(转)细说JDK动态代理的实现原理

原文：http://blog.csdn.net/mhmyqn/article/details/48474815

关于JDK的动态代理，最为人熟知的可能要数Spring AOP的实现，默认情况下，Spring AOP的实现对于接口来说就是使用的JDK的动态代理来实现的，而对于类的代理使用CGLIB来实现。那么，什么是JDK的动态代理呢？

JDK的动态代理，就是在程序运行的过程中，根据被代理的接口来动态生成代理类的class文件，并加载运行的过程。JDK从1.3开始支持动态代理。那么JDK是如何生成动态代理的呢？JDK动态代理为什么不支持类的代理，只支持接口的代理？

首先来看一下如何使用JDK动态代理。JDK提供了java.lang.reflect.Proxy类来实现动态代理的，可通过它的newProxyInstance来获得代理实现类。同时对于代理的接口的实际处理，是一个java.lang.reflect.InvocationHandler，它提供了一个invoke方法供实现者提供相应的代理逻辑的实现。可以对实际的实现进行一些特殊的处理，像Spring AOP中的各种advice。下面来看看如何使用。

被代理的接口

package com.mikan.proxy;  

/**
 * @author Mikan
 * @date 2015-09-15 18:00
 */
public interface HelloWorld {  

    void sayHello(String name);  

}

　　接口的实现类：

1. package com.mikan.proxy;
2. /**
3. * @author Mikan
4. * @date 2015-09-15 18:01
5. */
6. public class HelloWorldImpl implements HelloWorld {
7. @Override
8. public void sayHello(String name) {
9. System.out.println("Hello " + name);
10. }
11. }

实现一个java.lang.reflect.InvocationHandler：

1. package com.mikan.proxy;
2. import java.lang.reflect.InvocationHandler;
3. import java.lang.reflect.Method;
4. /**
5. * @author Mikan
6. * @date 2015-09-15 19:53
7. */
8. public class CustomInvocationHandler implements InvocationHandler {
9. private Object target;
10. public CustomInvocationHandler(Object target) {
11. this.target = target;
12. }
13. @Override
14. public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
15. System.out.println("Before invocation");
16. Object retVal = method.invoke(target, args);
17. System.out.println("After invocation");
18. return retVal;
19. }
20. }

使用代理：

1. package com.mikan.proxy;
2. import java.lang.reflect.Proxy;
3. /**
4. * @author Mikan
5. * @date 2015-09-15 18:01
6. */
7. public class ProxyTest {
8. public static void main(String[] args) throws Exception {
9. System.getProperties().put("sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles", "true");
10. CustomInvocationHandler handler = new CustomInvocationHandler(new HelloWorldImpl());
11. HelloWorld proxy = (HelloWorld) Proxy.newProxyInstance(
12. ProxyTest.class.getClassLoader(),
13. new Class[]{HelloWorld.class},
14. handler);
15. proxy.sayHello("Mikan");
16. }
17. }

运行的输出结果：

1. localhost:classes mikan$ java com/mikan/proxy/ProxyTest
2. Before invocation
3. Hello Mikan
4. After invocation

从上面可以看出，JDK的动态代理使用起来非常简单，但是只知道如何使用是不够的，知其然，还需知其所以然。所以要想搞清楚它的实现，那么得从源码入手。这里的源码是1.7.0_79。首先来看看它是如何生成代理类的：

1. public static Object newProxyInstance(ClassLoader loader,
2. Class<?>[] interfaces,
3. InvocationHandler h)
4. throws IllegalArgumentException {
5. if (h == null) {
6. throw new NullPointerException();
7. }
8. final Class<?>[] intfs = interfaces.clone();
9. final SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
10. if (sm != null) {
11. checkProxyAccess(Reflection.getCallerClass(), loader, intfs);
12. }
13. // 这里是生成class的地方
14. Class<?> cl = getProxyClass0(loader, intfs);
15. // 使用我们实现的InvocationHandler作为参数调用构造方法来获得代理类的实例
16. try {
17. final Constructor<?> cons = cl.getConstructor(constructorParams);
18. final InvocationHandler ih = h;
19. if (sm != null && ProxyAccessHelper.needsNewInstanceCheck(cl)) {
20. return AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Object>() {
21. public Object run() {
22. return newInstance(cons, ih);
23. }
24. });
25. } else {
26. return newInstance(cons, ih);
27. }
28. } catch (NoSuchMethodException e) {
29. throw new InternalError(e.toString());
30. }
31. }

其中newInstance只是调用Constructor.newInstance来构造相应的代理类实例，这里重点是看getProxyClass0这个方法的实现：

1. private static Class<?> getProxyClass0(ClassLoader loader,
2. Class<?>... interfaces) {
3. // 代理的接口数量不能超过65535（没有这种变态吧）
4. if (interfaces.length > 65535) {
5. throw new IllegalArgumentException("interface limit exceeded");
6. }
7. // JDK对代理进行了缓存，如果已经存在相应的代理类，则直接返回，否则才会通过ProxyClassFactory来创建代理
8. return proxyClassCache.get(loader, interfaces);
9. }

