透过字节码研究动态代理

深藏阁楼爱情的钟 2021-09-30 02:04 321阅读 0赞

>        看过关于不少关于动态代理的博客，但是大多数的博客都是那种教你怎么使用而已，对于我个人来说，始终是不能够理解其具体实现如何？其方法参数的作用是如何？相信你通过本篇博客一定可以有更加深入的理解，而不是仅仅局限于使用。

在深入理解原理之前，我们需要先了解一下动态代理应该怎么使用。示例代码如下所示：

public interface Subject { 
        public void doSomething();
    }
    
    // RealSubject 为目标类
    public class RealSubject implements Subject { 
        @Override
        public void doSomething() { 
            System.out.println("doSomething ...");
        }
    }
    
    // DynamicSubject 代理类，我们需要通过代理类增强目标类的方法，如事务、日志
    public class DynamicSubject implements InvocationHandler { 
    
        // 要代理的真实对象（即目标类）
        private Object sub;
    
        public DynamicSubject(Object obj){ 
            this.sub = obj;
        }
    
    
        @Override
        public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable { 
            System.out.println("代理类开始代理");
    
            System.out.println("代理的方法为：" + method);
    
            // 对于真正方法的调用
            method.invoke(this.sub,args);
    
            System.out.println("代理类结束代理");
            return null;
        }
    }
    
    public class Client { 
    
        public static void main(String[] args) { 
    	
    	// 要代理的真实对象
            Subject realSubject = new RealSubject();
            InvocationHandler ds = new DynamicSubject(realSubject);
            Class<?> cls = realSubject.getClass();
    
    	// 生成的代理对象
            Subject subject = (Subject) Proxy.newProxyInstance(cls.getClassLoader(),cls.getInterfaces(),ds);
    
            subject.doSomething();
            
            System.out.println(subject.getClass());
     
    }

代理类开始代理
    代理的方法为：public abstract void com.wangzhao.jvm.bytecode.proxy.Subject.doSomething()
    doSomething ...
    代理类结束代理
    class com.sun.proxy.$Proxy0

以上便是我们对动态代理进行的示例以及其输出，可以看到subject对象并不是我们创建的类，而且其和目标类和代理类并没有直接关系。首先我们先分析一下我在学习动态代理的过程中的一些疑惑？

1.  代理类为什么要实现 InvocationHandler 接口？
2.  subject对象生成时，为什么要传入那些参数？
3.  subject对象调用doSomething()方法时，是怎么找到代理类的invoke()方法?
4.  invoke(Object proxy, Method method, Object\[\] args)方法的参数是怎么被传入的？

要想解答上述问题，我们只有深入源码，源码面前一切皆透明。

public static Object newProxyInstance(ClassLoader loader,
                                          Class<?>[] interfaces,
                                          InvocationHandler h)
        throws IllegalArgumentException
    { 	
        // 检查传入的InvocationHandler对象（即ds）是否为null，即代理类对象
        Objects.requireNonNull(h);
    
        final Class<?>[] intfs = interfaces.clone();
        // 获取安全权限相关的对象实例
        final SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
        if (sm != null) { 
        	// 进行安全权限检查
            checkProxyAccess(Reflection.getCallerClass(), loader, intfs);
        }
    
        /* * 查找或生成指定的动态代理类 */
        Class<?> cl = getProxyClass0(loader, intfs);
    
        /* * 获取生成的动态代理类的构造方法并且调用 */
        try { 
            if (sm != null) { 
                // 权限检查
                checkNewProxyPermission(Reflection.getCallerClass(), cl);
            }
    	
    	// private static final Class<?>[] constructorParams = { InvocationHandler.class };
    	// 通过反射获取生成的动态代理类的构造器，注意构造器的参数类型是InvocationHandler对象
            final Constructor<?> cons = cl.getConstructor(constructorParams);
            final InvocationHandler ih = h;
            if (!Modifier.isPublic(cl.getModifiers())) { 
                AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() { 
                    public Void run() { 
                        // 当构造器为私有时，防止不能创建对象
                        cons.setAccessible(true);
                        return null;
                    }
                });
            }
            // 将代理类对象（即ds）传入并且返回动态代理对象
            return cons.newInstance(new Object[]{ h});
        } catch (IllegalAccessException|InstantiationException e) { 
            throw new InternalError(e.toString(), e);
        } catch (InvocationTargetException e) { 
            Throwable t = e.getCause();
            if (t instanceof RuntimeException) { 
                throw (RuntimeException) t;
            } else { 
                throw new InternalError(t.toString(), t);
            }
        } catch (NoSuchMethodException e) { 
            throw new InternalError(e.toString(), e);
        }
    }

