Spring进阶 - Spring AOP实现原理详解之JDK代理实现

Abel sun2022年12月24日

Spring

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Spring进阶 - Spring AOP实现原理详解之JDK代理实现

上文我们学习了SpringAOP Cglib动态代理的实现，本文主要是SpringAOP JDK动态代理的案例和实现部分。

1. 引入

上文我们学习了SpringAOP Cglib动态代理的实现，本文主要是SpringAOP JDK动态代理的案例和实现部分。

1.1 什么是JDK代理?

JDK动态代理是由 JDK提供的工具类Proxy实现的，动态代理类是在运行时生成指定接口的代理类，每个代理实例（实现需要代理的接口）都有一个关联的调用处理程序对象，此对象实现了InvocationHandler，最终的业务逻辑是在InvocationHandler实现类的invoke方法上。

2. JDK动态代理

Spring默认使用JDK的动态代理实现AOP，类如果实现了接口，Spring就会使用这种方式实现动态代理。

熟悉Java语言的应该会对JDK动态代理有所了解。JDK实现动态代理需要两个组件
首先第一个就是**InvocationHandler接口**。我们在使用JDK的动态代理时，需要编写一个类，去实现这个接口，然后重写invoke方法，这个方法其实就是我们提供的代理方法
然后JDK动态代理需要使用的第二个组件就是Proxy这个类，我们可以通过这个类的newProxyInstance方法，返回一个代理对象。生成的代理类实现了原来那个类的所有接口，并对接口的方法进行了代理，我们通过代理对象调用这些方法时，底层将通过反射，调用我们实现的invoke方法。

2.1 实现原理

JDK的动态代理是基于反射实现。JDK通过反射，生成一个代理类，这个代理类实现了原来那个类的全部接口，并对接口中定义的所有方法进行了代理。当我们通过代理对象执行原来那个类的方法时，代理类底层会通过反射机制，回调我们实现的InvocationHandler接口的invoke方法。并且这个代理类是Proxy类的子类（记住这个结论，后面测试要用）。这就是JDK动态代理大致的实现方式。

2.2 优点

JDK动态代理是JDK原生的，不需要任何依赖即可使用；
通过反射机制生成代理类的速度要比CGLib操作字节码生成代理类的速度更快；

2.3 缺点

如果要使用JDK动态代理，被代理的类必须实现了接口，否则无法代理；
JDK动态代理无法为没有在接口中定义的方法实现代理，假设我们有一个实现了接口的类，我们为它的一个不属于接口中的方法配置了切面，Spring仍然会使用JDK的动态代理，但是由于配置了切面的方法不属于接口，为这个方法配置的切面将不会被织入。
JDK动态代理执行代理方法时，需要通过反射机制进行回调，此时方法执行的效率比较低；
JDK动态代理生成快，执行慢

3. JDK代理的案例

这里我们写一个使用jdk代理的简单例子。

3.1 不需要maven依赖

jdk代理不需要任何依赖。

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0"
         xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
         xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
    <parent>
        <artifactId>tech-pdai-spring-demos</artifactId>
        <groupId>tech.pdai</groupId>
        <version>1.0-SNAPSHOT</version>
    </parent>
    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>

    <artifactId>006-spring-framework-demo-aop-proxy-jdk</artifactId>

    <properties>
        <maven.compiler.source>8</maven.compiler.source>
        <maven.compiler.target>8</maven.compiler.target>
    </properties>

    <!--based on jdk proxy -->
    <dependencies>

    </dependencies>

</project>

3.2 定义实体

User

package tech.pdai.springframework.entity;

/**
 * @author pdai
 */
public class User {

    /**
     * user's name.
     */
    private String name;

    /**
     * user's age.
     */
    private int age;

    /**
     * init.
     *
     * @param name name
     * @param age  age
     */
    public User(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "User{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                '}';
    }
}

3.3 被代理的类和接口

接口如下

package tech.pdai.springframework.service;

import tech.pdai.springframework.entity.User;

import java.util.List;

/**
 * @author pdai
 */
public interface IUserService {

    /**
     * find user list.
     *
     * @return user list
     */
    List<User> findUserList();