其中代理缓存是使用WeakCache实现的，如下

1. private static final WeakCache<ClassLoader, Class<?>[], Class<?>>
2. proxyClassCache = new WeakCache<>(new KeyFactory(), new ProxyClassFactory());

具体的缓存逻辑这里暂不关心，只需要关心ProxyClassFactory是如何生成代理类的，ProxyClassFactory是Proxy的一个静态内部类，实现了WeakCache的内部接口BiFunction的apply方法：

1. private static final class ProxyClassFactory
2. implements BiFunction<ClassLoader, Class<?>[], Class<?>> {
3. // 所有代理类名字的前缀
4. private static final String proxyClassNamePrefix = "$Proxy";
5. // 用于生成代理类名字的计数器
6. private static final AtomicLong nextUniqueNumber = new AtomicLong();
7. @Override
8. public Class<?> apply(ClassLoader loader, Class<?>[] interfaces) {
9. // 省略验证代理接口的代码……
10. String proxyPkg = null;     // 生成的代理类的包名
11. // 对于非公共接口，代理类的包名与接口的相同
12. for (Class<?> intf : interfaces) {
13. int flags = intf.getModifiers();
14. if (!Modifier.isPublic(flags)) {
15. String name = intf.getName();
16. int n = name.lastIndexOf('.');
17. String pkg = ((n == -1) ? "" : name.substring(0, n + 1));
18. if (proxyPkg == null) {
19. proxyPkg = pkg;
20. } else if (!pkg.equals(proxyPkg)) {
21. throw new IllegalArgumentException(
22. "non-public interfaces from different packages");
23. }
24. }
25. }
26. // 对于公共接口的包名，默认为com.sun.proxy
27. if (proxyPkg == null) {
28. proxyPkg = ReflectUtil.PROXY_PACKAGE + ".";
29. }
30. // 获取计数
31. long num = nextUniqueNumber.getAndIncrement();
32. // 默认情况下，代理类的完全限定名为：com.sun.proxy.$Proxy0，com.sun.proxy.$Proxy1……依次递增
33. String proxyName = proxyPkg + proxyClassNamePrefix + num;
34. // 这里才是真正的生成代理类的字节码的地方
35. byte[] proxyClassFile = ProxyGenerator.generateProxyClass(
36. proxyName, interfaces);
37. try {
38. // 根据二进制字节码返回相应的Class实例
39. return defineClass0(loader, proxyName,
40. proxyClassFile, 0, proxyClassFile.length);
41. } catch (ClassFormatError e) {
42. throw new IllegalArgumentException(e.toString());
43. }
44. }
45. }

ProxyGenerator是sun.misc包中的类，它没有开源，但是可以反编译来一探究竟：

1. public static byte[] generateProxyClass(final String var0, Class[] var1) {
2. ProxyGenerator var2 = new ProxyGenerator(var0, var1);
3. final byte[] var3 = var2.generateClassFile();
4. // 这里根据参数配置，决定是否把生成的字节码（.class文件）保存到本地磁盘，我们可以通过把相应的class文件保存到本地，再反编译来看看具体的实现，这样更直观
5. if(saveGeneratedFiles) {
6. AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction() {
7. public Void run() {
8. try {
9. FileOutputStream var1 = new FileOutputStream(ProxyGenerator.dotToSlash(var0) + ".class");
10. var1.write(var3);
11. var1.close();
12. return null;
13. } catch (IOException var2) {
14. throw new InternalError("I/O exception saving generated file: " + var2);
15. }
16. }
17. });
18. }
19. return var3;
20. }

saveGeneratedFiles这个属性的值从哪里来呢：

1. private static final boolean saveGeneratedFiles = ((Boolean)AccessController.doPrivileged(new GetBooleanAction("sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles"))).booleanValue();

GetBooleanAction实际上是调用Boolean.getBoolean(propName)来获得的，而Boolean.getBoolean(propName)调用了System.getProperty(name)，所以我们可以设置sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles这个系统属性为true来把生成的class保存到本地文件来查看。

这里要注意，当把这个属性设置为true时，生成的class文件及其所在的路径都需要提前创建，否则会抛出FileNotFoundException异常。如：

1. Exception in thread "main" java.lang.InternalError: I/O exception saving generated file: java.io.FileNotFoundException: com/sun/proxy/$Proxy0.class (No such file or directory)
2. at sun.misc.ProxyGenerator$1.run(ProxyGenerator.java:336)
3. at sun.misc.ProxyGenerator$1.run(ProxyGenerator.java:327)
4. at java.security.AccessController.doPrivileged(Native Method)
5. at sun.misc.ProxyGenerator.generateProxyClass(ProxyGenerator.java:326)
6. at java.lang.reflect.Proxy$ProxyClassFactory.apply(Proxy.java:672)
7. at java.lang.reflect.Proxy$ProxyClassFactory.apply(Proxy.java:592)
8. at java.lang.reflect.WeakCache$Factory.get(WeakCache.java:244)
9. at java.lang.reflect.WeakCache.get(WeakCache.java:141)
10. at java.lang.reflect.Proxy.getProxyClass0(Proxy.java:455)
11. at java.lang.reflect.Proxy.newProxyInstance(Proxy.java:738)
12. at com.mikan.proxy.ProxyTest.main(ProxyTest.java:15)
13. at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)
14. at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:57)
15. at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
16. at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:606)
17. at com.intellij.rt.execution.application.AppMain.main(AppMain.java:140)

