java进阶系列-CLassLoader详解
java进阶系列-反射详解
java进阶系列-动态代理

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：

1. 简单介绍代理模式
2. 比较静态代理与动态代理
3. JDK动态代理
4. 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

//
// 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