JDK动态代理：不仅要学会用，更要掌握其原理

作者: 码农StayUp | 来源:发表于2021-03-01 08:23 被阅读0次

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JDK动态代理是指：代理类实例在程序运行时，由JVM根据反射机制动态的生成。也就是说代理类不是用户自己定义的，而是由JVM生成的。

由于其原理是通过Java反射机制实现的，所以在学习前，要对反射机制有一定的了解。传送门：Java反射机制：跟着代码学反射

下面是本篇讲述内容：

1. JDK动态代理的核心类

JDK动态代理有两大核心类，它们都在Java的反射包下（java.lang.reflect），分别为InvocationHandler接口和Proxy类。

1.1 InvocationHandler接口

代理实例的调用处理器需要实现InvocationHandler接口，并且每个代理实例都有一个关联的调用处理器。当一个方法在代理实例上被调用时，这个方法调用将被编码并分派到其调用处理器的invoke方法上。

也就是说，我们创建的每一个代理实例都要有一个关联的InvocationHandler，并且在调用代理实例的方法时，会被转到InvocationHandler的invoke方法上。

public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args)
        throws Throwable;

该invoke方法的作用是：处理代理实例上的方法调用并返回结果。

其有三个参数，分别为：

proxy：是调用该方法的代理实例。
method：是在代理实例上调用的接口方法对应的Method实例。
args：一个Object数组，是在代理实例上的方法调用中传递的参数值。如果接口方法为无参，则该值为null。

其返回值为：调用代理实例上的方法的返回值。

1.2 Proxy类

Proxy类提供了创建动态代理类及其实例的静态方法，该类也是动态代理类的超类。

代理类具有以下属性：

代理类的名称以 “$Proxy” 开头，后面跟着一个数字序号。
代理类继承了Proxy类。
代理类实现了创建时指定的接口（JDK动态代理是面向接口的）。
每个代理类都有一个公共构造函数，它接受一个参数，即接口InvocationHandler的实现，用于设置代理实例的调用处理器。

Proxy提供了两个静态方法，用于获取代理对象。

1.2.1 getProxyClass

用于获取代理类的Class对象，再通过调用构造函数创建代理实例。

public static Class<?> getProxyClass(ClassLoader loader,
                                         Class<?>... interfaces)
        throws IllegalArgumentException

该方法有两个参数：

loader：为类加载器。
intefaces：为接口的Class对象数组。

返回值为动态代理类的Class对象。

1.2.2 newProxyInstance

用于创建一个代理实例。

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

该方法有三个参数：

loader：为类加载器。
interfaces：为接口的Class对象数组。
h：指定的调用处理器。

返回值为指定接口的代理类的实例。

1.3 小结

Proxy类主要用来获取动态代理对象，InvocationHandler接口主要用于方法调用的约束与增强。

2. 获取代理实例的代码示例

上一章中已经介绍了获取代理实例的两个静态方法，现在通过代码示例来演示具体实现。

2.1 创建目标接口及其实现类

JDK动态代理是基于接口的，我们创建一个接口及其实现类。

Foo接口：

public interface Foo {

    String ping(String name);

}

Foo接口的实现类RealFoo：

public class RealFoo implements Foo {

    @Override
    public String ping(String name) {
        System.out.println("ping");
        return "pong";
    }

}

2.2 创建一个InvocationHandler

创建一个InvocationHandler接口的实现类MyInvocationHandler。该类的构造方法参数为要代理的目标对象。

invoke方法中的三个参数上面已经介绍过，通过调用method的invoke方法来完成方法的调用。

这里一时看不懂没关系，后面源码解析章节会进行剖析。

public class MyInvocationHandler implements InvocationHandler {

    // 目标对象
    private final Object target;

    public MyInvocationHandler(Object target) {
        this.target = target;
    }


    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        System.out.println("proxy - " + proxy.getClass());
        System.out.println("method - " + method);
        System.out.println("args - " + Arrays.toString(args));
        return method.invoke(target, args);
    }
}

