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理解JDK动态代理为什么必须要基于接口

Java开发
2023-06-10

这篇文章主要介绍了理解JDK动态代理为什么必须要基于接口，具有很好的参考价值，希望对大家有所帮助。如有错误或未考虑完全的地方，望不吝赐教

1. 前言

JDK 动态代理的应用还是非常广泛的，例如在 Spring、MyBatis 以及 Feign 等很多框架中动态代理都被大量的使用，可以说学好 JDK 动态代理，对于我们阅读这些框架的底层源码还是很有帮助的

2. 一个简单的例子

在分析原因之前，我们先完整的看一下实现 JDK 动态代理需要几个步骤，首先需要定义一个接口

2.1. 定义接口

public interface Worker {
    void work();
}

2.2. 接口实现类

public class Programmer implements Worker {
    @Override
    public void work() {
        System.out.println("coding...");
    }
}

2.3. 自定义 Handler

自定义一个 Handler，实现 InvocationHandler 接口，通过重写内部的 invoke() 方法实现逻辑增强

public class WorkHandler implements InvocationHandler {
    private final Object target;
    public WorkHandler(Object target) {
        this.target = target;
    }
    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        if (method.getName().equals("work")) {
            System.out.println("before work...");
            Object result = method.invoke(target, args);
            System.out.println("after work...");
            return result;
        }
        return method.invoke(target, args);
    }
}

2.4. 测试

在 main() 方法中进行测试，使用 Proxy 类的静态方法 newProxyInstance() 生成一个代理对象并调用方法

public class MainTest {
    public static void main(String[] args) {
        Programmer programmer = new Programmer();
        Worker worker = (Worker) Proxy.newProxyInstance(
                programmer.getClass().getClassLoader(),
                programmer.getClass().getInterfaces(),
                new WorkHandler(programmer));
        worker.work();
    }
}

2.5. 输出结果

before work...
coding...
after work...

3. 源码分析

既然是一个代理的过程，那么肯定存在原生对象和代理对象之分，下面我们查看源码中是如何动态的创建代理对象的过程。

上面例子中，创建代理对象调用的是 Proxy 类的静态方法 newProxyInstance()，查看一下源码

3.1. newProxyInstance() 方法

public class Proxy implements java.io.Serializable {
	protected InvocationHandler h;
	// 有参构造器，参数是 InvocationHandler 
	protected Proxy(InvocationHandler h) {
        Objects.requireNonNull(h);
        this.h = h;
    }
	@CallerSensitive
	public static Object newProxyInstance(ClassLoader loader,
                                          Class<?>[] interfaces,
                                          InvocationHandler h)
		throws IllegalArgumentException {
	
		// 如果h为空直接抛出空指针异常，之后所有的单纯的判断null并抛异常，都是此方法
		Objects.requireNonNull(h);
		// 拷贝类实现的所有接口
    	final Class<?>[] intfs = interfaces.clone();
		// 获取当前系统安全接口
    	final SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
    	if (sm != null) {
			// Reflection.getCallerClass 返回调用该方法的方法的调用类;loader：接口的类加载器
			// 进行包访问权限、类加载器权限等检查
			checkProxyAccess(Reflection.getCallerClass(), loader, intfs);
		}
 
		// 查找或生成指定的代理类
		Class<?> cl = getProxyClass0(loader, intfs);
 
		// 用指定的调用处理程序调用它的构造函数
		try {
			if (sm != null) {
				checkNewProxyPermission(Reflection.getCallerClass(), cl);
        	}
	   		// 获取代理类的构造函数对象
	    	// constructorParams是类常量，作为代理类构造函数的参数类型，常量定义如下:
	    	// private static final Class<?>[] constructorParams = { InvocationHandler.class };
			final Constructor<?> cons = cl.getConstructor(constructorParams);
			final InvocationHandler ih = h;
			if (!Modifier.isPublic(cl.getModifiers())) {
				AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
            		public Void run() {
                		cons.setAccessible(true);
                        return null;
                	}
            });
		}
			// 根据代理类的构造函数对象来创建需要返回的代理类对象
			return cons.newInstance(new Object[]{h});
		} // 省略 catch......
	}
}
  • 在 checkProxyAccess() 方法中，进行参数验证
  • 在 getProxyClass0() 方法中，生成一个代理类 Class 或寻找已生成过的代理类的缓存
  • 通过 getConstructor() 方法获取生成的代理类的构造方法
  • 通过 newInstance() 方法，生成最终的代理对象

上面这个过程中，获取构造方法和生成代理对象都是利用的 Java 中的反射机制，而需要重点看的是生成代理类的方法 getProxyClass0()

3.1.1. getProxyClass0() 方法

private static Class<?> getProxyClass0(ClassLoader loader,
                                           Class<?>... interfaces) {
                                           
	// 接口数不得超过 65535 个，这么大，足够使用的了
	if (interfaces.length > 65535) {
		throw new IllegalArgumentException("interface limit exceeded");
	}
	// 如果缓存中有代理类了直接返回，否则将由代理类工厂ProxyClassFactory创建代理类
	return proxyClassCache.get(loader, interfaces);
}