    /**
     * add user
     */
    void addUser();
}

实现类如下：

package tech.pdai.springframework.service;

import tech.pdai.springframework.entity.User;

import java.util.Collections;
import java.util.List;

/**
 * @author pdai
 */
public class UserServiceImpl implements IUserService {

    /**
     * find user list.
     *
     * @return user list
     */
    @Override
    public List<User> findUserList() {
        return Collections.singletonList(new User("pdai", 18));
    }

    /**
     * add user
     */
    @Override
    public void addUser() {
        // do something
    }

}

3.4 JDK代理类

代理类如下：

package tech.pdai.springframework.proxy;

import tech.pdai.springframework.service.IUserService;
import tech.pdai.springframework.service.UserServiceImpl;

import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Proxy;
import java.util.Arrays;

/**
 * This class is for proxy demo.
 *
 * @author pdai
 */
public class UserLogProxy {

    /**
     * proxy target
     */
    private IUserService target;

    /**
     * init.
     *
     * @param target target
     */
    public UserLogProxy(UserServiceImpl target) {
        super();
        this.target = target;
    }

    /**
     * get proxy.
     *
     * @return proxy target
     */
    public IUserService getLoggingProxy() {
        IUserService proxy;
        ClassLoader loader = target.getClass().getClassLoader();
        Class[] interfaces = new Class[]{IUserService.class};
        InvocationHandler h = new InvocationHandler() {
            /**
             * proxy: 代理对象。 一般不使用该对象 method: 正在被调用的方法 args: 调用方法传入的参数
             */
            @Override
            public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
                String methodName = method.getName();
                // log - before method
                System.out.println("[before] execute method: " + methodName);

                // call method
                Object result = null;
                try {
                    // 前置通知
                    result = method.invoke(target, args);
                    // 返回通知, 可以访问到方法的返回值
                } catch (NullPointerException e) {
                    e.printStackTrace();
                    // 异常通知, 可以访问到方法出现的异常
                }
                // 后置通知. 因为方法可以能会出异常, 所以访问不到方法的返回值

                // log - after method
                System.out.println("[after] execute method: " + methodName + ", return value: " + result);
                return result;
            }
        };
        /**
         * loader: 代理对象使用的类加载器.
         * interfaces: 指定代理对象的类型. 即代理代理对象中可以有哪些方法.
         * h: 当具体调用代理对象的方法时, 应该如何进行响应, 实际上就是调用 InvocationHandler 的 invoke 方法
         */
        proxy = (IUserService) Proxy.newProxyInstance(loader, interfaces, h);
        return proxy;
    }

}

3.5 使用代理

启动类中指定代理目标并执行。

package tech.pdai.springframework;

import tech.pdai.springframework.proxy.UserLogProxy;
import tech.pdai.springframework.service.IUserService;
import tech.pdai.springframework.service.UserServiceImpl;

/**
 * Jdk proxy demo.
 *
 * @author pdai
 */
public class ProxyDemo {

    /**
     * main interface.
     *
     * @param args args
     */
    public static void main(String[] args) {
        // proxy
        IUserService userService = new UserLogProxy(new UserServiceImpl()).getLoggingProxy();

        // call methods
        userService.findUserList();
        userService.addUser();
    }
}

4. JDK代理的流程

JDK代理自动生成的class是由sun.misc.ProxyGenerator来生成的。

4.1 ProxyGenerator生成代码

我们看下sun.misc.ProxyGenerator生成代码的逻辑：

/**
    * Generate a proxy class given a name and a list of proxy interfaces.
    *
    * @param name        the class name of the proxy class
    * @param interfaces  proxy interfaces
    * @param accessFlags access flags of the proxy class
*/
public static byte[] generateProxyClass(final String name,
                                        Class<?>[] interfaces,
                                        int accessFlags)
{
    ProxyGenerator gen = new ProxyGenerator(name, interfaces, accessFlags);
    final byte[] classFile = gen.generateClassFile();
    ...
}

generateClassFile方法如下：

/**
    * Generate a class file for the proxy class.  This method drives the
    * class file generation process.
    */
private byte[] generateClassFile() {

