。  
（3）将第一步构造的InvocationHandler接口的能力扩展对象、第二步获取的真实目标对象的接口、还加上一个类加载器，三者凑齐一起，作为入口参数，传入java.lang.reflect.Proxy类的newProxyInstance方法中，获取JDK 在运行阶段生成动态代理对象，然后，大功告成。

本例中，将以上的第二步、第三个步骤进行了封装，写成了一个通用的获取代理对象的方法，具体如下：

public static Object newProxyInstance(IPet targetObject, InvocationHandler handler ) {
        Class targetClass = targetObject.getClass();
        ClassLoader loader = targetClass.getClassLoader();
        //被代理类实现的接口
        Class<?>[] targetInterfaces = ReflectionUtil.getInterfaces(targetClass);
        Object proxy = Proxy.newProxyInstance(loader, targetInterfaces, handler);
        return proxy;
    }

为了代码的复用，将以上的定义的newProxyInstance方法，放置在一个与反射相关的Util类——ReflectionUtil类中，供后续调用。

顺便说一下，上面这个方法，后面会反复用到，用来取得动态代理类型对象。

如果这个三步暂时不好理解，看两个例子就清楚了。

####    动态代理实例 ####

按照上面的三步，来实现动态代理实例，实现前面日志记录的能力。  
其第一步，构造一个能力扩展对象LogHandler，实现InvocationHandler接口，实现该接口的invoke抽象方法，代码如下：

package com.crazymakercircle.Proxy;
    
    import com.crazymakercircle.common.pet.IPet;
    import com.crazymakercircle.util.FileLogger;
    import com.crazymakercircle.util.Logger;
    import java.lang.reflect.InvocationHandler;
    import java.lang.reflect.Method;
    class LogHandler implements InvocationHandler {
        IPet pet;
        public LogHandler(IPet pet) {
            this.pet = pet;
        }
        @Override
        public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
            if (!(proxy instanceof IPet)) {
                Logger.info("proxy is not IPet, need not file log");
            }
            IPet pet = this.pet;
            if (method.getName().equals("sayHello")) {
    //            method.invoke(pet, args);
                pet.sayHello();
                String logInfo = "嗨，大家好！我是" + pet.getName();
                FileLogger.info(logInfo);
            } else if (method.getName().equals("sayAge")) {
                pet.sayAge();
    //            method.invoke(pet, args);
                String logInfo = "嗨,我是" + pet.getName() + ",我的年龄是：" + pet.getAge();
                FileLogger.info(logInfo);
            } else {
                return method.invoke(pet, args);
            }
            return null;
        }
    }

动态代理方案，简化了编程。不需要继承抽象接口，编写一个一个的新的代理类型。 只需要将扩展的代码逻辑，写在InvocationHandler 实现类的invoke方法中即可。

完成了能力扩展实例的设计，只需要通过java.lang.reflect.Proxy类，传入前面说的3个参数，获取所需要的动态代理对象即可。  
下面的代码，使用前面封装好的ReflectionUtil类中的newProxyInstance方法，取得动态代理对象，然后直接调用。  
调用动态代理对象的代码如下：

package com.crazymakercircle.Proxy;
    import com.crazymakercircle.common.pet.Cat;
    import com.crazymakercircle.common.pet.Dog;
    import com.crazymakercircle.common.pet.IPet;
    import com.crazymakercircle.util.ReflectionUtil;
    
    import java.lang.reflect.InvocationHandler;
    
    public class PetLoggerProxyDemo {
        public static void main(String[] args) {
    //生成代理类的class文件
    System.getProperties().put("sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles", "true");
    
            // 创建被代理类的委托类,之后想要调用被代理类的方法时，
            // 都会委托给这个类的invoke方法
            IPet dog=new Dog();
            InvocationHandler handler = new LogHandler(dog);
            IPet petProxy =(IPet) ReflectionUtil.newProxyInstance(dog,handler);
            petProxy.sayHello();
            petProxy.sayAge();
            IPet cat=new Cat();
            // 创建被代理类的委托类,之后想要调用被代理类的方法时，
            // 都会委托给这个类的invoke方法
            handler = new LogHandler(cat);
            petProxy =(IPet)  ReflectionUtil.newProxyInstance(cat,handler);
            petProxy.sayHello();
            petProxy.sayAge();
        }
    }

