JVM-从字节码角度深入探讨JDK动态代理

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我准备战斗到最后，不是因为我勇敢，是我想见证一切。 --双雪涛《猎人》

[TOC]
Thinking

1. 一个技术，为什么要用它，解决了那些问题？
2. 如果不用会怎么样，有没有其它的解决方法？
3. 对比其它的解决方案，为什么最终选择了这种，都有何利弊？
4. 你觉得项目中还有那些地方可以用到，如果用了会带来那些问题？
5. 这些问题你又如何去解决的呢？

思考

​ Java是一个强类型语言，而Java提供的编译期和运行期加载的机制，让Java更加灵活的塑造自己。其中动态加载可以说是Java生态中非常重要的一环。

​ 提到动态代理，应该大多数人都会第一时间想到spring提供的AOP。它就是通过动态代理在JVM运行期动态编织再通过依赖注入，将动态代理出的真实对象注入到对应的类中。可想而知，动态代理在spring中的重要地位。

详情可以参读spring aop 的实现原理

首先提出几个疑问：

1. 动态代理到底代理了那个类？
2. JDK动态代理为什么只针对接口呢？
3. 动态代理到底是什么时候将类创建出来的？又是如何创建的？创建的具体是哪个类对象呢？

带着疑问，往下走🙂

1、编写一个JDK动态代理

public interface Subject {
    void request();
}

public class RealSubject implements Subject {
    @Override
    public void request() {
        System.out.println("RealSubject is running");
    }
}

public class DynamicSubject implements InvocationHandler {
    // 将真实的对象 作为成员变量 通过构造方法传入进来
    private Object sub;

    public DynamicSubject(Object sub) {
        this.sub = sub;
    }

    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        System.out.println("before calling: " + method);
        method.invoke(this.sub, args);
        System.out.println("after calling: " + method);

        return null;
    }
}

// Test
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        RealSubject realSubject = new RealSubject();
        InvocationHandler handler = new DynamicSubject(realSubject);
        Class<? extends RealSubject> aClass = realSubject.getClass();

        // 真正的 类型则是动态绑定的
        Subject subject = (Subject) Proxy.newProxyInstance(aClass.getClassLoader(),
                aClass.getInterfaces(), handler);
        subject.request();
        System.out.println(subject.getClass());
        System.out.println(subject.getClass().getSuperclass());
        // class com.sun.proxy.$Proxy0
        // class java.lang.reflect.Proxy
    }
}

• 从上面的 代码可以看到真正的代理类的创建代码为：
  • Subject subject = (Subject) Proxy.newProxyInstance(aClass.getClassLoader(),
    aClass.getInterfaces(), handler);

2、深入源码

这里建议使用debug 一步一步跟进！🙂 let·s go

1. 进入到java.lang.reflect.Proxy#newProxyInstance

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明确一下传入的参数的值，以免后面忘记了。

2. 然后会经过一系列的检测和接口clone和安全检测

   1. image-20200410205947048

3. 下面就是重点了，进入到了真正的查找或者创建代理对象的方法

   1. image-20200410210052797

4. 进入该方法后，会尝试在缓存中获取代理类对象（如果存在）

   1. image-20200410211012222

   2. 在源码中我们发现了调用了全局变量proxyClassCache的get方法，先看一下proxyClassCache都做了些什么？

      1. image-20200410211316918

      2. 创建了一个java.lang.reflect.WeakCache类，并且传入了两个实例对象，再逐步跟进去查看一下这三个实例的初始化过程。

         1. image-20200410211536301
         • 大致情况就是创建一个密钥！
         2. image-20200410211738397
         • 上述的两个工厂对象都是实现了函数式接口java.util.function.BiFunction，所以后续都会有相应的java.util.function.BiFunction#apply方法调用。
         3. image-20200410212539975
            • 这里重点说一下java.lang.reflect.WeakCache中的map变量，其中map变量是实现缓存的核心变量，他是一个双重的Map结构: (key, sub-key) -> value。其中key是传进来的Classloader进行包装后的对象，sub-key是由WeakCache构造函数传人的KeyFactory()生成的。value就是产生代理类的对象，是由WeakCache构造函数传人的ProxyClassFactory()生成的。

5. 再进入到生成的java.lang.reflect.WeakCache的get方法。

   • 该方法会尝试在缓存中获取，或者自己根据类加载器和接口数组创建代理对象（缓存获取不到的情况下）
   • image-20200410215338299
   • image-20200410215524436
   • 调用KeyFacroty 对象中的apply方法，生成密钥
     • image-20200410215627655
     • 在上面的一系列操作后，发现在缓存中获取不到数据，会进入一个while循环体
6. image-20200410215823350
   • image-20200410220225798
   • 此时的逻辑执行完毕，再次进入循环体中，此时的supplier 则不为空。
7. image-20200410220403891
8. image-20200410220803598
   • 这里的valueFactory在类初始化时，就已经赋值成功了，为：java.lang.reflect.Proxy.ProxyClassFactory，接下来进入真正的创建代理类的逻辑了。

