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该系列博文会告诉你如何从spring基础入手,一步步地学习spring基础和springmvc的框架知识,并上手进行项目实战,spring框架是每一个Java工程师必须要学习和理解的知识点,进一步来说,你还需要掌握spring甚至是springmvc的源码以及实现原理,才能更完整地了解整个spring技术体系,形成自己的知识框架。
后续还会有springboot和springcloud的技术专题,陆续为大家带来,敬请期待。
为了更好地总结和检验你的学习成果,本系列文章也会提供部分知识点对应的面试题以及参考答案。
如果对本系列文章有什么建议,或者是有什么疑问的话,也可以关注公众号【Java技术江湖】联系作者,欢迎你参与本系列博文的创作和修订。
前言
AOP的基础是Java动态代理,了解和使用两种动态代理能让我们更好地理解 AOP,在讲解AOP之前,让我们先来看看Java动态代理的使用方式以及底层实现原理。
本文是基于jdk1.8来对动态代理的底层机制进行探究的
Java代理介绍
Java中代理的实现一般分为三种:JDK静态代理、JDK动态代理以及CGLIB动态代理。在Spring的AOP实现中,主要应用了JDK动态代理以及CGLIB动态代理。但是本文着重介绍JDK动态代理机制,CGLIB动态代理后面会接着探究。
代理一般实现的模式为JDK静态代理:创建一个接口,然后创建被代理的类实现该接口并且实现该接口中的抽象方法。之后再创建一个代理类,同时使其也实现这个接口。在代理类中持有一个被代理对象的引用,而后在代理类方法中调用该对象的方法。
其实就是代理类为被代理类预处理消息、过滤消息并在此之后将消息转发给被代理类,之后还能进行消息的后置处理。代理类和被代理类通常会存在关联关系(即上面提到的持有的被带离对象的引用),代理类本身不实现服务,而是通过调用被代理类中的方法来提供服务。
静态代理
接口
被代理类
代理类
测试类以及输出结果
我们可以看出,使用JDK静态代理很容易就完成了对一个类的代理操作。但是JDK静态代理的缺点也暴露了出来:由于代理只能为一个类服务,如果需要代理的类很多,那么就需要编写大量的代理类,比较繁琐。
下面我们使用JDK动态代理来做同样的事情
JDK动态代理
接口
被代理类
代理类
测试类以及输出结果
JDK动态代理实现原理
JDK动态代理其实也是基本接口实现的。因为通过接口指向实现类实例的多态方式,可以有效地将具体实现与调用解耦,便于后期的修改和维护。
通过上面的介绍,我们可以发现JDK静态代理与JDK动态代理之间有些许相似,比如说都要创建代理类,以及代理类都要实现接口等。但是不同之处也非常明显—-在静态代理中我们需要对哪个接口和哪个被代理类创建代理类,所以我们在编译前就需要代理类实现与被代理类相同的接口,并且直接在实现的方法中调用被代理类相应的方法;但是动态代理则不同,我们不知道要针对哪个接口、哪个被代理类创建代理类,因为它是在运行时被创建的。
让我们用一句话来总结一下JDK静态代理和JDK动态代理的区别,然后开始探究JDK动态代理的底层实现机制:
JDK静态代理是通过直接编码创建的,而JDK动态代理是利用反射机制在运行时创建代理类的。
其实在动态代理中,核心是InvocationHandler。每一个代理的实例都会有一个关联的调用处理程序(InvocationHandler)。对待代理实例进行调用时,将对方法的调用进行编码并指派到它的调用处理器(InvocationHandler)的invoke方法。所以对代理对象实例方法的调用都是通过InvocationHandler中的invoke方法来完成的,而invoke方法会根据传入的代理对象、方法名称以及参数决定调用代理的哪个方法。
我们从JDK动态代理的测试类中可以发现代理类生成是通过Proxy类中的newProxyInstance来完成的,下面我们进入这个函数看一看:
Proxy类中的newProxyInstance
1 | public static Object newProxyInstance(ClassLoader loader, |
所以代理类其实是通过getProxyClass方法来生成的:
1 | /** |
那么ProxyClassFactory是什么呢?