如果缓存中已经存在了就直接从缓存中取，这里的 proxyClassCache 是一个 WeakCache 类型，如果缓存中目标 classLoader 和接口数组对应的类已经存在，那么返回缓存的副本。如果没有就使用 ProxyClassFactory 去生成 Class 对象

3.1.1.1. get() 方法

// key：类加载器；parameter：接口数组
public V get(K key, P parameter) {
	// 检查指定类型的对象引用不为空null。当参数为null时，抛出空指针异常
	Objects.requireNonNull(parameter);
	// 清除已经被 GC 回收的弱引用
	expungeStaleEntries();
	// 将ClassLoader包装成CacheKey, 作为一级缓存的key
	Object cacheKey = CacheKey.valueOf(key, refQueue);
 
	// 获取得到二级缓存
    ConcurrentMap<Object, Supplier<V>> valuesMap = map.get(cacheKey);
	// 没有获取到对应的值
	if (valuesMap == null) {
		ConcurrentMap<Object, Supplier<V>> oldValuesMap
                = map.putIfAbsent(cacheKey,
                                  valuesMap = new ConcurrentHashMap<>());
		if (oldValuesMap != null) {
                valuesMap = oldValuesMap;
        }
	}
 
	// 根据代理类实现的接口数组来生成二级缓存key
	Object subKey = Objects.requireNonNull(subKeyFactory.apply(key, parameter));
	// 通过subKey获取二级缓存值
	Supplier<V> supplier = valuesMap.get(subKey);
	Factory factory = null;
	// 这个循环提供了轮询机制, 如果条件为假就继续重试直到条件为真为止
	while (true) {
		if (supplier != null) {
			// 在这里supplier可能是一个Factory也可能会是一个CacheValue
			// 在这里不作判断, 而是在Supplier实现类的get方法里面进行验证
            V value = supplier.get();
            if (value != null) {
            	return value;
            }
        }
		if (factory == null) {
            factory = new Factory(key, parameter, subKey, valuesMap);
        }
		if (supplier == null) {
			// 到这里表明subKey没有对应的值, 就将factory作为subKey的值放入
        	supplier = valuesMap.putIfAbsent(subKey, factory);
           	if (supplier == null) {
                supplier = factory;
           	}
			// 否则, 可能期间有其他线程修改了值, 那么就不再继续给subKey赋值, 而是取出来直接用
            } else {
			// 期间可能其他线程修改了值, 那么就将原先的值替换
            if (valuesMap.replace(subKey, supplier, factory)) {
                supplier = factory;
			} else {
                supplier = valuesMap.get(subKey);
            }
		}
	}
}

很明显，重点关注下面代码

Object subKey = Objects.requireNonNull(subKeyFactory.apply(key, parameter));

3.1.1.1.1. apply() 方法

private static final class ProxyClassFactory
        implements BiFunction<ClassLoader, Class<?>[], Class<?>> {
    
	// 代理类的前缀名都以 $Proxy 开始
	private static final String proxyClassNamePrefix = "$Proxy";
 
	// 使用唯一的编号给作为代理类名的一部分，如 $Proxy0,$Proxy1 等
	private static final AtomicLong nextUniqueNumber = new AtomicLong();
 
	@Override
	public Class<?> apply(ClassLoader loader, Class<?>[] interfaces) {
 
   		Map<Class<?>, Boolean> interfaceSet = new IdentityHashMap<>(interfaces.length);
        for (Class<?> intf : interfaces) {
                
        	// 验证指定的类加载器(loader)加载接口所得到的Class对象(interfaceClass)是否与intf对象相同
			Class<?> interfaceClass = null;
            try {
				interfaceClass = Class.forName(intf.getName(), false, loader);
			} catch (ClassNotFoundException e) {
			}
			if (interfaceClass != intf) {
				throw new IllegalArgumentException(
                	intf + " is not visible from class loader");
			}
                
            // 验证该Class对象是不是接口
            if (!interfaceClass.isInterface()) {
				throw new IllegalArgumentException(
                	interfaceClass.getName() + " is not an interface");
			}
                
            // 验证该接口是否重复
            if (interfaceSet.put(interfaceClass, Boolean.TRUE) != null) {
            	throw new IllegalArgumentException(
                	"repeated interface: " + interfaceClass.getName());
            }
		}
	    // 声明代理类所在包
        String proxyPkg = null;    
        int accessFlags = Modifier.PUBLIC | Modifier.FINAL;
 
