Java 动态代理机制分析及扩展
2017-05-09 17:18
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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
清单 2. InvocationHandler 的核心方法
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:通过实现 InvocationHandler 接口创建自己的调用处理器;
通过为 Proxy 类指定 ClassLoader 对象和一组 interface 来创建动态代理类;
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;
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
清单 4. 简化的动态代理对象创建过程
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
清单 6. Proxy 构造方法
清单 7. Proxy 静态方法 newProxyInstance
对这组接口进行一定程度的安全检查,包括检查接口类对象是否对类装载器可见并且与类装载器所能识别的接口类对象是完全相同的,还会检查确保是 interface 类型而不是 class 类型。这个步骤通过一个循环来完成,检查通过后将会得到一个包含所有接口名称的字符串数组,记为
String[] interfaceNames。总体上这部分实现比较直观,所以略去大部分代码,仅保留留如何判断某类或接口是否对特定类装载器可见的相关代码。
清单 8. 通过 Class.forName 方法判接口的可见性
清单 9. 缓存表的使用
清单 10. 动态生成代理类
代码生成过程进入结尾部分,根据结果更新缓存表,如果成功则将代理类的类对象引用更新进缓存表,否则清楚缓存表中对应关键值,最后唤醒所有可能的正在等待的线程。
走完了以上四个步骤后,至此,所有的代理类生成细节都已介绍完毕,剩下的静态方法如 getInvocationHandler 和 isProxyClass 就显得如此的直观,只需通过查询相关变量就可以完成,所以对其的代码分析就省略了。
代理类实现推演
分析了 Proxy 类的源代码,相信在读者的脑海中会对 Java 动态代理机制形成一个更加清晰的理解,但是,当探索之旅在 sun.misc.ProxyGenerator 类处嘎然而止,所有的神秘都汇聚于此时,相信不少读者也会对这个 ProxyGenerator 类产生有类似的疑惑:它到底做了什么呢?它是如何生成动态代理类的代码的呢?诚然,这里也无法给出确切的答案。还是让我们带着这些疑惑,一起开始探索之旅吧。事物往往不像其看起来的复杂,需要的是我们能够化繁为简,这样也许就能有更多拨云见日的机会。抛开所有想象中的未知而复杂的神秘因素,如果让我们用最简单的方法去实现一个代理类,唯一的要求是同样结合调用处理器实施方法的分派转发,您的第一反应将是什么呢?“听起来似乎并不是很复杂”。的确,掐指算算所涉及的工作无非包括几个反射调用,以及对原始类型数据的装箱或拆箱过程,其他的似乎都已经水到渠成。非常地好,让我们整理一下思绪,一起来完成一次完整的推演过程吧。
清单 11. 代理类中方法调用的分派转发推演实现
接下来让我们把注意力重新回到先前被淡化的错误处理上来。在异常处理 1 处,由于我们有理由确保所有的信息如接口名、方法名和参数类型都准确无误,所以这部分异常发生的概率基本为零,所以基本可以忽略。而异常处理 2 处,我们需要思考得更多一些。回想一下,接口方法可能声明支持一个异常列表,而调用处理器 invoke 方法又可能抛出与接口方法不支持的异常,再回想一下先前提及的 Java 动态代理的关于异常处理的特点,对于不支持的异常,必须抛 UndeclaredThrowableException 运行时异常。所以通过再次推演,我们可以得出一个更加清晰的异常处理
2 的情况:
清单 12. 细化的异常处理 2
美中不足
诚然,Proxy 已经设计得非常优美,但是还是有一点点小小的遗憾之处,那就是它始终无法摆脱仅支持 interface 代理的桎梏,因为它的设计注定了这个遗憾。回想一下那些动态生成的代理类的继承关系图,它们已经注定有一个共同的父类叫 Proxy。Java 的继承机制注定了这些动态代理类们无法实现对 class 的动态代理,原因是多继承在 Java 中本质上就行不通。有很多条理由,人们可以否定对 class 代理的必要性,但是同样有一些理由,相信支持 class 动态代理会更美好。接口和类的划分,本就不是很明显,只是到了 Java 中才变得如此的细化。如果只从方法的声明及是否被定义来考量,有一种两者的混合体,它的名字叫抽象类。实现对抽象类的动态代理,相信也有其内在的价值。此外,还有一些历史遗留的类,它们将因为没有实现任何接口而从此与动态代理永世无缘。如此种种,不得不说是一个小小的遗憾。
但是,不完美并不等于不伟大,伟大是一种本质,Java 动态代理就是佐例。
相关主题
“Dynamic Proxy Classes”:查看 Java动态代理的相关文档。
“Introduction to Java Exception Handling”:介绍了如何处理
Java 异常。
“Java 理论与实践: 用动态代理进行修饰”(developerWorks,2005
年 9 月):动态代理工具 是 java.lang.reflect 包的一部分,在 JDK 1.3 版本中添加到 JDK,它允许程序创建 代理对象。本文中,作者介绍了几个用于动态代理的应用程序。
“利用动态代理的 Java 验证”(developerWorks,2004
年 9 月):本文向您展示动态代理如何让核心应用程序代码独立于验证例程,而只关注业务逻辑。
developerWorks Java 技术专区:数百篇关于 Java 编程各个方面的文章。
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