JDK动态代理为什么不能代理类--详解动态代理

作者: 小可怜求放过 | 来源:发表于2020-11-19 17:26 被阅读0次

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动态代理的应用十分广泛，很多有名的框架都用到了动态代理，比如spring aop，mybatis，Hibernate，rpc等等，甚至我们日常开发中一些非功能性需求--监控、统计、鉴权、限流、事务、幂等、日志--也是基于动态代理实现的。由此可见，掌握动态代理对我们的开发工作或阅读框架源码是非常有帮助的。

本文主要介绍Java中两种常见的动态代理方式：JDK动态代理和CGLIB动态代理。

Java动态代理与java反射关系紧密，若读者对Java反射机制有些疑问，可参考上一篇文章《java进阶系列-反射详解》。

本文概要：

简单介绍代理模式
比较静态代理与动态代理
JDK动态代理
CGLIB动态代理

引入需求

UserServiceImpl代码如下：

public class UserServiceImpl implements UserService {

    @Override
    public void login(String username, String password) {
        System.out.println("欢迎" + username + "登录！");
    }

}

可以看到UserServiceImpl实现了UserService，有一个login方法。

请你设想一下，现在我们面临这样一个新需求：收集接口请求的原始数据，比如记录方法的访问时间，及处理时长。

首先分析一下需求，很明显这样的需求与业务代码本身并没有什么关系，任何业务代码都可能面临这种需求，所以直接在login方法中添加代码的方法，破坏了业务类的单一原则，也增加了代码的冗余程度。

为了将框架代码和业务代码解耦，代理模式就派上用场了。

代理模式

代理模式(Proxy Design Pattern)：在不改变原始类 (或叫被代理类)代码的情况下，通过引入代理类来给原始类附加功能。
如果根据代理类字节码的创建时机来分类，可以分为静态代理和动态代理：

静态：在程序运行前就已经存在代理类的字节码文件，代理类和原始类的关系在运行前就确定了。
动态：代理类源码是在程序运行期间由JVM根据反射等机制动态的生成，所以在运行前并不存在代理类的字节码文件

静态代理

我们首先实现静态代理，添加代理类UserServiceProxy，同样实现UserService接口，代理类 UserServiceProxy 负责在业务代码执行前后附加其他逻辑代码，并通过委托的方式调用原始类来执行业务代码。具体的代码实现如下所示:

public class UserServiceProxy implements UserService {
    private UserServiceImpl userService;

    public UserServiceProxy(UserServiceImpl userService) {
        this.userService = userService;
    }

    @Override
    public void login(String username, String password) {
        long startTimestamp = System.currentTimeMillis();

        userService.login(username, password);

        long endTimeStamp = System.currentTimeMillis();

        long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp;

        System.out.printf("method:%s, startTime:%s, responseTime:%s", "login", startTimestamp, responseTime);
    }

}

下面调用一下试试：

public class DynamicProxyDemo {
    public static void main(String[] args) {
        staticProxy();
    }

    private static void staticProxy() {
        UserServiceImpl userService = new UserServiceImpl();
        UserServiceProxy userServiceProxy = new UserServiceProxy(userService);
        userServiceProxy.login("rex", "123");
    }
}

执行结果如下：

欢迎rex登录！
method:login, startTime:1605756985465, responseTime:1

虽然静态代理实现简单，且不侵入原代码，但缺点也是很明显的，试想一下，随着我们业务系统的逐渐发展，代码越来越多，难道我们要为每个原始类都添加一个代理类吗？

优缺点

优点：代码结构简单，较容易实现
缺点：无法适配所有代理场景，如果有新的需求，需要修改代理类，「不符合软件工程的开闭原则」

我们可以使用动态代理(Dynamic Proxy)来解决这个问题。

动态代理

JDK动态代理，有两个关键类：java.lang.reflect.InvocationHandler 和 java.lang.reflect.Proxy。
具体的代码如下所示。

package dynamicproxy;

import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;

public class DynamicProxyHandler implements InvocationHandler {
    // 原始类
    private Object proxied;

    public DynamicProxyHandler(Object proxied) {
        this.proxied = proxied;
    }