1 | /** |
字节码生成
由上方代码byte[] proxyClassFile = ProxyGenerator.generateProxyClass(proxyName, interfaces, accessFlags);可以看到,其实生成代理类字节码文件的工作是通过 ProxyGenerate类中的generateProxyClass方法来完成的。
1 | public static byte[] generateProxyClass(final String var0, Class<?>[] var1, int var2) { |
下面来看看真正用于生成代理类字节码文件的generateClassFile方法:
1 | private byte[] generateClassFile() { |
代理类的方法调用
下面是将接口与Object中一些方法添加到代理类中的addProxyMethod方法:
1 | private void addProxyMethod(Method var1, Class<?> var2) { |
这就是最终真正的代理类,它继承自Proxy并实现了我们定义的Subject接口。我们通过
1 | HelloInterface helloInterface = (HelloInterface ) Proxy.newProxyInstance(loader, interfaces, handler); |
- 1
得到的最终代理类对象就是上面这个类的实例。那么我们执行如下语句:
1 | helloInterface.hello("Tom"); |
- 1
实际上就是执行上面类的相应方法,也就是:
1 | public final void hello(String paramString) |
注意这里的this.h.invoke
中的h,它是类Proxy中的一个属性
1 | protected InvocationHandler h; |
因为这个代理类继承了Proxy,所以也就继承了这个属性,而这个属性值就是我们定义的
1 | InvocationHandler handler = new InvocationHandlerImpl(hello); |
- 1
同时我们还发现,invoke方法的第一参数在底层调用的时候传入的是this
,也就是最终生成的代理对象ProxySubject,这是JVM自己动态生成的,而不是我们自己定义的代理对象。
深入理解CGLIB动态代理机制
Cglib是什么
Cglib是一个强大的、高性能的代码生成包,它广泛被许多AOP框架使用,为他们提供方法的拦截。下图是我网上找到的一张Cglib与一些框架和语言的关系:
对此图总结一下:
- 最底层的是字节码Bytecode,字节码是Java为了保证“一次编译、到处运行”而产生的一种虚拟指令格式,例如iload_0、iconst_1、if_icmpne、dup等
- 位于字节码之上的是ASM,这是一种直接操作字节码的框架,应用ASM需要对Java字节码、Class结构比较熟悉
- 位于ASM之上的是CGLIB、Groovy、BeanShell,后两种并不是Java体系中的内容而是脚本语言,它们通过ASM框架生成字节码变相执行Java代码,这说明在JVM中执行程序并不一定非要写Java代码—-只要你能生成Java字节码,JVM并不关心字节码的来源,当然通过Java代码生成的JVM字节码是通过编译器直接生成的,算是最“正统”的JVM字节码
- 位于CGLIB、Groovy、BeanShell之上的就是Hibernate、Spring AOP这些框架了,这一层大家都比较熟悉
- 最上层的是Applications,即具体应用,一般都是一个Web项目或者本地跑一个程序
本文是基于CGLIB 3.1进行探究的
cglib is a powerful, high performance and quality Code Generation Library, It is used to extend JAVA classes and implements interfaces at runtime.