通过上面的分析可以看到newProxyInstance()方法主要完成这散布操作：

1.  调用getProxyClass0()方法创建动态代理类的class文件
2.  获取动态代理类参数类型为InvocationHandler的构造器
3.  给构造传入代理类对象并返回动态代理实例

接下类来们分析一下虚拟机是如何在运行期间创建动态代理类的class文件？

private static Class<?> getProxyClass0(ClassLoader loader,
                                           Class<?>... interfaces) { 
        if (interfaces.length > 65535) { 
            throw new IllegalArgumentException("interface limit exceeded");
        }
        
        // 如果给定的加载器加载的代理类已经实现了给定的接口，则从缓存中返回动态代理class对象
        // 否则使用 ProxyClassFactory 创建代理类
        return proxyClassCache.get(loader, interfaces);
    }

private static final class ProxyClassFactory
        implements BiFunction<ClassLoader, Class<?>[], Class<?>>
    { 
        // 生成代理类类名的前缀为 $Proxy
        private static final String proxyClassNamePrefix = "$Proxy";
    
        // 生成唯一代理类名称的下一个数字
        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) { 
                Class<?> interfaceClass = null;
                try { 
                	// 使用给定的类加载器加载给定的接口
                    interfaceClass = Class.forName(intf.getName(), false, loader);
                } catch (ClassNotFoundException e) { 
                }
                if (interfaceClass != intf) { 
                    throw new IllegalArgumentException(
                        intf + " is not visible from class loader");
                }
                 if (!interfaceClass.isInterface()) { 
                    throw new IllegalArgumentException(
                        interfaceClass.getName() + " is not an interface");
                }
                if (interfaceSet.put(interfaceClass, Boolean.TRUE) != null) { 
                    throw new IllegalArgumentException(
                        "repeated interface: " + interfaceClass.getName());
                }
            }
    	
    	// 为开始生成class对象做一些准备工作
            String proxyPkg = null;     // 用于定义代理类的包
            int accessFlags = Modifier.PUBLIC | Modifier.FINAL;
    
            for (Class<?> intf : interfaces) { 
                int flags = intf.getModifiers();
                if (!Modifier.isPublic(flags)) { 
                    accessFlags = Modifier.FINAL;
                    String name = intf.getName();
                    int n = name.lastIndexOf('.');
                    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");
                    }
                }
            }
    
            if (proxyPkg == null) { 
                // if no non-public proxy interfaces, use com.sun.proxy package
                proxyPkg = ReflectUtil.PROXY_PACKAGE + ".";
            }
    
            /* * 选择要生成的代理类的名称 */
            long num = nextUniqueNumber.getAndIncrement();
            String proxyName = proxyPkg + proxyClassNamePrefix + num;
    
            /* * 生成指定的代理类 */
            byte[] proxyClassFile = ProxyGenerator.generateProxyClass(
                proxyName, interfaces, accessFlags);
            try { 
                return defineClass0(loader, proxyName,
                                    proxyClassFile, 0, proxyClassFile.length);
            } catch (ClassFormatError e) { 
                      throw new IllegalArgumentException(e.toString());
            }
        }
    }

获取要生成的代理类的class文件的字节流  
              byte\[\] proxyClassFile = ProxyGenerator.generateProxyClass(proxyName, interfaces, accessFlags)

根据字节流调用C++或C创建class对象  
              defineClass0(loader, proxyName, proxyClassFile, 0, proxyClassFile.length);

获取字节流的实现如下所示：

// var0 要生成代理类的全限定类名
    // var1 目标类实现的接口
    // var2 生成代理类的权限
    public static byte[] generateProxyClass(final String var0, Class<?>[] var1, int var2) { 
        ProxyGenerator var3 = new ProxyGenerator(var0, var1, var2);
        final byte[] var4 = var3.generateClassFile();  
        