即我们要在运行当前main方法的路径下创建com/sun/proxy目录，并创建一个$Proxy0.class文件，才能够正常运行并保存class文件内容。

反编译$Proxy0.class文件，如下所示：

1. package com.sun.proxy;
2. import com.mikan.proxy.HelloWorld;
3. import java.lang.reflect.InvocationHandler;
4. import java.lang.reflect.Method;
5. import java.lang.reflect.Proxy;
6. import java.lang.reflect.UndeclaredThrowableException;
7. public final class $Proxy0 extends Proxy implements HelloWorld {
8. private static Method m1;
9. private static Method m3;
10. private static Method m0;
11. private static Method m2;
12. public $Proxy0(InvocationHandler paramInvocationHandler) {
13. super(paramInvocationHandler);
14. }
15. public final boolean equals(Object paramObject) {
16. try {
17. return ((Boolean)this.h.invoke(this, m1, new Object[] { paramObject })).booleanValue();
18. }
19. catch (Error|RuntimeException localError) {
20. throw localError;
21. }
22. catch (Throwable localThrowable) {
23. throw new UndeclaredThrowableException(localThrowable);
24. }
25. }
26. public final void sayHello(String paramString) {
27. try {
28. this.h.invoke(this, m3, new Object[] { paramString });
29. return;
30. }
31. catch (Error|RuntimeException localError) {
32. throw localError;
33. }
34. catch (Throwable localThrowable) {
35. throw new UndeclaredThrowableException(localThrowable);
36. }
37. }
38. public final int hashCode() {
39. try {
40. return ((Integer)this.h.invoke(this, m0, null)).intValue();
41. }
42. catch (Error|RuntimeException localError) {
43. throw localError;
44. }
45. catch (Throwable localThrowable) {
46. throw new UndeclaredThrowableException(localThrowable);
47. }
48. }
49. public final String toString() {
50. try {
51. return (String)this.h.invoke(this, m2, null);
52. }
53. catch (Error|RuntimeException localError) {
54. throw localError;
55. }
56. catch (Throwable localThrowable) {
57. throw new UndeclaredThrowableException(localThrowable);
58. }
59. }
60. static {
61. try {
62. m1 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("equals", new Class[] { Class.forName("java.lang.Object") });
63. m3 = Class.forName("com.mikan.proxy.HelloWorld").getMethod("sayHello", new Class[] { Class.forName("java.lang.String") });
64. m0 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("hashCode", new Class[0]);
65. m2 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("toString", new Class[0]);
66. return;
67. }
68. catch (NoSuchMethodException localNoSuchMethodException) {
69. throw new NoSuchMethodError(localNoSuchMethodException.getMessage());
70. }
71. catch (ClassNotFoundException localClassNotFoundException) {
72. throw new NoClassDefFoundError(localClassNotFoundException.getMessage());
73. }
74. }
75. }

可以看到，动态生成的代理类有如下特性：

1. 继承了Proxy类，实现了代理的接口，由于java不能多继承，这里已经继承了Proxy类了，不能再继承其他的类，所以JDK的动态代理不支持对实现类的代理，只支持接口的代理。
2. 提供了一个使用InvocationHandler作为参数的构造方法。
3. 生成静态代码块来初始化接口中方法的Method对象，以及Object类的equals、hashCode、toString方法。
4. 重写了Object类的equals、hashCode、toString，它们都只是简单的调用了InvocationHandler的invoke方法，即可以对其进行特殊的操作，也就是说JDK的动态代理还可以代理上述三个方法。
5. 代理类实现代理接口的sayHello方法中，只是简单的调用了InvocationHandler的invoke方法，我们可以在invoke方法中进行一些特殊操作，甚至不调用实现的方法，直接返回。

至此JDK动态代理的实现原理就分析的差不多了。同时我们可以想像一下Spring AOP提供的各种拦截该如何实现，就已经很明了了，如下所示：

1. public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
2. // BeforeAdvice
3. Object retVal = null;
4. try {
5. // AroundAdvice
6. retVal = method.invoke(target, args);
7. // AroundAdvice
8. // AfterReturningAdvice
9. }
10. catch (Throwable e) {
11. // AfterThrowingAdvice
12. }
13. finally {
14. // AfterAdvice
15. }
16. return retVal;
17. }

上面是对于Spring AOP使用JDK动态代理实现的基本框架代码，当然具体的实现肯定比这个复杂得多，但是基本原理不外乎如是。所以理解基本原理对于理解其他的代码也是很有好处的。