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Java动态代理机制详解【面试+工作】



class文件简介及加载

Java编译器编译好Java文件之后,产生.class 文件在磁盘中。这种class文件是二进制文件,内容是只有JVM虚拟机能够识别的机器码。JVM虚拟机读取字节码文件,取出二进制数据,加载到内存中,解析.class 文件内的信息,生成对应的 Class对象:

Java动态代理机制详解【面试+工作】_java

class字节码文件是根据JVM虚拟机规范中规定的字节码组织规则生成的、具体class文件是怎样组织类信息的,下面通过一段代码演示手动加载 class文件字节码到系统内,换成class对象,然后再实例化的过程:


a. 定义一个 Programmer类:

Java动态代理机制详解【面试+工作】_字节码_02


 b. 自定义一个类加载器:

Java动态代理机制详解【面试+工作】_java_03


c. 然后编译成Programmer.class文件,在程序中读取字节码,然后换成相应的class对象,再实例化:

Java动态代理机制详解【面试+工作】_字节码_04

以上代码演示了,通过字节码加载成class 对象的能力,下面看一下在代码中如何生成class文件的字节码。


在运行期的代码中生成二进制字节码

由于JVM通过字节码的二进制信息加载类的,那么,如果我们在运行期系统中,遵循Java编译系统组织.class文件的格式和结构,生成相应的二进制数据,然后再把这个二进制数据加载换成对应的类,这样,就完成了在代码中,动态创建一个类的能力了。

Java动态代理机制详解【面试+工作】_java_05

在运行时期可以按照Java虚拟机规范对class文件的组织规则生成对应的二进制字节码。当前有很多开源框架可以完成这些功能,如ASM,Javassist。

Java字节码生成开源框架介绍--ASM:


ASM 是一个 Java 字节码操控框架。它能够以二进制形式修改已有类或者动态生成类。ASM 可以直接产生二进制 class 文件,也可以在类被加载入 Java 虚拟机之前动态改变类行为。ASM 从类文件中读入信息后,能够改变类行为,分析类信息,甚至能够根据用户要求生成新类。

不过ASM在创建class字节码的过程中,操纵的级别是底层JVM的汇编指令级别,这要求ASM使用者要对class组织结构和JVM汇编指令有一定的了解。

下面通过ASM 生成下面类Programmer的class字节码:

Java动态代理机制详解【面试+工作】_java_06

 使用ASM框架提供了ClassWriter 接口,通过访问者模式进行动态创建class字节码,看下面的例子:

Java动态代理机制详解【面试+工作】_动态代理_07

Java动态代理机制详解【面试+工作】_java_08

上述的代码执行过后,用Java反编译工具(如JD_GUI)打开D盘下生成的Programmer.class,可以看到以下信息:

Java动态代理机制详解【面试+工作】_动态代理_09

再用上面我们定义的类加载器将这个class文件加载到内存中,然后 创建class对象,并且实例化一个对象,调用code方法,会看到下面的结果:

Java动态代理机制详解【面试+工作】_动态代理_10

  ​以上表明:在代码里生成字节码,并动态地加载成class对象、创建实例是完全可以实现的。

Java字节码生成开源框架介绍--Javassist:


Javassist是一个开源的分析、编辑和创建Java字节码的类库。是由东京工业大学的数学和计算机科学系的 Shigeru Chiba (千叶 滋)所创建的。它已加入了开放源代码JBoss 应用服务器项目,通过使用Javassist对字节码操作为JBoss实现动态AOP框架。javassist是jboss的一个子项目,其主要的优点,在于简单,而且快速。直接使用java编码的形式,而不需要了解虚拟机指令,就能动态改变类的结构,或者动态生成类。

下面通过Javassist创建上述的Programmer类:


Java动态代理机制详解【面试+工作】_动态代理_11

通过JD-gui反编译工具打开Programmer.class 可以看到以下代码:

Java动态代理机制详解【面试+工作】_java_12

代理的基本构成:

      ​  代理模式上,基本上有Subject角色,RealSubject角色,Proxy角色。其中:Subject角色负责定义RealSubject和Proxy角色应该实现的接口;RealSubject角色用来真正完成业务服务功能;Proxy角色负责将自身的Request请求,调用realsubject 对应的request功能来实现业务功能,自己不真正做业务。

Java动态代理机制详解【面试+工作】_字节码_13

上面的这幅代理结构图是典型的静态的代理模式:

当在代码阶段规定这种代理关系,Proxy类通过编译器编译成class文件,当系统运行时,此class已经存在了。这种静态的代理模式固然在访问无法访问的资源,增强现有的接口业务功能方面有很大的优点,但是大量使用这种静态代理,会使我们系统内的类的规模增大,并且不易维护;并且由于Proxy和RealSubject的功能 本质上是相同的,Proxy只是起到了中介的作用,这种代理在系统中的存在,导致系统结构比较臃肿和松散。

为了解决这个问题,就有了动态地创建Proxy的想法:在运行状态中,需要代理的地方,根据Subject 和RealSubject,动态地创建一个Proxy,用完之后,就会销毁,这样就可以避免了Proxy 角色的class在系统中冗杂的问题了。

下面以一个代理模式实例阐述这一问题:

   将车站的售票服务抽象出一个接口TicketService,包含问询,卖票,退票功能,车站类Station实现了TicketService接口,车票代售点StationProxy则实现了代理角色的功能,类图如下所示。

Java动态代理机制详解【面试+工作】_java_14

对应的静态的代理模式代码如下所示:

Java动态代理机制详解【面试+工作】_java_15


Java动态代理机制详解【面试+工作】_java_16

Java动态代理机制详解【面试+工作】_java_17

Java动态代理机制详解【面试+工作】_java_18

由于我们现在不希望静态地有StationProxy类存在,希望在代码中,动态生成器二进制代码,加载进来。为此,使用Javassist开源框架,在代码中动态地生成StationProxy的字节码:

Java动态代理机制详解【面试+工作】_字节码_19


Java动态代理机制详解【面试+工作】_动态代理_20

Java动态代理机制详解【面试+工作】_java_21

上述代码执行过后,会产生StationProxy的字节码,并且用生成字节码加载如内存创建对象,调用inquire()方法,会得到以下结果:

Java动态代理机制详解【面试+工作】_java_22

通过上面动态生成的代码,我们发现,其实现相当地麻烦在创造的过程中,含有太多的业务代码。我们使用上述创建Proxy代理类的方式的初衷是减少系统代码的冗杂度,但是上述做法却增加了在动态创建代理类过程中的复杂度:手动地创建了太多的业务代码,并且封装性也不够,完全不具有可拓展性和通用性。如果某个代理类的一些业务逻辑非常复杂,上述的动态创建代理的方式是非常不可取的!

InvocationHandler角色的由来

仔细思考代理模式中的代理Proxy角色。Proxy角色在执行代理业务的时候,无非是在调用真正业务之前或者之后做一些“额外”业务。

Java动态代理机制详解【面试+工作】_动态代理_23

有上图可以看出,代理类处理的逻辑很简单:在调用某个方法前及方法后做一些额外的业务。换一种思路就是:在触发(invoke)真实角色的方法之前或者之后做一些额外的业务。那么,为了构造出具有通用性和简单性的代理类,可以将所有的触发真实角色动作交给一个触发的管理器,让这个管理器统一地管理触发。这种管理器就是Invocation Handler。

动态代理模式的结构跟上面的静态代理模式稍微有所不同,多引入了一个InvocationHandler角色。

先解释一下InvocationHandler的作用:

在静态代理中,代理Proxy中的方法,都指定了调用了特定的realSubject中的对应的方法:

在上面的静态代理模式下,Proxy所做的事情,无非是调用在不同的request时,调用触发realSubject对应的方法;更抽象点看,Proxy所作的事情;在Java中 方法(Method)也是作为一个对象来看待了,

动态代理工作的基本模式就是将自己的方法功能的实现交给 InvocationHandler角色,外界对Proxy角色中的每一个方法的调用,Proxy角色都会交给InvocationHandler来处理,而InvocationHandler则调用具体对象角色的方法。如下图所示:

Java动态代理机制详解【面试+工作】_字节码_24


在这种模式之中:代理Proxy 和RealSubject 应该实现相同的功能,这一点相当重要。(我这里说的功能,可以理解为某个类的public方法)

在面向对象的编程之中,如果我们想要约定Proxy 和RealSubject可以实现相同的功能,有两种方式:


   ​ ​a.一个比较直观的方式,就是定义一个功能接口,然后让Proxy 和RealSubject来实现这个接口。

   ​ b.还有比较隐晦的方式,就是通过继承。​因为如果Proxy 继承自RealSubject,这样Proxy则拥有了RealSubject的功能,Proxy还可以通过重写RealSubject中的方法,来实现多态。


其中JDK中提供的创建动态代理的机制,是以a 这种思路设计的,而cglib 则是以b思路设计的。

JDK的动态代理创建机制----通过接口



   比如现在想为RealSubject这个类创建一个动态代理对象,JDK主要会做以下工作:

Java动态代理机制详解【面试+工作】_动态代理_25

而对于InvocationHandler,我们需要实现下列的invoke方法:

在调用代理对象中的每一个方法时,在代码内部,都是直接调用了InvocationHandler 的invoke方法,而invoke方法根据代理类传递给自己的method参数来区分是什么方法。

Java动态代理机制详解【面试+工作】_java_26

讲的有点抽象,下面通过一个实例来演示一下吧:


JDK动态代理示例

现在定义两个接口Vehicle和Rechargable,Vehicle表示交通工具类,有drive()方法;Rechargable接口表示可充电的(工具),有recharge() 方法;

定义一个实现两个接口的类ElectricCar,类图如下:

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通过下面的代码片段,来为ElectricCar创建动态代理类:

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来看一下代码执行后的结果:

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生成动态代理类的字节码并且保存到硬盘中:  

JDK提供了​sun.misc.ProxyGenerator.generateProxyClass(String proxyName,class[] interfaces)​ 底层方法来产生动态代理类的字节码:

下面定义了一个工具类,用来将生成的动态代理类保存到硬盘中:

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现在我们想将生成的代理类起名为“ElectricCarProxy”,并保存在硬盘,应该使用以下语句:

Java动态代理机制详解【面试+工作】_java_35

这样将在ElectricCar.class 同级目录下产生 ElectricCarProxy.class文件。用反编译工具如jd-gui.exe 打开,将会看到以下信息:

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Java动态代理机制详解【面试+工作】_java_37

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仔细观察可以看出生成的动态代理类有以下特点:

1.继承自 java.lang.reflect.Proxy,实现了 Rechargable,Vehicle 这两个ElectricCar实现的接口;

2.类中的所有方法都是final 的;

3.所有的方法功能的实现都统一调用了InvocationHandler的invoke()方法。

Java动态代理机制详解【面试+工作】_字节码_40

cglib 生成动态代理类的机制----通过类继承:


       JDK中提供的生成动态代理类的机制有个鲜明的特点是: 某个类必须有实现的接口,而生成的代理类也只能代理某个类接口定义的方法,比如:如果上面例子的ElectricCar实现了继承自两个接口的方法外,另外实现了方法bee() ,则在产生的动态代理类中不会有这个方法了!更极端的情况是:如果某个类没有实现接口,那么这个类就不能同JDK产生动态代理了!

      幸好我们有cglib。“CGLIB(Code Generation Library),是一个强大的,高性能,高质量的Code生成类库,它可以在运行期扩展Java类与实现Java接口。”

cglib 创建某个类A的动态代理类的模式是:

Java动态代理机制详解【面试+工作】_java_41

Java动态代理机制详解【面试+工作】_动态代理_42

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程序执行结果:

Java动态代理机制详解【面试+工作】_字节码_44

让我们看看通过cglib生成的class文件内容:

Java动态代理机制详解【面试+工作】_动态代理_45


Java动态代理机制详解【面试+工作】_字节码_46

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