2.3 方式一：通过getProxyClass方法获取代理实例

具体实现步骤如下：

根据类加载器和接口数组获取代理类的Class对象
过Class对象的构造器创建一个实例（代理类的实例）
将代理实例强转成目标接口Foo（因为代理类实现了目标接口，所以可以强转）。
最后使用代理进行方法调用。

@Test
public void test1() throws Exception {
    Foo foo = new RealFoo();
    // 根据类加载器和接口数组获取代理类的Class对象
    Class<?> proxyClass = Proxy.getProxyClass(Foo.class.getClassLoader(), Foo.class);

    // 通过Class对象的构造器创建一个实例（代理类的实例）
    Foo fooProxy = (Foo) proxyClass.getConstructor(InvocationHandler.class)
        .newInstance(new MyInvocationHandler(foo));

    // 调用 ping 方法，并输出返回值
    String value = fooProxy.ping("杨过");
    System.out.println(value);

}

输出结果：

proxy - class com.sun.proxy.$Proxy4
method - public abstract java.lang.String io.github.gozhuyinglong.proxy.Foo.ping(java.lang.String)
args - [杨过]
ping
pong

通过输出结果可以看出：

代理类的名称是以$Proxy开头的。
方法实例为代理类调用的方法。
参数为代理类调用方法时传的参数。

2.4 方式二：通过newProxyInstance方法获取代理实例

通过这种方法是最简单的，也是推荐使用的，通过该方法可以直接获取代理对象。

注：其实该方法后台实现实际与上面使用getProxyClass方法的过程一样。

@Test
public void test2() {
    Foo foo = new RealFoo();
    // 通过类加载器、接口数组和调用处理器，创建代理类的实例
    Foo fooProxy = (Foo) Proxy.newProxyInstance(Foo.class.getClassLoader(),
                                                new Class[]{Foo.class},
                                                new MyInvocationHandler(foo));
    String value = fooProxy.ping("小龙女");
    System.out.println(value);
}

2.5 通过Lambda表达式简化实现

其实InvocationHander接口也不用创建一个实现类，可以使用Lambad表达式进行简化的实现，如下代码：

@Test
public void test3() {
    Foo foo = new RealFoo();

    Foo fooProxy = (Foo) Proxy.newProxyInstance(Foo.class.getClassLoader(),
                                                new Class[]{Foo.class},
                                                (proxy, method, args) -> method.invoke(foo, args));
    String value = fooProxy.ping("雕兄");
    System.out.println(value);
}

3. 源码解析

3.1 代理类$Proxy是什么样子

JVM为我们自动生成的代理类到底是什么样子的呢？下面我们先来生成一下，再来看里面的构造。

3.1.1 生成$Proxy的.class文件

JVM默认不创建该.class文件，需要增加一个启动参数：
-Dsun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles=true

在IDEA中点击【Edit Configurations...】，打开 Run/Debug Configurations 配置框。

将上面启动参数加到【VM options】中，点击【OK】即可。

再次运行代码，会在项目中的【com.sun.proxy】目录中找到这个.class文件，我这里是“$Proxy4.class”

3.1.2 为什么加上这段启动参数就能生成$Proxy的字节码文件

在Proxy类中有个ProxyClassFactory静态内部类，该类主要作用就是生成静态代理的。

其中有一段代码ProxyGenerator.generateProxyClass用来生成代理类的.class文件。

其中变量saveGeneratedFiles便是引用了此启动参数的值。将该启动参数配置为true会生成.class文件。

3.1.3 这个代理类$Proxy到底是什么样子呢

神秘的面纱即将揭露，前面很多未解之迷在这里可以找到答案！

打开这个$Proxy文件，我这里生成的是$Proxy4，下面是内容：

// 该类为final类，其继承了Proxy类，并实现了被代理接口Foo
public final class $Proxy4 extends Proxy implements Foo {

    // 这4个Method实例，代表了本类实现的4个方法
    private static Method m1;
    private static Method m2;
    private static Method m3;
    private static Method m0;

