细说JDK动态代理的实现原理

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：

package com.mikan.proxy;

/**
* @author Mikan
* @date 2015-09-15 18:01
*/
public class HelloWorldImpl implements HelloWorld {
@Override
public void sayHello(String name) {
System.out.println("Hello " + name);
}
}

实现一个java.lang.reflect.InvocationHandler：

package com.mikan.proxy;

import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;

/**
* @author Mikan
* @date 2015-09-15 19:53
*/
public class CustomInvocationHandler implements InvocationHandler {
private Object target;

public CustomInvocationHandler(Object target) {
this.target = target;
}

@Override
public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
System.out.println("Before invocation");
Object retVal = method.invoke(target, args);
System.out.println("After invocation");
return retVal;
}
}

使用代理：

package com.mikan.proxy;

import java.lang.reflect.Proxy;

/**
* @author Mikan
* @date 2015-09-15 18:01
*/
public class ProxyTest {

public static void main(String[] args) throws Exception {
System.getProperties().put("sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles", "true");

CustomInvocationHandler handler = new CustomInvocationHandler(new HelloWorldImpl());
HelloWorld proxy = (HelloWorld) Proxy.newProxyInstance(
ProxyTest.class.getClassLoader(),
new Class[]{HelloWorld.class},
handler);
proxy.sayHello("Mikan");
}

}

运行的输出结果：

localhost:classes mikan$ java com/mikan/proxy/ProxyTest
Before invocation
Hello Mikan
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：

public static Object newProxyInstance(ClassLoader loader,
Class<?>[] interfaces,
InvocationHandler h)
throws IllegalArgumentException {
if (h == null) {
throw new NullPointerException();
}

final Class<?>[] intfs = interfaces.clone();
final SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
if (sm != null) {
checkProxyAccess(Reflection.getCallerClass(), loader, intfs);
}
// 这里是生成class的地方
Class<?> cl = getProxyClass0(loader, intfs);
// 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
try {
final Constructor<?> cons = cl.getConstructor(constructorParams);
final InvocationHandler ih = h;
if (sm != null && ProxyAccessHelper.needsNewInstanceCheck(cl)) {
return AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Object>() {
public Object run() {
return newInstance(cons, ih);
}
});
} else {
return newInstance(cons, ih);
}
} catch (NoSuchMethodException e) {
throw new InternalError(e.toString());
}
}

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：

private static Class<?> getProxyClass0(ClassLoader loader,
Class<?>... interfaces) {
// 代理的接口数量不能超过65535（没有这种变态吧）
if (interfaces.length > 65535) {
throw new IllegalArgumentException("interface limit exceeded");
}
// 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
return proxyClassCache.get(loader, interfaces);
}

其中代理缓存是使用WeakCache实现的，如下

private static final WeakCache<ClassLoader, Class<?>[], Class<?>>
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：

private static final class ProxyClassFactory
implements BiFunction<ClassLoader, Class<?>[], Class<?>> {
// 所有代理类名字的前缀
private static final String proxyClassNamePrefix = "$Proxy";

// 用于生成代理类名字的计数器
private static final AtomicLong nextUniqueNumber = new AtomicLong();

@Override
public Class<?> apply(ClassLoader loader, Class<?>[] interfaces) {
// 省略验证代理接口的代码……

String proxyPkg = null;     // 生成的代理类的包名
// 对于非公共接口，代理类的包名与接口的相同
for (Class<?> intf : interfaces) {
int flags = intf.getModifiers();
if (!Modifier.isPublic(flags)) {
String name = intf.getName();
int n = name.lastIndexOf('.');
String pkg = ((n == -1) ? "" : name.substring(0, n + 1));
if (proxyPkg == null) {
proxyPkg = pkg;
} else if (!pkg.equals(proxyPkg)) {
throw new IllegalArgumentException(
"non-public interfaces from different packages");
}
}
}

// 对于公共接口的包名，默认为com.sun.proxy
if (proxyPkg == null) {
proxyPkg = ReflectUtil.PROXY_PACKAGE + ".";
}

// 获取计数
long num = nextUniqueNumber.getAndIncrement();
// 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
String proxyName = proxyPkg + proxyClassNamePrefix + num;

