设计模式之代理，手动实现动态代理，揭秘原理实现
开心一刻
周末，带着老婆儿子一起逛公园。儿子一个人跑在前面，吧唧一下不小心摔了一跤，脑袋瓜子摔了个包，稀里哗啦的哭道：“爸爸，我会不会摔成傻子！”
我指了指我头上的伤痕安慰道：“不会的，你看，这是爸爸小时候摔的。”
话还没有说话，小家伙哭的更厉害了：“那就是说我长大后就会和你一样傻了，我不要，我不要！”
老婆忍不住发飙：“别哭了，你怎么会变傻呢？你看你爸，你爸傻吗？”
我赶紧回应道：“是啊，你看我多聪明！”
儿子：“真的，不骗我？”
老婆：“当然！”
儿子：“可是如果老爸不是傻子，当年怎么会娶你这个母老虎呢？”
我、老婆：……
什么是代理模式
所谓代理，就是一个人或者一个机构代表另一个人或者另一个机构采取行动。在一些情况下，一个客户不想或者不能直接引用一个对象，而代理对象可以在客户端和目标对象之间起到中介的左右。
代理模式：给某一个对象提供一个代理或占位符，并由代理对象来控制对原对象的访问，通过代理对象访问目标对象，这样可以在不修改原目标对象的前提下，提供额外的功能操作，扩展目标对象的功能。说简单点，代理模式就是设置一个中间代理来控制访问原目标对象，以达到增强原对象的功能和简化访问方式。一般而言会分三种：静态代理、动态代理和CGLIB代理
代理模式结构如下：
静态代理
静态代理需要代理对象和被代理对象实现一样的接口，我们来看个例子就清楚了
示例代理：static-proxy
代理类：UserDaoProxy.java
/** * 代理逻辑在代理类中，而不是由用户自定义 */ public class UserDaoProxy implements IUserDao { private IUserDao target; // 被代理对象 public UserDaoProxy(IUserDao target) { this.target = target; } /** * 前置/后置 处理一旦写完，就固定死了，后续想修改的话需要改此代理类 * @param id * @return */ public int delete(int id) { // 前置处理，例如开启事务 System.out.println("前置处理..."); // 调用目标对象方法 int count = target.delete(id); // 后置处理，例如提交事务或事务回滚 System.out.println("前置处理..."); return count; } }
UserDaoProxy代理IUserDao类型，此时也只能代理IUserDao类型的被代理对象。测试结果就不展示了，相信大家看了代码也知道了
优点：可以在不修改目标对象的前提下扩展目标对象的功能
缺点：如果需要代理多个类，每个类都会有一个代理类，会导致代理类无限制扩展；如果类中有多个方法，同样的代理逻辑需要反复实现、应用到每个方法上，一旦接口增加方法，目标对象与代理对象都要进行修改
一个静态代理只能代理一个类，那么有没有什么方式可以实现同一个代理类来代理任意对象呢？肯定有的，也就是下面讲到的：动态代理
动态代理
代理类在程序运行时创建的代理方式被成为动态代理。 也就是说，这种情况下，代理类并不是在Java代码中定义的，而是在运行时根据我们在Java代码中的“指示”动态生成的。下面我们一步一步手动来实现动态代理。下面的示例都是直接针对接口的，就不是针对接口的具体实现类了，静态代理示例中，UserDaoProxy代理的是IUserDao的实现类：UserDaoImpl，那么动态代理示例就直接针对接口了，下面示例针对的都是UserMapper接口，模拟的mybatis，但不局限于UserMapper接口
代理类源代码持久化
1、先利用反射动态生成代理类，并持久化代理类到磁盘（也就是生成代理类的java源文件），generateJavaFile方法如下
/** * 生成接口实现类的源代码, 并持久化到java文件 * @param interface_ * @param proxyJavaFileDir * @throws Exception */ private static void generateJavaFile(Class<?> interface_, String proxyJavaFileDir) throws Exception { StringBuilder proxyJava = new StringBuilder(); proxyJava.append("package ").append(interface_.getPackage().getName()).append(";").append(ENTER).append(ENTER) .append("public class ").append(PROXY_CLASS_NAME).append(" implements ").append(interface_.getName()).append(" {"); Method[] methods = interface_.getMethods(); for(Method method : methods) { Type returnType = method.getGenericReturnType(); Type[] paramTypes = method.getGenericParameterTypes(); proxyJava.append(ENTER).append(ENTER).append(TAB_STR).append("@Override").append(ENTER) .append(TAB_STR).append("public ").append(returnType.getTypeName()).append(" ").append(method.getName()).append("("); for(int i=0; i<paramTypes.length; i++) { if (i != 0) { proxyJava.append(", "); } proxyJava.append(paramTypes[i].getTypeName()).append(" param").append(i); } proxyJava.append(") {").append(ENTER) .append(TAB_STR).append(TAB_STR) .append("System.out.println(\"数据库操作, 并获取执行结果...