        // 验证所有非公共的接口在同一个包内；公共的就无需处理
        for (Class<?> intf : interfaces) {
        	int flags = intf.getModifiers();
            if (!Modifier.isPublic(flags)) {
            	accessFlags = Modifier.FINAL;
                String name = intf.getName();
                int n = name.lastIndexOf('.');
				// 截取完整包名
                String pkg = ((n == -1) ? "" : name.substring(0, n + 1));
                if (proxyPkg == null) {
                	proxyPkg = pkg;
                } else if (!pkg.equals(proxyPkg)) {
                	throw new IllegalArgumentException(
                    	"non-public interfaces from different packages");
                }
        	}
		}
 		// 1.根据规则生成文件名
		if (proxyPkg == null) {
			/*如果都是public接口，那么生成的代理类就在com.sun.proxy包下如果报		java.io.FileNotFoundException: com\sun\proxy\$Proxy0.class 
			(系统找不到指定的路径。)的错误，就先在你项目中创建com.sun.proxy路径*/
        	proxyPkg = ReflectUtil.PROXY_PACKAGE + ".";
		}
        long num = nextUniqueNumber.getAndIncrement();
	    // 代理类的完全限定类名，如 com.sun.proxy.$Proxy0.calss
        String proxyName = proxyPkg + proxyClassNamePrefix + num;
 
        // 2.生成代理的字节码数组
        byte[] proxyClassFile = ProxyGenerator.generateProxyClass(
                proxyName, interfaces, accessFlags);
        // 3.生成 Class 
        try {
        	return defineClass0(loader, proxyName,
                                    proxyClassFile, 0, proxyClassFile.length);
        } catch (ClassFormatError e) {
            throw new IllegalArgumentException(e.toString());
        }
	}
}

在 apply() 方法中，主要做了下面 3 件事

  • 根据规则生成文件名
  • 利用 ProxyGenerator.generateProxyClass() 方法生成代理的字节码数组
  • 调用方法 defineClass0() 生成 Class

3.1.2. getConstructor() 和 newInstance() 方法

返回代理类的 Class 后的流程，获取构造方法和生成代理对象都是利用的 Java 中的反射机制

4. 代理对象长啥样

4.1. 代理对象长啥样

创建代理对象流程的源码分析完了，我们可以先通过 debug 来看看上面生成的这个代理对象究竟是个什么

和源码中看到的规则一样，是一个 Class 为 $Proxy0 的对象。再看一下代理对象的 Class 的详细信息

类的全限定类名是 com.sun.proxy.$Proxy0，在上面我们提到过，这个类是在运行过程中动态生成的

4.2. $Proxy0 反编译

看一下反编译后 $Proxy0.java 文件的内容，下面的代码中，我只保留了核心部分，省略了无关紧要的 equals()、toString()、hashCode() 方法的定义

public final class $Proxy0 extends Proxy implements Worker{
    public $Proxy0(InvocationHandler invocationhandler){
        super(invocationhandler);
    }
    public final void work(){
        try{
            super.h.invoke(this, m3, null);
            return;
        }catch(Error _ex) { }
        catch(Throwable throwable){
            throw new UndeclaredThrowableException(throwable);
        }
    }
    private static Method m3;
    static {
        try{           
            m3 = Class.forName("com.hydra.test.Worker").getMethod("work", new Class[0]);   
            //省略其他Method
        }//省略catch
    }
}

这个临时生成的代理类 $Proxy0 中主要做了下面的几件事

  • 在这个类的静态代码块中，通过 反射机制 初始化了多个静态方法 Method 变量，除了接口中的方法还有 equals()、toString()、hashCode() 这三个方法
  • 代理类 $Proxy0 继承了父类 Proxy，在其实例化的过程中会调用父类的构造器，而父类 Proxy 中的构造器中传入的 InvocationHandler 对象实际上是我们自定义的 WorkHandler 的实例。此时就可以调用 WorkHandler 的 invoke() 方法了
  • 同时，代理类 $Proxy0 也实现了自定义的接口 Worker，并重写了 work() 方法，在 work()方法内又调用了 InvocationHandler 的 invoke() 方法，也就是实际上调用了 WorkHandler 的 invoke() 方法

到这里，整体的流程就分析完了，我们可以用一张图来简要总结上面的过程

5. JDK 动态代理为什么要有接口

其实如果不看上面的分析，我们也应该知道，要扩展一个类有常见的两种方式，继承父类或实现接口。这两种方式都允许我们对方法的逻辑进行增强，但现在不是由我们自己来重写方法，而是要想办法让 JVM 去调用 InvocationHandler 中的 invoke() 方法，也就是说代理类需要和两个东西关联在一起

  • 被代理类
  • InvocationHandler

而 JDK 动态代理处理这个问题的方式是选择继承父类 Proxy，并把 InvocationHandler 保存在父类的对象中

public class Proxy implements java.io.Serializable {
    protected InvocationHandler h;
    
    protected Proxy(InvocationHandler h) {
        Objects.requireNonNull(h);
        this.h = h;
    }
    
    // ......
}

通过父类 Proxy 的构造方法，保存了创建代理对象过程中传进来的 InvocationHandler 的实例，使用 protected 修饰保证了它可以在子类中被访问和使用。

但是同时，因为 Java 是单继承的，因此在代理类 $Proxy0 继承了 Proxy 后，其只能通过实现目标接口的方式来实现方法的扩展，达到我们增强目标方法逻辑的目的

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持编程学习网。

本文标题为：理解JDK动态代理为什么必须要基于接口

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