// 这里才是真正的生成代理类的字节码的地方
byte[] proxyClassFile = ProxyGenerator.generateProxyClass(
proxyName, interfaces);
try {
// 根据二进制字节码返回相应的Class实例
return defineClass0(loader, proxyName,
proxyClassFile, 0, proxyClassFile.length);
} catch (ClassFormatError e) {
throw new IllegalArgumentException(e.toString());
}
}
}

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：

public static byte[] generateProxyClass(final String var0, Class[] var1) {
ProxyGenerator var2 = new ProxyGenerator(var0, var1);
final byte[] var3 = var2.generateClassFile();
// 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
if(saveGeneratedFiles) {
AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction() {
public Void run() {
try {
FileOutputStream var1 = new FileOutputStream(ProxyGenerator.dotToSlash(var0) + ".class");
var1.write(var3);
var1.close();
return null;
} catch (IOException var2) {
throw new InternalError("I/O exception saving generated file: " + var2);
}
}
});
}
return var3;
}

saveGeneratedFiles这个属性的值从哪里来呢：

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：

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)
at sun.misc.ProxyGenerator$1.run(ProxyGenerator.java:336)
at sun.misc.ProxyGenerator$1.run(ProxyGenerator.java:327)
at java.security.AccessController.doPrivileged(Native Method)
at sun.misc.ProxyGenerator.generateProxyClass(ProxyGenerator.java:326)
at java.lang.reflect.Proxy$ProxyClassFactory.apply(Proxy.java:672)
at java.lang.reflect.Proxy$ProxyClassFactory.apply(Proxy.java:592)
at java.lang.reflect.WeakCache$Factory.get(WeakCache.java:244)
at java.lang.reflect.WeakCache.get(WeakCache.java:141)
at java.lang.reflect.Proxy.getProxyClass0(Proxy.java:455)
at java.lang.reflect.Proxy.newProxyInstance(Proxy.java:738)
at com.mikan.proxy.ProxyTest.main(ProxyTest.java:15)
at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)
at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:57)
at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:606)
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：

package com.sun.proxy;

import com.mikan.proxy.HelloWorld;
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 HelloWorld {
private static Method m1;
private static Method m3;
private static Method m0;
private static Method m2;

public $Proxy0(InvocationHandler paramInvocationHandler) {
super(paramInvocationHandler);
}

public final boolean equals(Object paramObject) {
try {
return ((Boolean)this.h.invoke(this, m1, new Object[] { paramObject })).booleanValue();
}
catch (Error|RuntimeException localError) {
throw localError;
}
catch (Throwable localThrowable) {
throw new UndeclaredThrowableException(localThrowable);
}
}

public final void sayHello(String paramString) {
try {
this.h.invoke(this, m3, new Object[] { paramString });
return;
}
catch (Error|RuntimeException localError) {
throw localError;
}
catch (Throwable localThrowable) {
throw new UndeclaredThrowableException(localThrowable);
}
}

public final int hashCode() {
try {
return ((Integer)this.h.invoke(this, m0, null)).intValue();
}
catch (Error|RuntimeException localError) {
throw localError;
}
catch (Throwable localThrowable) {
throw new UndeclaredThrowableException(localThrowable);
}
}

public final String toString() {
try {
return (String)this.h.invoke(this, m2, null);
}
catch (Error|RuntimeException localError) {
throw localError;
}
catch (Throwable localThrowable) {
throw new UndeclaredThrowableException(localThrowable);
}
}

static {
try {
m1 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("equals", new Class[] { Class.forName("java.lang.Object") });
m3 = Class.forName("com.mikan.proxy.HelloWorld").getMethod("sayHello", new Class[] { Class.forName("java.lang.String") });
m0 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("hashCode", new Class[0]);
m2 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("toString", new Class[0]);
return;
}
catch (NoSuchMethodException localNoSuchMethodException) {
throw new NoSuchMethodError(localNoSuchMethodException.getMessage());
}
catch (ClassNotFoundException localClassNotFoundException) {
throw new NoClassDefFoundError(localClassNotFoundException.getMessage());
}
}
}

可以看到，动态生成的代理类有如下特性：

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。
提供了一个使用InvocationHandler作为参数的构造方法。
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。
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。
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：

public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
// BeforeAdvice
Object retVal = null;
try {
// AroundAdvice
retVal = method.invoke(target, args);
// AroundAdvice
// AfterReturningAdvice
}
catch (Throwable e) {
// AfterThrowingAdvice
}
finally {
// AfterAdvice
}
return retVal;
}

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。