9. 在进行完一系列的检测和数据拼接后，终于到了最终构建代理类实例的时候了

   1. image-20200410221147821
   2. image-20200410221216203
   3. image-20200410221310586
      1. 这里方法是具体的构建代理类对象中的所有字节码结构，包括（常量池、字段、方法、等），进去瞄一眼！！！
      2. 首先看到该类下有一个静态的代码块，对Object类下的hashCode、toString、equals三个放进行封装 image-20200410221609074
      3. 将这三个方法构建到代理类中，并且会保持在代理类的真实方法之前。
      4. image-20200410221745030
      5. 将代理类中的所有方法添加到构建中
      6. image-20200410221839172
      7. 后面的一系列操作都是对代理类的二进制文件进行构建。有兴趣可以看一下源码
      8. image-20200410221934935

10. 代理对象的二进制文件构建完之后会有一个判断

    • image-20200410222058627
    • 这个判断既是系统属性，在开启之后，会将生成的代理对象的二进制文件输出到磁盘中
    • image-20200410222203254
    • 具体操作如下：
      • image-20200410222227455
      • debug运行后会得到一个$Proxy0.class文件在项目的根路径
      • image-20200410222329274
11. 在生成二进制文件之后，会调用 image-20200410222621477

    调用本地方法生成具体的代理对象，根据制定的类加载器，类名，二进制文件

12. 然后将生成的代理对象放入到cache中等一系列的操作在这里就不赘述了。

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13. 再回到java.lang.reflect.Proxy#newProxyInstance中 image-20200410222930327
    1. 会通过class 文件获取构造函数
    2. image-20200410223340825
    3. 参数类型为： image-20200410223405623
    4. 然后将传入的handle 当作参数进行对象的初始化 image-20200410223501823
       1. 这里使用对象数组，是因为获取的构造函数是使用InvocationHandler数据获取到的。
14. 至此：代理对象就创建完毕了。很简单对不对😊

3、通过上述的源码学习到了

- 在源码中使用到了JDK8的函数式编程，所以代码逻辑可能比较绕。但是读下来还是很轻松的。

- 在读到源码的数据构建中，明白了具体的构建参数

​ 在代理类的构建中，会在真的是代理类的方法之前加入Object中的三个方法。保证了在代理类中使用到hashCode、toString、equals时，会直接使用代理类中的重写方法，但是如果用到其它的方法例如clone等等的方法呢？

​ 查看一下JAVADOC

image-20200410224325790

明确的指到：在使用没有重写的方法会直接调用Object类的方法，跟平时无异

4、再看字节码文件

​ 在添加系统属性之后，会生成代理类的class 文件。来看一下具体的class文件

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首先看到有四个变量。都为Method类型。也很好理解。method可以通过反射直接调用指定的方法。

image-20200410224718908

再看有一个静态的代码块。用于对成员变量的初始化。可以很清楚的看到生成的具体方法，也很好的对应了源码中的逻辑。

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再看构造函数，可以发现啊，在源码中使用构造函数调用时会指定启动程序指定的InvocationHandler参数，在这里会初始化到父类的成员变量中

image-20200410225051984 image-20200410225108876

所以这里就更加清楚的知道在class文件中每一个方法都是使用super.h.invoke的方式进行调用的。

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这里看一下程序的启动类，具体是怎么定义的。

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所以不难看出这里初始化的h是指向启动程序中的DynamicSubject

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再看request方法

​ 我们再看生成的代理类中的request方法。

image-20200410230158395

图中的疑问，一样也非常好解答

就是在启动类中，在初始化DynamicSubject时，定义了sub的属性。

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所以在调用invoke方法时，会根据具体的实例对象进行调用。

所以现在应该非常明确的知道在动态代理时，所有的执行流程了

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5、疑问清除术

1. 动态代理到底代理了那个类？
2. JDK动态代理为什么只针对接口呢？
3. 动态代理到底是什么时候将类创建出来的？又是如何创建的？创建的具体是哪个类对象呢？

1. 动态代理其实是根据给定的类加载器和类的接口数组，在Java运行期由JDK自行创建的一个类，用于执行一些相关逻辑，这种设计极大程度的丰富了Java的设计理念，和动态加载的丰富性。例如：spring AOP。在程序运行时对程序进行增强。
2. JDK 源码中只会根据接口数组进行对数据的构建。并不支持继承等其它形式
3. 动态代理是在程序运行时将类创建出来的，可以最大程序的将程序变得更加灵活。会根据具体指定的接口对象进行具体操作和实现。

6、TODO

​ JDK的动态代理是有局限的，所以在spring中已经集成了cjlib基于继承的方式进行动态代理。有空再说咯 🙂

本文应该存在大量的错误，因为都是笔者自行理解做出的总结，仅供个人学习备忘。

本文仅供笔者本人学习，有错误的地方还望指出，一起进步！望海涵！

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