#### 动态代理的原理 ####

动态代理，是本质上是通过java.lang.reflect.Proxy的newProxyInstance方法，生成一个动态代理类的实例。  
这里对 java.lang.reflect.Proxy的newProxyInstance方法，做一个详细的介绍。该方法的定义如下：

public static Object newProxyInstance(ClassLoader loader,
                                          Class<?>[] interfaces,
                                          InvocationHandler h)
        throws IllegalArgumentException
    {
    ....
    }

我们已经知道，此方法会产生一个动态代理类，并且创建一个动态代理类的对象，并且返回。  
此方法的参数中，最重要的是第二个和第三个参数。  
第二个参数是动态代理类需要实现的抽象接口，此接口也是真实目标类的所实现的接口。  
第三个参数是一个对真实目标类进行能力增强的InvocationHandler 对象。在此类中， 实现扩展的业务逻辑，比方日志的记录、属性的检查，或者其他的能力增强的逻辑。

JVM执行时，所产生的动态代理类，到底长成啥样呢？是否能看到动态扩展类的class字节码呢？  
答案是肯定的。

需要一个额外的操作。在生成动态扩展类之前，加上一句系统属性设置的代码，就可以将JVM在运行时生成的动态扩展类的class文件，保存在当前的工程目录下。  
设置系统属性的代码，具体如下：

System.getProperties().put("sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles", "true");

这句代码告诉JVM 在将生成的字节码保存下来，默认的保存为项目根路径的com/sun/proxy/下。  
以前面的日志动态代理实例为例，运行程序，可以发现 在com/sun/proxy/路径下生成了$Proxy0.class字节码文件。如果IDE有反编译的能力，可以在IDE中直接打开，后可以看到它的源码如下：

package com.sun.proxy;
    
    import com.crazymakercircle.common.pet.IPet;
    import java.lang.reflect.InvocationHandler;
    import java.lang.reflect.Method;
    import java.lang.reflect.Proxy;
    import java.lang.reflect.UndeclaredThrowableException;
    
    public final class $Proxy3 extends Proxy implements IPet {
        private static Method m1;
        private static Method m6;
        private static Method m3;
        private static Method m2;
        private static Method m4;
        private static Method m5;
        private static Method m0;
    
        public $Proxy3(InvocationHandler var1) throws  {
            super(var1);
        }
    
        public final boolean equals(Object var1) throws  {
            try {
                return ((Boolean)super.h.invoke(this, m1, new Object[]{var1})).booleanValue();
            } catch (RuntimeException | Error var3) {
                throw var3;
            } catch (Throwable var4) {
                throw new UndeclaredThrowableException(var4);
            }
        }
    
        public final IPet sayHello() throws  {
            try {
                return (IPet)super.h.invoke(this, m6, (Object[])null);
            } catch (RuntimeException | Error var2) {
                throw var2;
            } catch (Throwable var3) {
                throw new UndeclaredThrowableException(var3);
            }
        }
    
        public final String getName() throws  {
            try {
                return (String)super.h.invoke(this, m3, (Object[])null);
            } catch (RuntimeException | Error var2) {
                throw var2;
            } catch (Throwable var3) {
                throw new UndeclaredThrowableException(var3);
            }
        }
    
        public final String toString() throws  {
            try {
                return (String)super.h.invoke(this, m2, (Object[])null);
            } catch (RuntimeException | Error var2) {
                throw var2;
            } catch (Throwable var3) {
                throw new UndeclaredThrowableException(var3);
            }
        }
    
        public final IPet sayAge() throws  {
            try {
                return (IPet)super.h.invoke(this, m4, (Object[])null);
            } catch (RuntimeException | Error var2) {
                throw var2;
            } catch (Throwable var3) {
                throw new UndeclaredThrowableException(var3);
            }
        }
    
        public final int getAge() throws  {
            try {
                return ((Integer)super.h.invoke(this, m5, (Object[])null)).intValue();
            } catch (RuntimeException | Error var2) {
                throw var2;
            } catch (Throwable var3) {
                throw new UndeclaredThrowableException(var3);
            }
        }
    
        public final int hashCode() throws  {
            try {
                return ((Integer)super.h.invoke(this, m0, (Object[])null)).intValue();
            } catch (RuntimeException | Error var2) {
                throw var2;
            } catch (Throwable var3) {
                throw new UndeclaredThrowableException(var3);
            }
        }
    