    /* 第一步：将所有方法包装成ProxyMethod对象 */
    
    // 将Object类中hashCode、equals、toString方法包装成ProxyMethod对象
    addProxyMethod(hashCodeMethod, Object.class);
    addProxyMethod(equalsMethod, Object.class);
    addProxyMethod(toStringMethod, Object.class);

    // 将代理类接口方法包装成ProxyMethod对象
    for (Class<?> intf : interfaces) {
        for (Method m : intf.getMethods()) {
            addProxyMethod(m, intf);
        }
    }

    // 校验返回类型
    for (List<ProxyMethod> sigmethods : proxyMethods.values()) {
        checkReturnTypes(sigmethods);
    }

    /* 第二步：为代理类组装字段，构造函数，方法，static初始化块等 */
    try {
        // 添加构造函数，参数是InvocationHandler
        methods.add(generateConstructor());

        // 代理方法
        for (List<ProxyMethod> sigmethods : proxyMethods.values()) {
            for (ProxyMethod pm : sigmethods) {

                // 字段
                fields.add(new FieldInfo(pm.methodFieldName,
                    "Ljava/lang/reflect/Method;",
                        ACC_PRIVATE | ACC_STATIC));

                // 上述ProxyMethod中的方法
                methods.add(pm.generateMethod());
            }
        }

        // static初始化块
        methods.add(generateStaticInitializer());

    } catch (IOException e) {
        throw new InternalError("unexpected I/O Exception", e);
    }

    if (methods.size() > 65535) {
        throw new IllegalArgumentException("method limit exceeded");
    }
    if (fields.size() > 65535) {
        throw new IllegalArgumentException("field limit exceeded");
    }

    /* 第三步：写入class文件 */

    /*
        * Make sure that constant pool indexes are reserved for the
        * following items before starting to write the final class file.
        */
    cp.getClass(dotToSlash(className));
    cp.getClass(superclassName);
    for (Class<?> intf: interfaces) {
        cp.getClass(dotToSlash(intf.getName()));
    }

    /*
        * Disallow new constant pool additions beyond this point, since
        * we are about to write the final constant pool table.
        */
    cp.setReadOnly();

    ByteArrayOutputStream bout = new ByteArrayOutputStream();
    DataOutputStream dout = new DataOutputStream(bout);

    try {
        /*
            * Write all the items of the "ClassFile" structure.
            * See JVMS section 4.1.
            */
                                    // u4 magic;
        dout.writeInt(0xCAFEBABE);
                                    // u2 minor_version;
        dout.writeShort(CLASSFILE_MINOR_VERSION);
                                    // u2 major_version;
        dout.writeShort(CLASSFILE_MAJOR_VERSION);

        cp.write(dout);             // (write constant pool)

                                    // u2 access_flags;
        dout.writeShort(accessFlags);
                                    // u2 this_class;
        dout.writeShort(cp.getClass(dotToSlash(className)));
                                    // u2 super_class;
        dout.writeShort(cp.getClass(superclassName));

                                    // u2 interfaces_count;
        dout.writeShort(interfaces.length);
                                    // u2 interfaces[interfaces_count];
        for (Class<?> intf : interfaces) {
            dout.writeShort(cp.getClass(
                dotToSlash(intf.getName())));
        }

                                    // u2 fields_count;
        dout.writeShort(fields.size());
                                    // field_info fields[fields_count];
        for (FieldInfo f : fields) {
            f.write(dout);
        }

                                    // u2 methods_count;
        dout.writeShort(methods.size());
                                    // method_info methods[methods_count];
        for (MethodInfo m : methods) {
            m.write(dout);
        }

                                        // u2 attributes_count;
        dout.writeShort(0); // (no ClassFile attributes for proxy classes)

    } catch (IOException e) {
        throw new InternalError("unexpected I/O Exception", e);
    }

    return bout.toByteArray();
}

一共三个步骤（把大象装进冰箱分几步？）：

第一步：（把冰箱门打开）准备工作，将所有方法包装成ProxyMethod对象，包括Object类中hashCode、equals、toString方法，以及被代理的接口中的方法
第二步：（把大象装进去）为代理类组装字段，构造函数，方法，static初始化块等
第三步：（把冰箱门带上）写入class文件