    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        long startTimestamp = System.currentTimeMillis();

        Object obj = method.invoke(proxied, args);

        long endTimeStamp = System.currentTimeMillis();

        long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp;

        System.out.printf("method:%s, startTime:%s, responseTime:%s", method.getName(), startTimestamp, responseTime);

        return obj;
    }
}

invoke() 方法有3个参数：

Object proxy：代理对象
Method method：真正执行的方法
Object[] agrs：调用第二个参数 method 时传入的参数列表值

生成代理对象需要用到Proxy类，它可以帮助我们生成任意一个代理对象，里面提供一个静态方法newProxyInstance。

Proxy.newProxyInstance(ClassLoader loader, Class<?>[] interfaces, InvocationHandler h);

实例化代理对象时，需要传入3个参数：

ClassLoader loader：加载动态代理类的类加载器
Class<?>[] interfaces：代理类实现的接口，可以传入多个接口
InvocationHandler h：指定代理类的「调用处理程序」，即调用接口中的方法时，会找到该代理工厂h，执行invoke()方法

public class DynamicProxyDemo {
    public static void main(String[] args) {
        dynamicProxy();
    }
    
    private static void dynamicProxy() {
        // 设置变量可以保存动态代理类，默认名称以 $Proxy0 格式命名
        System.setProperty("sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles", "true");

        UserServiceImpl userServiceImpl = new UserServiceImpl();

        UserService proxyInstance = (UserService) Proxy.newProxyInstance(UserServiceImpl.class.getClassLoader(),
                userServiceImpl.getClass().getInterfaces(), new DynamicProxyHandler(userServiceImpl));

        proxyInstance.login("jack", "456");
    }
}

执行结果如下：

欢迎jack登录！
method:login, startTime:1605759941043, responseTime:0

以上就是我们实现的动态代理了，相比静态代理，我们不需要重复实现代理类，jdk会帮助我们动态的实现代理类。
看下上述代码的调用栈信息：

在这里插入图片描述
其中，

Proxy0 就是自动生成的代理类，如果我们想看下自动生成proxy class到底长什么样该如何办呢？可以通过参数-Dsun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles=true（或者执行System.setProperty("sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles", "true");）来保存成对应的class文件。

Proxy0 代码：

//
// Source code recreated from a .class file by IntelliJ IDEA
// (powered by FernFlower decompiler)
//

package com.sun.proxy;

import dynamicproxy.UserService;
import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Proxy;
import java.lang.reflect.UndeclaredThrowableException;

public final class $Proxy0 extends Proxy implements UserService {
    private static Method m1;
    private static Method m2;
    private static Method m3;
    private static Method m0;

    public $Proxy0(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);
        }
    }

    public final void login(String var1, String var2) throws  {
        try {
            super.h.invoke(this, m3, new Object[]{var1, var2});
        } catch (RuntimeException | Error var4) {
            throw var4;
        } catch (Throwable var5) {
            throw new UndeclaredThrowableException(var5);
        }
    }

    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);
        }
    }

    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("dynamicproxy.UserService").getMethod("login", Class.forName("java.lang.String"), Class.forName("java.lang.String"));
            m0 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("hashCode");
        } catch (NoSuchMethodException var2) {
            throw new NoSuchMethodError(var2.getMessage());
        } catch (ClassNotFoundException var3) {
            throw new NoClassDefFoundError(var3.getMessage());
        }
    }
}

从 $Proxy0 的代码中我们可以发现：

$Proxy0 继承了 Proxy 类（这也是JDK动态代理为什么不能代理类的直接原因），并且实现了被代理的所有接口，以及equals、hashCode、toString等方法
$Proxy0 继承了 Proxy 类，每个代理类都有一个参数为 InvocationHandler的构造方法
类和所有方法都被 public final 修饰，所以代理类只可被使用，不可以再被继承
每个方法都有一个 Method 对象来描述，Method 对象在static静态代码块中创建，以 m + 数字的格式命名
调用方法的时候通过 super.h.invoke(this, m1, (Object[])null); 调用，其中的 super.h.invoke 实际上是在创建代理的时候传递给 Proxy.newProxyInstance 的 DynamicProxyHandler 对象，它继承 InvocationHandler 类，负责实际的调用处理逻辑