\");").append(ENTER); // 真正数据库操作，会有返回值，下面的return返回应该是此返回值 if (!"void".equals(returnType.getTypeName())) { proxyJava.append(TAB_STR).append(TAB_STR).append("return null;").append(ENTER); // 这里的"null"应该是上述中操作数据库后的返回值，为了演示写成了null } proxyJava.append(TAB_STR).append("}").append(ENTER); } proxyJava .append("}"); // 写入文件 File f = new File(proxyJavaFileDir + PROXY_CLASS_NAME + ".java"); FileWriter fw = new FileWriter(f); fw.write(proxyJava.toString()); fw.flush(); fw.close(); }
生成的代理类：$Proxy0.java 如下
package com.lee.mapper; public class $Proxy0 implements com.lee.mapper.UserMapper { @Override public java.lang.Integer save(com.lee.model.User param0) { System.out.println("数据库操作, 并获取执行结果..."); return null; } @Override public com.lee.model.User getUserById(java.lang.Integer param0) { System.out.println("数据库操作, 并获取执行结果..."); return null; } }
这个代理类的生成过程是我们自己实现的，实现不难，但排版太繁琐，我们可以用javapoet来生成代理类源代码，generateJavaFileByJavaPoet方法如下
/** * 用JavaPoet生成接口实现类的源代码,并持久化到java文件 * @param interface_ 目标接口类 * @return */ public static void generateJavaFileByJavaPoet(Class<?> interface_) throws Exception { // 类名、实现的接口，以及类访问限定符 TypeSpec.Builder typeSpecBuilder = TypeSpec.classBuilder("JavaPoet$Proxy0") .addSuperinterface(interface_) .addModifiers(Modifier.PUBLIC); Method[] methods = interface_.getDeclaredMethods(); for (Method method : methods) { // 方法参数列表 List<ParameterSpec> paramList = new ArrayList<>(); Type[] paramTypes = method.getGenericParameterTypes(); int count = 1 ; for (Type param : paramTypes) { ParameterSpec paramSpec = ParameterSpec.builder(Class.forName(param.getTypeName()), "param" + count) .build(); count ++; paramList.add(paramSpec); } // 方法名、方法访问限定符、参数列表、返回值、方法体等 Class<?> returnType = method.getReturnType(); MethodSpec.Builder builder = MethodSpec.methodBuilder(method.getName()) .addModifiers(Modifier.PUBLIC) .addParameters(paramList) .addAnnotation(Override.class) .returns(returnType) .addCode("\n") .addStatement("$T.out.println(\"数据库操作, 并获取执行结果...\")", System.class) // 真正数据库操作，会有返回值，下面的return返回应该是此返回值 .addCode("\n"); if (!"void".equals(returnType.getName())) { builder.addStatement("return null"); // 这里的"null"应该是上述中操作数据库后的返回值，为了演示写成了null } MethodSpec methodSpec = builder.build(); typeSpecBuilder.addMethod(methodSpec); } JavaFile javaFile = JavaFile.builder(interface_.getPackage().getName(), typeSpecBuilder.build()).build(); javaFile.writeTo(new File(SRC_JAVA_PATH)); }
生成的代理类：JavaPoet$Proxy0.java 如下
package com.lee.mapper; import com.lee.model.User; import java.lang.Integer; import java.lang.Override; import java.lang.System; public class JavaPoet$Proxy0 implements UserMapper { @Override public Integer save(User param1) { System.out.println("数据库操作, 并获取执行结果..."); return null; } @Override public User getUserById(Integer param1) { System.out.println("数据库操作, 并获取执行结果..."); return null; } }