4.2 从生成的Proxy代码看执行流程

从上述sun.misc.ProxyGenerator类中可以看到，这个类里面有一个配置参数sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles，可以通过这个参数将生成的Proxy类保存在本地，比如设置为true 执行后，生成的文件如下：

我们看下生成后的代码：

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

package com.sun.proxy;

import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Proxy;
import java.lang.reflect.UndeclaredThrowableException;
import java.util.List;
import tech.pdai.springframework.service.IUserService;

// 所有类和方法都是final类型的
public final class $Proxy0 extends Proxy implements IUserService {
    private static Method m1;
    private static Method m3;
    private static Method m2;
    private static Method m0;
    private static Method m4;

    // 构造函数注入 InvocationHandler
    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 List findUserList() throws  {
        try {
            return (List)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);
        }
    }

    public final void addUser() throws  {
        try {
            super.h.invoke(this, m4, (Object[])null);
        } catch (RuntimeException | Error var2) {
            throw var2;
        } catch (Throwable var3) {
            throw new UndeclaredThrowableException(var3);
        }
    }

    static {
        try {
            // 初始化 methods, 2个IUserService接口中的方法，3个Object中的接口
            m1 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("equals", Class.forName("java.lang.Object"));
            m3 = Class.forName("tech.pdai.springframework.service.IUserService").getMethod("findUserList");
            m2 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("toString");
            m0 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("hashCode");
            m4 = Class.forName("tech.pdai.springframework.service.IUserService").getMethod("addUser");
        } catch (NoSuchMethodException var2) {
            throw new NoSuchMethodError(var2.getMessage());
        } catch (ClassNotFoundException var3) {
            throw new NoClassDefFoundError(var3.getMessage());
        }
    }
}

上述代码是比较容易理解的，我就不画图了。

主要流程是：

ProxyGenerator创建Proxy的具体类$Proxy0
由static初始化块初始化接口方法：2个IUserService接口中的方法，3个Object中的接口方法
由构造函数注入InvocationHandler
执行的时候，通过ProxyGenerator创建的Proxy，调用InvocationHandler的invoke方法，执行我们自定义的invoke方法

5. SpringAOP中JDK代理的实现

SpringAOP扮演的是JDK代理的创建和调用两个角色，我们通过这两个方向来看下SpringAOP的代码（JdkDynamicAopProxy类）

5.1 SpringAOP Jdk代理的创建

代理的创建比较简单，调用getProxy方法，然后直接调用JDK中Proxy.newProxyInstance()方法将classloader和被代理的接口方法传入即可。

@Override
public Object getProxy() {
    return getProxy(ClassUtils.getDefaultClassLoader());
}

@Override
public Object getProxy(@Nullable ClassLoader classLoader) {
    if (logger.isTraceEnabled()) {
        logger.trace("Creating JDK dynamic proxy: " + this.advised.getTargetSource());
    }
    return Proxy.newProxyInstance(classLoader, this.proxiedInterfaces, this);
}

5.2 SpringAOP Jdk代理的执行

执行的方法如下：

/**
    * Implementation of {@code InvocationHandler.invoke}.
    * <p>Callers will see exactly the exception thrown by the target,
    * unless a hook method throws an exception.
    */
@Override
@Nullable
public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
    Object oldProxy = null;
    boolean setProxyContext = false;

    TargetSource targetSource = this.advised.targetSource;
    Object target = null;

    try {
        // 执行的是equal方法
        if (!this.equalsDefined && AopUtils.isEqualsMethod(method)) {
            // The target does not implement the equals(Object) method itself.
            return equals(args[0]);
        }
        // 执行的是hashcode方法
        else if (!this.hashCodeDefined && AopUtils.isHashCodeMethod(method)) {
            // The target does not implement the hashCode() method itself.
            return hashCode();
        }
        // 如果是包装类，则dispatch to proxy config
        else if (method.getDeclaringClass() == DecoratingProxy.class) {
            // There is only getDecoratedClass() declared -> dispatch to proxy config.
            return AopProxyUtils.ultimateTargetClass(this.advised);
        }
        // 用反射方式来执行切点
        else if (!this.advised.opaque && method.getDeclaringClass().isInterface() &&
                method.getDeclaringClass().isAssignableFrom(Advised.class)) {
            // Service invocations on ProxyConfig with the proxy config...
            return AopUtils.invokeJoinpointUsingReflection(this.advised, method, args);
        }