        // private static final boolean saveGeneratedFiles = (Boolean)AccessController.doPrivileged(new GetBooleanAction("sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles"));
        // 是否保存生成的class文件
        if (saveGeneratedFiles) { 
            AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() { 
                public Void run() { 
                    try { 
                        int var1 = var0.lastIndexOf(46);
                        Path var2;
                        if (var1 > 0) { 
                            Path var3 = Paths.get(var0.substring(0, var1).replace('.', File.separatorChar));
                            Files.createDirectories(var3);
                            var2 = var3.resolve(var0.substring(var1 + 1, var0.length()) + ".class");
                        } else { 
                            var2 = Paths.get(var0 + ".class");
                        }
    
                        Files.write(var2, var4, new OpenOption[0]);
                        return null;
                    } catch (IOException var4x) { 
                        throw new InternalError("I/O exception saving generated file: " + var4x);
                    }
                }
            });
        }
    
        return var4;
    }

private byte[] generateClassFile() { 
        this.addProxyMethod(hashCodeMethod, Object.class);
        this.addProxyMethod(equalsMethod, Object.class);
        this.addProxyMethod(toStringMethod, Object.class);
        Class[] var1 = this.interfaces;
        int var2 = var1.length;
    
        int var3;
        Class var4;
        for(var3 = 0; var3 < var2; ++var3) { 
            var4 = var1[var3];
            Method[] var5 = var4.getMethods();
            int var6 = var5.length;
    
            for(int var7 = 0; var7 < var6; ++var7) { 
                Method var8 = var5[var7];
                this.addProxyMethod(var8, var4);
            }
        }
    
        Iterator var11 = this.proxyMethods.values().iterator();
    
        List var12;
        while(var11.hasNext()) { 
            var12 = (List)var11.next();
            checkReturnTypes(var12);
        }
    
        Iterator var15;
        try { 
            this.methods.add(this.generateConstructor());
            var11 = this.proxyMethods.values().iterator();
    
            while(var11.hasNext()) { 
                var12 = (List)var11.next();
                var15 = var12.iterator();
    
                while(var15.hasNext()) { 
                    ProxyGenerator.ProxyMethod var16 = (ProxyGenerator.ProxyMethod)var15.next();
                    this.fields.add(new ProxyGenerator.FieldInfo(var16.methodFieldName, "Ljava/lang/reflect/Method;", 10));
                    this.methods.add(var16.generateMethod());
                }
            }
    
            this.methods.add(this.generateStaticInitializer());
        } catch (IOException var10) { 
            throw new InternalError("unexpected I/O Exception", var10);
        }

generateClassFile()生成动态代理类的字节流

通过动态代理类的生成过程分析，我们能够回答上面的一些问题。但是对于其他问题，我们依然只有观察生成的class文件才能回答。

在generateProxyClass()方法中，我们通过判断sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles属性是否为true，可以决定我们是否保留class文件。所以，我们将其改为true，在刚才的main方法下的第一行，添加如下代码：

System.getProperties().put("sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles","true");

![在这里插入图片描述][20190721224111402.png]  
       这是生成的代理类对象，代码如下：

public final class $Proxy0 extends Proxy implements Subject { 
        private static Method m1;
        private static Method m3;
        private static Method m2;
        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 void doSomething() throws  { 
            try { 
                super.h.invoke(this, m3, (Object[])null);
            } catch (RuntimeException | Error var2) { 
                throw var2;
            } catch (Throwable var3) { 
                throw new UndeclaredThrowableException(var3);
            }
        }
    
        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 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"));
                m3 = Class.forName("com.wangzhao.jvm.bytecode.proxy.Subject").getMethod("doSomething");
                m2 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("toString");
                m0 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("hashCode");
            } catch (NoSuchMethodException var2) { 
                throw new NoSuchMethodError(var2.getMessage());
            } catch (ClassNotFoundException var3) { 
                throw new NoClassDefFoundError(var3.getMessage());
            }
        }
    }

可以看到生成的代理类的class文件中存在参数类型为InvocationHandler的构造方法，以及一个静态代码块，而静态代码块是通过反射获取的method对象，并且当调用生成的代理类的内的方法时，最后都转向了调用其父类成员变量h的invoke()方法，而h便是我们传入的代理类对象ds。所以这便是我们为什么要传入那些参数，调用生成的代理类对象的doSomething()时，是如何找到的代理类的invoke()方法，以及invoke()的参数是如何被传入的答案。

需要注意的是，对于Object的hashCode()、equals()以及toString()方法，最终都会回调代理类的invoke()方法。

这便是JDK动态代理的实现原理，而CGLIB的实现，则是通过继承，重写相关方法实现动态代理。

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