    // 静态代码块根据反射获取这4个方法的Method实例
    static {
        try {
            m1 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("equals", Class.forName("java.lang.Object"));
            m2 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("toString");
            m3 = Class.forName("io.github.gozhuyinglong.proxy.Foo").getMethod("ping");
            m0 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("hashCode");
        } catch (NoSuchMethodException var2) {
            throw new NoSuchMethodError(var2.getMessage());
        } catch (ClassNotFoundException var3) {
            throw new NoClassDefFoundError(var3.getMessage());
        }
    }

    // 一个公开的构造函数，参数为指定的 InvocationHandler 
    public $Proxy4(InvocationHandler var1) throws  {
        super(var1);
    }
    
    public final boolean equals(Object var1) throws  {
        try {
            return (Boolean)super.h.invoke(this, m1, new Object[]{var1});
        } catch (RuntimeException | Error var3) {
            throw var3;
        } catch (Throwable var4) {
            throw new UndeclaredThrowableException(var4);
        }
    }

    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);
        }
    }

    // Foo接口的实现方法，最终调用了 InvocationHandler 中的 invoke 方法
    public final String ping(String var1) throws  {
        try {
            return (String)super.h.invoke(this, m3, new Object[]{var1});
        } catch (RuntimeException | Error var3) {
            throw var3;
        } catch (Throwable var4) {
            throw new UndeclaredThrowableException(var4);
        }
    }

    public final int hashCode() throws  {
        try {
            return (Integer)super.h.invoke(this, m0, (Object[])null);
        } catch (RuntimeException | Error var2) {
            throw var2;
        } catch (Throwable var3) {
            throw new UndeclaredThrowableException(var3);
        }
    }
}

通过该文件可以看出：

代理类继承了Proxy类，其主要目的是为了传递InvocationHandler。
代理类实现了被代理的接口Foo，这也是为什么代理类可以直接强转成接口的原因。
有一个公开的构造函数，参数为指定的InvocationHandler，并将参数传递到父类Proxy中。
每一个实现的方法，都会调用InvocationHandler中的invoke方法，并将代理类本身、Method实例、入参三个参数进行传递。这也是为什么调用代理类中的方法时，总会分派到InvocationHandler中的invoke方法的原因。

3.2 代理类是如何创建的

我们从Proxy类为我们提供的两个静态方法开始getProxyClass和newProxyInstance。上面已经介绍了，这两个方法是用来创建代理类及其实例的，下面来看源码。

3.2.1 getProxyClass 和 newProxyInstance方法

getProxyClass方法

newProxyInstance方法

通过上面源码可以看出，这两个方法最终都会调用getProxyClass0方法来生成代理类的Class对象。只不过newProxyInstance方法为我们创建好了代理实例，而getProxyClass方法需要我们自己创建代理实例。

3.2.2 getProxyClass0 方法

下面来看这个统一的入口：getProxyClass0

getProxyClass0方法

从源码和注解可以看出：

代理接口的最多不能超过65535个
会先从缓存中获取代理类，则没有再通过ProxyClassFactory创建代理类。（代理类会被缓存一段时间。）

3.2.3 WeakCache类

这里简单介绍一下WeakCache<K, P, V>类，该类主要是为代理类进行缓存的。获取代理类时，会首先从缓存中获取，若没有会调用ProxyClassFactory类进行创建，创建好后会进行缓存。

WeakCache类的get方法

3.2.4 ProxyClassFactory类

ProxyClassFactory是Proxy类的一个静态内部类，该类用于生成代理类。下图是源码的部分内容：

ProxyClassFactory类

代理类的名称就是在这里定义的，其前缀是$Proxy，后缀是一个数字。
调用ProxyGenerator.generateProxyClass来生成指定的代理类。
defineClass0方法是一个native方法，负责字节码加载的实现，并返回对应的Class对象。

3.3 原理图

为了便于记录，将代理类的生成过程整理成了一张图。

源码分享

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