而 DynamicProxyHandler 的 invoke 方法接收到 method、args 等参数后，进行一些处理，然后通过反射让被代理的对象 proxied 执行方法。

Proxy源码

下面开始分析JDK动态代理生成proxy class流程源码，Proxy.newProxyInstance() 是生成动态代理对象的关键，我们可来看看它里面到底干了些什么，以下代码分析只贴出主要流程代码。

 /** parameter types of a proxy class constructor */
private static final Class<?>[] constructorParams =
        { InvocationHandler.class };
public static Object newProxyInstance(ClassLoader loader,
                                          Class<?>[] interfaces,
                                          InvocationHandler h)
        throws IllegalArgumentException
    {
        // 省略检验部分代码

        /*
         * 这里是为了得到动态生成的代理类，具体过程稍后分析
         * Look up or generate the designated proxy class.
         */
        Class<?> cl = getProxyClass0(loader, intfs);

        /*
         * Invoke its constructor with the designated invocation handler.
         */
        try {
            /*
             * 因为动态生成的代理类都继承了Proxy，所以都有一个参数为InvocationHandler的构造器
             * 通过这个构造器生成代理类的实例
             */
            final Constructor<?> cons = cl.getConstructor(constructorParams);
            return cons.newInstance(new Object[]{h});
        } 
        // 省略catch部分代码
    }

可以看到代理类是getProxyClass0方法获取的：

    /**
     * Generate a proxy class.  Must call the checkProxyAccess method
     * to perform permission checks before calling this.
     */
    private static Class<?> getProxyClass0(ClassLoader loader,
                                           Class<?>... interfaces) {
        if (interfaces.length > 65535) {
            throw new IllegalArgumentException("interface limit exceeded");
        }

        // If the proxy class defined by the given loader implementing
        // the given interfaces exists, this will simply return the cached copy;
        // otherwise, it will create the proxy class via the ProxyClassFactory
        return proxyClassCache.get(loader, interfaces);
    }

发现里面用到一个缓存「proxyClassCache」，从结构来看类似于是一个 map 结构，根据类加载器loader和真实对象实现的接口interfaces查找是否有对应的 Class 对象，我们接着往下看 get() 方法。

public V get(K key, P parameter) {
    ...
    Object subKey = Objects.requireNonNull(subKeyFactory.apply(key, parameter));
    ...
}

在 get() 方法中，如果没有从缓存中获取到 Class 对象，则需要利用「subKeyFactory」去实例化一个动态代理对象，subKeyFactory 在这里是「Proxy」类中「ProxyClassFactory」内部类，由它来创建一个动态代理类，所以我们接着去看 ProxyClassFactory 中的 apply() 方法。

public Class<?> apply(ClassLoader loader, Class<?>[] interfaces) {
     //自动生成一个proxy class，序号+1
    long num = nextUniqueNumber.getAndIncrement();
    // 动态代理对象名拼接！包名 + "$Proxy" + 数字
    String proxyName = proxyPkg + proxyClassNamePrefix + num;
    // 生成字节码文件，返回一个字节数组
    byte[] proxyClassFile = ProxyGenerator.generateProxyClass(
        proxyName, interfaces, accessFlags);
    try {
    // 利用字节码文件创建该字节码的 Class 类对象
        return defineClass0(loader, proxyName,
                    proxyClassFile, 0, proxyClassFile.length);
    } catch (ClassFormatError e) {
        throw new IllegalArgumentException(e.toString());
    }
}

apply() 方法中注意有两个非常重要的方法：

ProxyGenerator.generateProxyClass()：它是生成字节码文件的方法，它返回了一个字节数组，字节码文件本质上就是一个字节数组，所以 proxyClassFile数组就是一个字节码文件
defineClass0()：生成字节码文件的 Class 对象，它是一个 native 本地方法，调用操作系统底层的方法创建类对象

CGLIB动态代理

CGLIB（Code generation Library） 不是 JDK 自带的动态代理，它需要导入第三方依赖，它是一个字节码生成类库，能够在运行时动态生成代理类。

