Java动态代理机制分析及扩展

Java动态代理机制分析及扩展引言Java动态代理机制的出现，使得Java开发人员不用手工编写代理类，只要简单地指定一组接口及委托类对象，便能动态地获得代理类。代理类会负责将所有的方法调用分派到委托对象上反射执行，在分派执行的过程中，开发人员还可以按需调整委托类对象及其功能，这是一套非常灵活有弹性的代理框架。通过阅读本文，读者将会对Java动态代理机制有更加深入的理解。本文首先从Java动态代理的运行机制和特点出发，对其代码进行了分析，推演了动态生成类的内部实现。代理：设计模式代理是一种常用的设计模式，其目的就是为其他对象提供一个代理以控制对某个对象的访问。代理类负责为委托类预处理消息，过滤消息并转发消息，以及进行消息被委托类执行后的后续处理。图1.代理模式为了保持行为的一致性，代理类和委托类通常会实现相同的接口，所以在访问者看来两者没有丝毫的区别。通过代理类这中间一层，能有效控制对委托类对象的直接访问，也可以很好地隐藏和保护委托类对象，同时也为实施不同控制策略预留了空间，从而在设计上获得了更大的灵活性。Java动态代理机制以巧妙的方式近乎完美地实践了代理模式的设计理念。相关的类和接口要了解Java动态代理的机制，首先需要了解以下相关的类或接口：java.lang.reflect.Proxy：这是Java动态代理机制的主类，它提供了一组静态方法来为一组接口动态地生成代理类及其对象。清单1.Proxy的静态方法1.//方法1:该方法用于获取指定代理对象所关联的调用处理器2.staticInvocationHandlergetInvocationHandler(Objectproxy)3.4.//方法2：该方法用于获取关联于指定类装载器和一组接口的动态代理类的类对象5.staticClassgetProxyClass(ClassLoaderloader,Class[]interfaces)6.7.//方法3：该方法用于判断指定类对象是否是一个动态代理类8.staticbooleanisProxyClass(Classcl)9.10.//方法4：该方法用于为指定类装载器、一组接口及调用处理器生成动态代理类实例11.staticObjectnewProxyInstance(ClassLoaderloader,Class[]interfaces,12.InvocationHandlerh)java.lang.reflect.InvocationHandler：这是调用处理器接口，它自定义了一个invoke方法，用于集中处理在动态代理类对象上的方法调用，通常在该方法中实现对委托类的代理访问。清单2.InvocationHandler的核心方法1.//该方法负责集中处理动态代理类上的所有方法调用。第一个参数既是代理类实例，第二个参数是被调用的方法对象2.//第三个方法是调用参数。调用处理器根据这三个参数进行预处理或分派到委托类实例上发射执行3.Objectinvoke(Objectproxy,Methodmethod,Object[]args)每次生成动态代理类对象时都需要指定一个实现了该接口的调用处理器对象（参见Proxy静态方法4的第三个参数）。java.lang.ClassLoader：这是类装载器类，负责将类的字节码装载到Java虚拟机（JVM）中并为其定义类对象，然后该类才能被使用。Proxy静态方法生成动态代理类同样需要通过类装载器来进行装载才能使用，它与普通类的唯一区别就是其字节码是由JVM在运行时动态生成的而非预存在于任何一个.class文件中。每次生成动态代理类对象时都需要指定一个类装载器对象（参见Proxy静态方法4的第一个参数）代理机制及其特点首先让我们来了解一下如何使用Java动态代理。具体有如下四步骤：1.通过实现InvocationHandler接口创建自己的调用处理器；2.通过为Proxy类指定ClassLoader对象和一组interface来创建动态代理类；3.通过反射机制获得动态代理类的构造函数，其唯一参数类型是调用处理器接口类型；4.通过构造函数创建动态代理类实例，构造时调用处理器对象作为参数被传入。清单3.动态代理对象创建过程1.//InvocationHandlerImpl实现了InvocationHandler接口，并能实现方法调用从代理类到委托类的分派转发2.//其内部通常包含指向委托类实例的引用，用于真正执行分派转发过来的方法调用3.InvocationHandlerhandler=newInvocationHandlerImpl(..);4.5.//通过Proxy为包括Interface接口在内的一组接口动态创建代理类的类对象6.Classclazz=Proxy.getProxyClass(classLoader,newClass[]{Interface.class,...});7.8.//通过反射从生成的类对象获得构造函数对象9.Constructorconstructor=clazz.getConstructor(newClass[]{InvocationHandler.class});10.11.//通过构造函数对象创建动态代理类实例12.InterfaceProxy=(Interface)constructor.newInstance(newObject[]{handler});实际使用过程更加简单，因为Proxy的静态方法newProxyInstance已经为我们封装了步骤2到步骤4的过程，所以简化后的过程如下清单4.简化的动态代理对象创建过程1.//InvocationHandlerImpl实现了InvocationHandler接口，并能实现方法调用从代理类到委托类的分派转发2.InvocationHandlerhandler=newInvocationHandlerImpl(..);3.4.