        Object retVal;

        if (this.advised.exposeProxy) {
            // Make invocation available if necessary.
            oldProxy = AopContext.setCurrentProxy(proxy);
            setProxyContext = true;
        }

        // Get as late as possible to minimize the time we "own" the target,
        // in case it comes from a pool.
        target = targetSource.getTarget();
        Class<?> targetClass = (target != null ? target.getClass() : null);

        // 获取拦截链
        List<Object> chain = this.advised.getInterceptorsAndDynamicInterceptionAdvice(method, targetClass);

        // Check whether we have any advice. If we don't, we can fallback on direct
        // reflective invocation of the target, and avoid creating a MethodInvocation.
        if (chain.isEmpty()) {
            // We can skip creating a MethodInvocation: just invoke the target directly
            // Note that the final invoker must be an InvokerInterceptor so we know it does
            // nothing but a reflective operation on the target, and no hot swapping or fancy proxying.
            Object[] argsToUse = AopProxyUtils.adaptArgumentsIfNecessary(method, args);
            retVal = AopUtils.invokeJoinpointUsingReflection(target, method, argsToUse);
        }
        else {
            // We need to create a method invocation...
            MethodInvocation invocation =
                    new ReflectiveMethodInvocation(proxy, target, method, args, targetClass, chain);
            // Proceed to the joinpoint through the interceptor chain.
            retVal = invocation.proceed();
        }

        // Massage return value if necessary.
        Class<?> returnType = method.getReturnType();
        if (retVal != null && retVal == target &&
                returnType != Object.class && returnType.isInstance(proxy) &&
                !RawTargetAccess.class.isAssignableFrom(method.getDeclaringClass())) {
            // Special case: it returned "this" and the return type of the method
            // is type-compatible. Note that we can't help if the target sets
            // a reference to itself in another returned object.
            retVal = proxy;
        }
        else if (retVal == null && returnType != Void.TYPE && returnType.isPrimitive()) {
            throw new AopInvocationException(
                    "Null return value from advice does not match primitive return type for: " + method);
        }
        return retVal;
    }
    finally {
        if (target != null && !targetSource.isStatic()) {
            // Must have come from TargetSource.
            targetSource.releaseTarget(target);
        }
        if (setProxyContext) {
            // Restore old proxy.
            AopContext.setCurrentProxy(oldProxy);
        }
    }
}

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Spring进阶 - Spring AOP实现原理详解之JDK代理实现

# Spring进阶 - Spring AOP实现原理详解之JDK代理实现

# 1. 引入

# 1.1 什么是JDK代理?

# 2. JDK动态代理

# 2.1 实现原理

# 2.2 优点

# 2.3 缺点

# 3. JDK代理的案例

# 3.1 不需要maven依赖

# 3.2 定义实体

# 3.3 被代理的类和接口

# 3.4 JDK代理类

# 3.5 使用代理

# 4. JDK代理的流程

# 4.1 ProxyGenerator生成代码

# 4.2 从生成的Proxy代码看执行流程

# 5. SpringAOP中JDK代理的实现

# 5.1 SpringAOP Jdk代理的创建

# 5.2 SpringAOP Jdk代理的执行

# 参考文章

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Spring进阶 - Spring AOP实现原理详解之JDK代理实现

1. 引入

1.1 什么是JDK代理?

2. JDK动态代理

2.1 实现原理

2.2 优点

2.3 缺点

3. JDK代理的案例

3.1 不需要maven依赖

3.2 定义实体

3.3 被代理的类和接口

3.4 JDK代理类

3.5 使用代理

4. JDK代理的流程

4.1 ProxyGenerator生成代码

4.2 从生成的Proxy代码看执行流程

5. SpringAOP中JDK代理的实现

5.1 SpringAOP Jdk代理的创建

5.2 SpringAOP Jdk代理的执行

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