与 JDK 动态代理不同的是，CGLIB不仅能够为 Java接口做代理，而且能够为普通的 Java类 做代理。

添加maven依赖：

<dependency>
  <groupId>cglib</groupId>
  <artifactId>cglib-nodep</artifactId>
  <version>3.3.0</version>
</dependency>

CGLIB 代理，有两个核心的类：MethodInterceptor接口和Enhancer类，MethodInterceptor类似于上述的InvocationHandler，Enhancer类似于Proxy。
下面是具体实现：

package dynamicproxy;

import net.sf.cglib.proxy.MethodInterceptor;
import net.sf.cglib.proxy.MethodProxy;

import java.lang.reflect.Method;

public class DynamicInterceptor implements MethodInterceptor {

    /**
     * @param o 表示原始类
     * @param method 表示被拦截的方法
     * @param objects 数组表示参数列表，基本数据类型需要传入其包装类型，如int-->Integer、long-Long、double-->Double
     * @param methodProxy 表示对方法的代理，invokeSuper方法表示对原始对象方法的调用
     * @return 执行结果
     * @throws Throwable
     */
    @Override
    public Object intercept(Object o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {
        long startTimestamp = System.currentTimeMillis();

        // 注意这里是调用 invokeSuper 而不是 invoke，否则死循环，
        // methodProxy.invokeSuper执行的是原始类的方法，
        // method.invoke执行的是子类的方法
        Object result = methodProxy.invokeSuper(o, objects);

        long endTimeStamp = System.currentTimeMillis();

        long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp;

        System.out.printf("method:%s, startTime:%s, responseTime:%s", method.getName(), startTimestamp, responseTime);

        return result;
    }

}

在演示Enhancer前，我们先添加UserServiceWithoutImpl（不再实现UserService接口）：

package dynamicproxy;

public class UserServiceWithoutImpl {

    public void login(String username, String password) {
        System.out.println("欢迎" + username + "登录！");
    }

}

测试

public class DynamicProxyDemo {
    public static void main(String[] args) {
        cglibProxy();
    }
    private static void cglibProxy() {
        DynamicInterceptor interceptor = new DynamicInterceptor();

        Enhancer enhancer = new Enhancer();
        // 设置超类，cglib是通过继承来实现的
        enhancer.setSuperclass(UserServiceWithoutImpl.class);  
        enhancer.setCallback(interceptor);

        UserServiceWithoutImpl userService = (UserServiceWithoutImpl)enhancer.create();
        userService.login("mary", "789");
    }
}

结果：

欢迎mary登录！
method:login, startTime:1605775483020, responseTime:10

CGLIB 创建动态代理类的模式是：

查找目标类上的所有非final 的public类型的方法定义；
将这些方法的定义转换成字节码；
将组成的字节码转换成相应的代理的class对象；
实现 MethodInterceptor接口，用来处理对代理类上所有方法的请求

JDK 动态代理和 CGLIB动态代理的对比

	JDK Proxy	CGLIB
代理工厂实现接口	InvocationHandler	MethodInterceptor
动态生成代理类	Proxy	Enhancer

JDK动态代理：基于Java反射机制实现，必须要实现了接口的业务类才能用这种办法生成代理对象。
cglib动态代理：基于ASM机制实现，通过生成业务类的子类作为代理类。

JDK Proxy 的优势：

最小化依赖关系，减少依赖意味着简化开发和维护，JDK 本身的支持，可能比 cglib 更加可靠。
平滑进行 JDK 版本升级，而字节码类库通常需要进行更新以保证在新版 Java 上能够使用。
代码实现简单。

基于 cglib 框架的优势：

无需实现接口，达到代理类无侵入
只操作我们关心的类，而不必为其他相关类增加工作量。
高性能

以上代码已上传至：github

参考：
给女同事讲完代理后，女同事说：你好棒哦
 Java 动态代理详解

JDK动态代理为什么不能代理类--详解动态代理

引入需求

代理模式

静态代理

优缺点

动态代理

Proxy源码

CGLIB动态代理

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