//通过Proxy直接创建动态代理类实例5.Interfaceproxy=(Interface)Proxy.newProxyInstance(classLoader,6.newClass[]{Interface.class},7.handler);接下来让我们来了解一下Java动态代理机制的一些特点。首先是动态生成的代理类本身的一些特点。1）包：如果所代理的接口都是public的，那么它将被定义在顶层包（即包路径为空），如果所代理的接口中有非public的接口（因为接口不能被定义为protect或private，所以除public之外就是默认的package访问级别），那么它将被定义在该接口所在包（假设代理了com.ibm.developerworks包中的某非public接口A，那么新生成的代理类所在的包就是com.ibm.developerworks），这样设计的目的是为了最大程度的保证动态代理类不会因为包管理的问题而无法被成功定义并访问；2）类修饰符：该代理类具有final和public修饰符，意味着它可以被所有的类访问，但是不能被再度继承；3）类名：格式是“$ProxyN”，其中N是一个逐一递增的阿拉伯数字，代表Proxy类第N次生成的动态代理类，值得注意的一点是，并不是每次调用Proxy的静态方法创建动态代理类都会使得N值增加，原因是如果对同一组接口（包括接口排列的顺序相同）试图重复创建动态代理类，它会很聪明地返回先前已经创建好的代理类的类对象，而不会再尝试去创建一个全新的代理类，这样可以节省不必要的代码重复生成，提高了代理类的创建效率。4）类继承关系：该类的继承关系如图：图2.动态代理类的继承图由图可见，Proxy类是它的父类，这个规则适用于所有由Proxy创建的动态代理类。而且该类还实现了其所代理的一组接口，这就是为什么它能够被安全地类型转换到其所代理的某接口的根本原因。接下来让我们了解一下代理类实例的一些特点。每个实例都会关联一个调用处理器对象，可以通过Proxy提供的静态方法getInvocationHandler去获得代理类实例的调用处理器对象。在代理类实例上调用其代理的接口中所声明的方法时，这些方法最终都会由调用处理器的invoke方法执行，此外，值得注意的是，代理类的根类java.lang.Object中有三个方法也同样会被分派到调用处理器的invoke方法执行，它们是hashCode，equals和toString，可能的原因有：一是因为这些方法为public且非final类型，能够被代理类覆盖；二是因为这些方法往往呈现出一个类的某种特征属性，具有一定的区分度，所以为了保证代理类与委托类对外的一致性，这三个方法也应该被分派到委托类执行。当代理的一组接口有重复声明的方法且该方法被调用时，代理类总是从排在最前面的接口中获取方法对象并分派给调用处理器，而无论代理类实例是否正在以该接口（或继承于该接口的某子接口）的形式被外部引用，因为在代理类内部无法区分其当前的被引用类型。接着来了解一下被代理的一组接口有哪些特点。首先，要注意不能有重复的接口，以避免动态代理类代码生成时的编译错误。其次，这些接口对于类装载器必须可见，否则类装载器将无法链接它们，将会导致类定义失败。再次，需被代理的所有非public的接口必须在同一个包中，否则代理类生成也会失败。最后，接口的数目不能超过65535，这是JVM设定的限制。最后再来了解一下异常处理方面的特点。从调用处理器接口声明的方法中可以看到理论上它能够抛出任何类型的异常，因为所有的异常都继承于Throwable接口，但事实是否如此呢？答案是否定的，原因是我们必须遵守一个继承原则：即子类覆盖父类或实现父接口的方法时，抛出的异常必须在原方法支持的异常列表之内。所以虽然调用处理器理论上讲能够，但实际上往往受限制，除非父接口中的方法支持抛Throwable异常。那么如果在invoke方法中的确产生了接口方法声明中不支持的异常，那将如何呢？放心，Java动态代理类已经为我们设计好了解决方法：它将会抛出UndeclaredThrowableException异常。这个异常是一个RuntimeException类型，所以不会引起编译错误。通过该异常的getCause方法，还可以获得原来那个不受支持的异常对象，以便于错误诊断。代码是最好的老师机制和特点都介绍过了，接下来让我们通过源代码来了解一下Proxy到底是如何实现的。首先记住Proxy的几个重要的静态变量：清单5.Proxy的重要静态变量1.//映射表：用于维护类装载器对象到其对应的代理类缓存2.privatestaticMaploaderToCache=newWeakHashMap();3.4.//标记：用于标记一个动态代理类正在被创建中5.privatestaticObjectpendingGenerationMarker=newObject();6.7.//同步表：记录已经被创建的动态代理类类型，主要被方法isProxyClass进行相关的判断8.privatestaticMapproxyClasses=Collections.synchronizedMap(newWeakHashMap());9.10.//关联的调用处理器引用11.protectedInvocationHandlerh;然后，来看一下Proxy的构造方法：清单6.Proxy构造方法1.//由于Proxy内部从不直接调用构造函数，所以private类型意味着禁止任何调用2.privateProxy(){}3.4.//由于Proxy内部从不直接调用构造函数，所以protected意味着只有子类可以调用5.protectedProxy(InvocationHandlerh){this.h=h;}接着，可以快速浏览一下newProxyInstance方法，因为其相当简单：清单7.Proxy静态方法newProxyInstance1.publicstaticObjectnewProxyInstance(Class