        static {
            try {
                m1 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("equals", new Class[]{Class.forName("java.lang.Object")});
                m6 = Class.forName("com.crazymakercircle.common.pet.IPet").getMethod("sayHello", new Class[0]);
                m3 = Class.forName("com.crazymakercircle.common.pet.IPet").getMethod("getName", new Class[0]);
                m2 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("toString", new Class[0]);
                m4 = Class.forName("com.crazymakercircle.common.pet.IPet").getMethod("sayAge", new Class[0]);
                m5 = Class.forName("com.crazymakercircle.common.pet.IPet").getMethod("getAge", new Class[0]);
                m0 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("hashCode", new Class[0]);
            } catch (NoSuchMethodException var2) {
                throw new NoSuchMethodError(var2.getMessage());
            } catch (ClassNotFoundException var3) {
                throw new NoClassDefFoundError(var3.getMessage());
            }
        }
    }

通过代码可以看出，这个动态代理类，其实只做了两件简单的事情：  
（1）实现了抽象接口类的每一个抽象方法  
上面的例子，是实现了IPet接口的动态代理类。除了实现了Ipet接口的sayHello、sayAge等四个方法，还有额外的三个方法。  
这个额外的三个方法，是从java.lang.Object中继承来的equals()、hashCode()、toString()方法。这个3方法，都在代理类中，生成了对应的代理实现。  
（2）在每一个代理实现的方法中，其实代码很简单。仅仅是统一调用了InvocationHandler对象的invoke()方法。并且将调用的参数，进行了二次传递。  
而实际上，InvocationHandler对象的invoke()方法，正是我们进行能力增强的方法。

####    动态代理实现属性检查 ####

使用动态代理，实现多种能力的增强，就不需要再继承抽象接口，实现很多的能力增强类了。  
比如，使用动态代理的方法，进行年龄属性的合理性检查，为以下两步：  
（1）实现InvocationHandler 的invoke方法，加入能力增强的代码，进行age的合理性检查  
（2）通过Proxy.newProxyInstance方法，取得动态代理对象，可以使用。

实现属性检查的能力增强，第一步的代码如下：

package com.crazymakercircle.Proxy;
    
    import com.crazymakercircle.anno.AgeRange;
    import com.crazymakercircle.common.pet.IPet;
    import com.crazymakercircle.common.pet.Pet;
    import com.crazymakercircle.util.Logger;
    import java.lang.reflect.Field;
    import java.lang.reflect.InvocationHandler;
    import java.lang.reflect.Method;
    
    class AgeCheckerHandler implements InvocationHandler {
        IPet pet;
    
        public AgeCheckerHandler(IPet pet) {
            this.pet = pet;
        }
    
        @Override
        public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
    
            if (method.getName().equals("sayAge")) {
                Field field = null;
    
                try {
                    field = Pet.class.getDeclaredField("age");
                } catch (NoSuchFieldException e) {
                    e.printStackTrace();
                    return null;
                }
                AgeRange anno = field.getAnnotation(AgeRange.class);
                if (pet.getAge() > anno.max() || pet.getAge() < anno.min()) {
                    Logger.debug("sorry,my age is secret ");
                    return null;
                }
               return pet.sayAge();
    //            return   method.invoke(pet, args);
            } else {
                return method.invoke(pet, args);
            }
        }
    }

在invoke方法中，首先对调用的方法进行判断，只对sayAge进行增强。对年龄进行边界的校验，边界之外的直接保密。  
除了sayAge之前的其他的方法，还是直接执行目标对象的原方法。

这里执行原目标对象的方法，使用的是反射的方式：

return  method.invoke(pet, args);

总结起来，使用动态代理，主要通过InvocationHandler 的invoke方法来调用具体的被代理方法。动态代理可以使我们的代码逻辑更加简洁，不需要写一大堆的代理类，不再需要关心到底代理谁。

最后，说明一下，动态代理的，可以直接通过JDK 实现，也可以使用第三方的字节码生成工具cglib等来实现。  
使用第三方库进行动态代理，原理与JDK的方法，基本相同，这里不做展开。

[QQ]: https://blog.csdn.net/crazymakercircle/article/details/80208650
[70]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/01/29/d2c70d15aa44431f9f3403af51cf6f46.png
[70 1]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/01/29/0ab5f0483d114c9883cb0775bcde5323.png