Java 静态代理和动态代理的使用及原理解析

代理模式是软件开发中常见的设计模式，它的目的是让调用者不用持有具体操作者的引用，而是通过代理者去对具体操作者执行具体的操作。

静态代理的实现

操作接口：

public interface Operate {
    void doSomething();
}

操作者：

public class Operator implements Operate {
    @Override
    public void doSomething() {
        System.out.println("I'm doing something");
    }
}

代理者：

public class OperationProxy implements Operate {
    private Operator operator = null;

    @Override
    public void doSomething() {
        beforeDoSomething();
        if(operator == null){
            operator =  new Operator();
        }
        operator.doSomething();
        afterDoSomething();
    }

    private void beforeDoSomething() {
        System.out.println("before doing something");
    }

    private void afterDoSomething() {
        System.out.println("after doing something");
    }
}

调用者：

public class StaticProxyTest {
    public static void main(String[] args) {
        Operate operate = new OperationProxy();//使用OperationProxy代替Operator
        operate.doSomething();  //代理者代替真实者做事情
    }
}

静态代理的局限性

可以看到，静态代理让调用者不用再直接持有操作者的引用，而是将一切操作交由代理者去完成。但是静态代理也有它的局限性：

  1. 如果需要增加一个需要代理的方法，代理者的代码也必须改动进而适配新的操作；
  2. 如果需要代理者代理另外一个操作者，同样需要对代理者进行扩展并且更加麻烦。

可能有人想到可以用策略模式和工厂模式分别解决上面两个问题，但是，有没有更加巧妙的方法呢？首先，我们了解一下 Java 代码的执行过程。

理解 Java 代码执行流程

要从根本上理解动态代理的实现原理，得先从 Java 代码的执行流程说起：

java 代码执行流程.jpg

JVM 在运行 .class 文件之前，首先通过 ClassLoader 将 .class 文件以二进制的形式解析并生成实例以供调用，我们的代码执行逻辑是在 JVM 的运行期系统中进行工作的，那么，我们可不可以在自己的代码里面按照 .class 的格式生成自己的 .class 文件，进而调用自定义的 ClassLoader 将其加载出来呢？答案是肯定的，这样我们就可以动态地创建一个类了。

动态代理的思路.jpg

生成自己的 .class 文件

当然我们不用手动去一点一点拼装 .class 文件，目前比较常用的字节码生成工具有 ASM 和 Javassist，根据这个思路，生成 .class 文件的过程如下：

import javassist.ClassPool;
import javassist.CtClass;
import javassist.CtMethod;
import javassist.CtNewMethod;
 
public class Test {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ClassPool pool = ClassPool.getDefault();
        //创建 AutoGenerateClass 类
        CtClass cc= pool.makeClass("com.guanpj.AutoGenerateClass");
        //定义 show 方法
        CtMethod method = CtNewMethod.make("public void show(){}", cc);
        //插入方法代码
        method.insertBefore("System.out.println(\"I'm just test generate .class file by javassit.....\");");
        cc.addMethod(method);
        //保存生成的字节码
        cc.writeFile("D://temp");
    }
}

生成的 .class 文件如下：

AutoGenerate.png

反编译后查看内容：

//
// Source code recreated from a .class file by IntelliJ IDEA
// (powered by Fernflower decompiler)
//

package com.guanpj;

public class AutoGenerateClass {
    public void show() {
        System.out.println("I'm just test generate .class file by javassit.....");
    }

    public AutoGenerateClass() {
    }
}

可以看到，javassit 生成的类中，除了 show() 方法之外还默认生成了一个无参的构造方法。

自定义类加载器加载

为了能够让自定的类被加载出来，我们自定义了一个类加载器来加载指定的 .class 文件：

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {

    public CustomClassLoader() {
    }

    protected Class<?> findClass(String className) {
        String path = "D://temp//" + className.replace(".","//") + ".class";
        byte[] classData = getClassData(path);
        return defineClass(className, classData, 0, classData.length);
    }

    private byte[] getClassData(String path) {
        try {
            InputStream ins = new FileInputStream(path);
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
            int bufferSize = 4096;
            byte[] buffer = new byte[bufferSize];
            int bytesNumRead = 0;
            while ((bytesNumRead = ins.read(buffer)) != -1) {
                baos.write(buffer, 0, bytesNumRead);
            }
            return baos.toByteArray();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
}