在Spring AOP中,通常会用它来生成AopProxy对象。不仅如此,在Hibernate中PO(Persistant Object 持久化对象)字节码的生成工作也要靠它来完成。
本文将深入探究CGLIB动态代理的实现机制,配合下面这篇文章一起食用口味更佳:
深入理解JDK动态代理机制
CGLIB动态代理示例
下面由一个简单的示例开始我们对CGLIB动态代理的介绍:
为了后续编码的顺利进行,我们需要使用Maven引入CGLIB的包
图1.1 被代理类
图1.2 实现MethodInterceptor接口生成方法拦截器
图1.3 生成代理类对象并打印在代理类对象调用方法之后的执行结果
JDK代理要求被代理的类必须实现接口,有很强的局限性。而CGLIB动态代理则没有此类强制性要求。简单的说,CGLIB会让生成的代理类继承被代理类,并在代理类中对代理方法进行强化处理(前置处理、后置处理等)。在CGLIB底层,其实是借助了ASM这个非常强大的Java字节码生成框架。
生成代理类对象
从图1.3中我们看到,代理类对象是由Enhancer类创建的。Enhancer是CGLIB的字节码增强器,可以很方便的对类进行拓展,如图1.3中的为类设置Superclass。
创建代理对象的几个步骤:
- 生成代理类的二进制字节码文件;
- 加载二进制字节码,生成Class对象( 例如使用Class.forName()方法 );
- 通过反射机制获得实例构造,并创建代理类对象
我们来看看将代理类Class文件反编译之后的Java代码
1 | package proxy; |
对委托类进行代理
我们上面贴出了生成的代理类源码。以我们上面的例子为参考,下面我们总结一下CGLIB在进行代理的时候都进行了哪些工作呢
- 生成的代理类HelloServiceImpl$EnhancerByCGLIB$82ef2d06继承被代理类HelloServiceImpl。在这里我们需要注意一点:如果委托类被final修饰,那么它不可被继承,即不可被代理;同样,如果委托类中存在final修饰的方法,那么该方法也不可被代理;
- 代理类会为委托方法生成两个方法,一个是重写的sayHello方法,另一个是CGLIB$sayHello$0方法,我们可以看到它是直接调用父类的sayHello方法;
- 当执行代理对象的sayHello方法时,会首先判断一下是否存在实现了MethodInterceptor接口的CGLIB$CALLBACK_0;,如果存在,则将调用MethodInterceptor中的intercept方法,如图2.1。
图2.1 intercept方法
图2.2 代理类为每个委托方法都会生成两个方法
在intercept方法中,我们除了会调用委托方法,还会进行一些增强操作。在Spring AOP中,典型的应用场景就是在某些敏感方法执行前后进行操作日志记录。
我们从图2.1中看到,调用委托方法是通过代理方法的MethodProxy对象调用invokeSuper方法来执行的,下面我们看看invokeSuper方法中的玄机:
图2.3 invokeSuper方法
在这里好像不能直接看出代理方法的调用。没关系,我会慢慢介绍。
我们知道,在JDK动态代理中方法的调用是通过反射来完成的。如果有对此不太了解的同学,可以看下我之前的博客—-深入理解JDK动态代理机制。但是在CGLIB中,方法的调用并不是通过反射来完成的,而是直接对方法进行调用:FastClass对Class对象进行特别的处理,比如将会用数组保存method的引用,每次调用方法的时候都是通过一个index下标来保持对方法的引用。比如下面的getIndex方法就是通过方法签名来获得方法在存储了Class信息的数组中的下标。
图2.4 getIndex方法
图2.5 FastClassInfo类中持有两个FastClass对象的引用.png
以我们上面的sayHello方法为例,f1指向委托类对象,f2指向代理类对象,i1和i2分别代表着sayHello方法以及CGLIB$sayHello$0方法在对象信息数组中的下标。
到此为止CGLIB动态代理机制就介绍完了,下面给出三种代理方式之间对比。
代理方式 | 实现 | 优点 | 缺点 | 特点 |
---|---|---|---|---|
JDK静态代理 | 代理类与委托类实现同一接口,并且在代理类中需要硬编码接口 | 实现简单,容易理解 | 代理类需要硬编码接口,在实际应用中可能会导致重复编码,浪费存储空间并且效率很低 | 好像没啥特点 |
JDK动态代理 | 代理类与委托类实现同一接口,主要是通过代理类实现InvocationHandler并重写invoke方法来进行动态代理的,在invoke方法中将对方法进行增强处理 | 不需要硬编码接口,代码复用率高 | 只能够代理实现了接口的委托类 | 底层使用反射机制进行方法的调用 |
CGLIB动态代理 | 代理类将委托类作为自己的父类并为其中的非final委托方法创建两个方法,一个是与委托方法签名相同的方法,它在方法中会通过super调用委托方法;另一个是代理类独有的方法。在代理方法中,它会判断是否存在实现了MethodInterceptor接口的对象,若存在则将调用intercept方法对委托方法进行代理 | 可以在运行时对类或者是接口进行增强操作,且委托类无需实现接口 | 不能对final类以及final方法进行代理 | 底层将方法全部存入一个数组中,通过数组索引直接进行方法调用 |
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