利用javapoet生成的代理类更接*我们*时手动实现的类，排版更符合我们的编码习惯，看上去更自然一些；两者的实现过程是一样的，只是javapoet排版更好
2、既然代理类的源代码已经有了，那么需要对其编译了，compileJavaFile方法如下
/** * 编译代理类源代码生成代理类class * @param proxyJavaFileDir */ private static void compileJavaFile(String proxyJavaFileDir) throws Exception { JavaCompiler compiler = ToolProvider.getSystemJavaCompiler(); //获得文件管理者 StandardJavaFileManager manager = compiler.getStandardFileManager(null, null, null); Iterable<? extends JavaFileObject> fileObjects = manager.getJavaFileObjects(proxyJavaFileDir + PROXY_CLASS_NAME + ".java"); //编译任务 JavaCompiler.CompilationTask task = compiler.getTask(null, manager, null, null, null, fileObjects); //开始编译，执行完可在指定目录下看到.class文件 task.call(); //关闭文件管理者 manager.close(); }
会在指定目录下看到：$Proxy0.class
3、加载$Proxy0.class，并创建其实例对象（代理实例对象）
public static <T> T newInstance(Class<T> interface_) throws Exception{ String proxyJavaFileDir = SRC_JAVA_PATH + interface_.getPackage().getName().replace(".", File.separator) + File.separator; // 1、生成interface_接口的实现类，并持久化到磁盘：$Proxy0.java generateJavaFile(interface_, proxyJavaFileDir); // 2、编译$Proxy0.java，生成$Proxy0.class到磁盘 compileJavaFile(proxyJavaFileDir); // 3、加载$Proxy0.class，并创建其实例对象（代理实例对象） MyClassLoader loader = new MyClassLoader(proxyJavaFileDir, interface_); Class<?> $Proxy0 = loader.findClass(PROXY_CLASS_NAME); return (T)$Proxy0.newInstance(); } private static class MyClassLoader<T> extends ClassLoader { private String proxyJavaFileDir; private Class<T> interface_; public MyClassLoader(String proxyJavaFileDir, Class<T> interface_) { this.proxyJavaFileDir = proxyJavaFileDir; this.interface_ = interface_; } @Override protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { File clazzFile = new File(proxyJavaFileDir, name + ".class"); //如果字节码文件存在 if (clazzFile.exists()) { //把字节码文件加载到VM try { //文件流对接class文件 FileInputStream inputStream = new FileInputStream(clazzFile); ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream(); byte[] buffer = new byte[1024]; int len; while ((len = inputStream.read(buffer)) != -1) { baos.write(buffer, 0, len); // 将buffer中的内容读取到baos中的buffer } //将buffer中的字节读到内存加载为class return defineClass(interface_.getPackage().getName() + "." + name, baos.toByteArray(), 0, baos.size()); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } return super.findClass(name); } }
有了代理实例对象，我们就可以利用它进行操作了，演示结果如下
完整工程地址：proxy-java-file，完整流程图如下
此时的Proxy类能创建任何接口的实例，解决了静态代理存在的代理类泛滥、多个方法中代理逻辑反复实现的问题；但有个问题不知道大家注意到：$Proxy0.java有必要持久化到磁盘吗，我们能不能直接编译内存中的代理类的字符串源代码，得到$Proxy0.class呢？
代理类源代码不持久化