接着，用 ClassLoader 加载刚才生成的 .class 文件：

public class TestLoadClass {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        CustomClassLoader classLoader = new CustomClassLoader();
        Class clazz = classLoader.findClass("com.guanpj.AutoGenerateClass");

        Object object = clazz.newInstance();
        Method showMethod = clazz.getMethod("show", null);
        showMethod.invoke(object, null);
    }
}

后台输出如下：

output.png

成功执行了 show 方法！

利用 JDK 中的 Proxy 类进行动态代理

使用动态代理的初衷是简化代码，不管是 ASM 还是 Javassist，在进行动态代理的时候操作还是不够简便，这也违背了我们的初衷。我们来看一下怎么 InvocationHandler 怎么做：

InvocationHandler：

public class InvocationHandlerImpl implements InvocationHandler {
    Operate operate;

    //注入操作者对象
    public InvocationHandlerImpl(Operate operate) {
        this.operate = operate;
    }

    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        System.out.println("before calling method: " + method.getName());
        //调用操纵者的具体操作方法
        method.invoke(operate, args);
        System.out.println("after calling method: " + method.getName());
        return null;
    }
}

调用者：

public class DynamicProxyTest {
    public static void main(String[] args) {
        //实例化操作者
        Operate operate = new Operator();
        //将操作者对象进行注入
        InvocationHandlerImpl handler = new InvocationHandlerImpl(operate);
        //生成代理对象
        Operate operationProxy = (Operate) Proxy.newProxyInstance(operate.getClass().getClassLoader(),
                operate.getClass().getInterfaces(), handler);
        //调用操作方法
        operationProxy.doSomething();
    }
}

跟静态代理不同的是，动态代理的过程主要分为三个步骤

  • 将操作者对象注入 InvocationHandlerImpl 类中。
  • 将 InvocationHandlerImpl 对象注入 Proxy 类中并返回代理者对象，并在 invoke 方法中进行额外的操作
  • 调用代理对象的操作方法

利用 CGLIB 进行动态代理

用 Proxy 类生成代理类的方法为 newProxyInstance(ClassLoader loader, Class<?>[] interfaces, InvocationHandler h) ，第二个参数是操作者的接口数组，意味着只能代理它实现的接口里的方法，对于本来在操作者类中定义的方法表示无能为力，CGLIB(Code Generation Library) 解决了这个问题。

MethodInterceptorImpl：

public class MethodInterceptorImpl implements MethodInterceptor {
    @Override
    public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable {
        System.out.println("before calling method:" + method.getName());
        proxy.invokeSuper(obj, args);
        System.out.println("after calling method:" + method.getName());
        return null;
    }
}

调用者：

public class ProxyTest {
    public static void main(String[] args) {
        Operator operator = new Operator();
        MethodInterceptorImpl methodInterceptorImpl = new MethodInterceptorImpl();

        //初始化加强器对象
        Enhancer enhancer = new Enhancer();
        //设置代理类
        enhancer.setSuperclass(operator.getClass());
        //设置代理回调
        enhancer.setCallback(methodInterceptorImpl);

        //创建代理对象
        Operator operationProxy = (Operator) enhancer.create();
        //调用操作方法
        operationProxy.doSomething();
    }
}

使用 CGLIB 进行动态代理的过程分为四个步骤：

  • 使用 MethodInterceptorImpl 实现 MethodInterceptor 接口，并在 intercept 方法中进行额外的操作
  • 创建增强器 Enhance 并设置被代理的操作类
  • 生成代理类
  • 调用代理对象的操作方法

总结

无论是静态代理还是动态代理，都能一定程度地解决我们的问题，在开发过程中可以根据实际情况选择合适的方案。总之，没有好不好的方案，只有适不适合自己项目的方案，我们应该深入研究和理解方案背后的原理，以便能够应对开发过程中产生的变数。

文章中的代码已经上传至我的 Github，如果你对文章内容有不同意见，欢迎留言，我们一同探讨。

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