$Proxy0.java和$Proxy0.class是没必要生成到磁盘的，我们直接编译内存中的代理类的字符串源代码，同时直接在内存中加载$Proxy0.class，不用写、读磁盘，可以提升不少性能
完整工程地址：proxy-none-java-file，此时的流程图如下
Proxy.java源代码如下
package com.lee.proxy; import com.itranswarp.compiler.JavaStringCompiler; import java.lang.reflect.Method; import java.lang.reflect.Type; import java.util.Map; public class Proxy { private static final String ENTER = "\r\n"; private static final String TAB_STR = " "; private static final String PROXY_FILE_NAME = "$Proxy0"; /** * 生成接口实现类的源代码, 并持久化到java文件 * @param interface_ * @throws Exception */ private static String generateJavaFile(Class<?> interface_) throws Exception { StringBuilder proxyJava = new StringBuilder(); proxyJava.append("package ").append(interface_.getPackage().getName()).append(";").append(ENTER).append(ENTER) .append("public class ").append(PROXY_FILE_NAME).append(" implements ").append(interface_.getName()).append(" {"); Method[] methods = interface_.getMethods(); for(Method method : methods) { Type returnType = method.getGenericReturnType(); Type[] paramTypes = method.getGenericParameterTypes(); proxyJava.append(ENTER).append(ENTER).append(TAB_STR).append("@Override").append(ENTER) .append(TAB_STR).append("public ").append(returnType.getTypeName()).append(" ").append(method.getName()).append("("); for(int i=0; i<paramTypes.length; i++) { if (i != 0) { proxyJava.append(", "); } proxyJava.append(paramTypes[i].getTypeName()).append(" param").append(i); } proxyJava.append(") {").append(ENTER) .append(TAB_STR).append(TAB_STR) .append("System.out.println(\"数据库操作, 并获取执行结果...\");").append(ENTER); // 真正数据库操作，会有返回值，下面的return返回应该是此返回值 if (!"void".equals(returnType.getTypeName())) { proxyJava.append(TAB_STR).append(TAB_STR).append("return null;").append(ENTER); // 这里的"null"应该是上述中操作数据库后的返回值，为了演示写成了null } proxyJava.append(TAB_STR).append("}").append(ENTER); } proxyJava .append("}"); return proxyJava.toString(); } private final static Class<?> compile(String className, String content) throws Exception { JavaStringCompiler compiler = new JavaStringCompiler(); Map<String, byte[]> byteMap = compiler.compile(PROXY_FILE_NAME + ".java", content); Class<?> clazz = compiler.loadClass(className, byteMap); return clazz; } public static <T> T newInstance(Class<T> interface_) throws Exception{ // 1、生成源代码字符串 String proxyCodeStr = generateJavaFile(interface_); // 2、字符串编译成Class对象 Class<?> clz = compile(interface_.getPackage().getName() + "." + PROXY_FILE_NAME, proxyCodeStr); return (T)clz.newInstance(); } }
相比有代理类源代码持久化，核心的动态代理生成过程不变，只是减少了.java和.class文件的持久化；其中用到了第三方工具：com.itranswarp.compile（我们也可以拓展jdk，实现内存中操作），完成了字符串在内存中的编译、class在内存中的加载，直接用jdk的编译工具，会在磁盘生成$Proxy0.class
测试结果如下
可以看到，没有.java和.class的持久化
此时就完美了吗？如果现在有另外一个接口ISendMessage，代理逻辑不是
System.out.println("数据库操作, 并获取执行结果...")
我们该怎么办？ 针对ISendMessage又重新写一个Proxy？显然还不够灵活，说的简单点：此种代理可以代理任何接口，但是代理逻辑确是固定死的，不能自定义，这样会造成一种代理逻辑会有一个代理工厂（Proxy），会造成代理工厂的泛滥
代理逻辑接口化，供用户自定义
既然无代理类源代码持久化中的代理逻辑不能自定义，那么我们就将它抽出来，提供代理逻辑接口
完整工程地址：proxy-none-java-file-plus，流程图与无代理类源代码持久化中一样，此时代理类的生成过程复杂了不少，涉及到代理逻辑接口：InvacationHandler的处理
generateJavaFile(...)方法
/** * 生成接口实现类的源代码 * @param interface_ * @throws Exception */ private static String generateJavaFile(Class<?> interface_, InvocationHandler handler) throws Exception { StringBuilder proxyJava = new StringBuilder(); proxyJava.append("package ").append(PROXY_PACKAGE_NAME).append(";").append(ENTER).append(ENTER) .append("import java.lang.reflect.Method;").append(ENTER).append(ENTER) .append("public class ").append(PROXY_FILE_NAME).append(" implements ").append(interface_.getName()).append(" {").append(ENTER) .append(ENTER).append(TAB_STR).append("private InvocationHandler handler;").append(ENTER).append(ENTER); // 代理对象构造方法 proxyJava.append(TAB_STR).append("public ").append(PROXY_FILE_NAME).append("(InvocationHandler handler) {").append(ENTER) .append(TAB_STR).append(TAB_STR).append("this.handler = handler;").append(ENTER) .append(TAB_STR).append("}").append(ENTER); // 接口方法 Method[] methods = interface_.getMethods(); for(Method method : methods) { String returnTypeName = method.getGenericReturnType().getTypeName(); Type[] paramTypes = method.getGenericParameterTypes(); proxyJava.append(ENTER).append(TAB_STR).append("@Override").append(ENTER) .append(TAB_STR).append("public ").append(returnTypeName).append(" ").append(method.getName()).append("("); List<String> paramList = new ArrayList<>(); // 方法参数值 List<String> paramTypeList = new ArrayList<>(); // 方法参数类型 for(int i=0; i<paramTypes.length; i++) { if (i != 0) { proxyJava.append(", "); } String typeName = paramTypes[i].getTypeName(); proxyJava.append(typeName).append(" param").append(i); paramList.add("param" + i); paramTypeList.add(typeName+".class"); } proxyJava.append(") {").append(ENTER) .append(TAB_STR).append(TAB_STR).append("try {").append(ENTER) .append(TAB_STR).append(TAB_STR).append(TAB_STR) .append("Method method = ").append(interface_.getName()).append(".class.getDeclaredMethod(\"") .append(method.getName()).append("\",").append(String.join(",", paramTypeList)).append(");") .append(ENTER).append(TAB_STR).append(TAB_STR).append(TAB_STR); if (!"void".equals(returnTypeName)) { proxyJava.append("return (").append(returnTypeName).append(")"); } proxyJava.append("handler.invoke(this, method, new Object[]{") .append(String.join(",", paramList)).append("});").append(ENTER) .append(TAB_STR).append(TAB_STR).append("} catch(Exception e) {").append(ENTER) .append(TAB_STR).append(TAB_STR).append(TAB_STR).append("e.printStackTrace();").append(ENTER) .append(TAB_STR).append(TAB_STR).append("}").append(ENTER); if (!"void".equals(returnTypeName)) { proxyJava.append(TAB_STR).append(TAB_STR).append("return null;").append(ENTER); } proxyJava.append(TAB_STR).append("}").append(ENTER); } proxyJava .append("}"); // 这里可以将字符串生成java文件，看看源代码对不对 /*String proxyJavaFileDir = System.getProperty("user.dir") + File.separator + "proxy-none-java-file-plus" + String.join(File.separator, new String[]{"","src","main","java",""}) + PROXY_PACKAGE_NAME.replace(".", File.separator) + File.separator; File f = new File(proxyJavaFileDir + PROXY_FILE_NAME + ".java"); FileWriter fw = new FileWriter(f); fw.write(proxyJava.toString()); fw.flush(); fw.close();*/ return proxyJava.toString(); }
测试结果如下
此时各组件之间关系、调用情况如下
此时Proxy就可以完全通用了，可以生成任何接口的代理对象了，也可以实现任意的代理逻辑；至此，我们完成了一个简易的仿JDK实现的动态代理
JDK的动态代理
我们来看看JDK下动态代理的实现，示例工程：proxy-jdk，测试结果就不展示了，我们来看看JDK下Proxy.newInstance方法，有三个参数
1、Classloader：类加载器，我们可以使用自定义的类加载器；上述手动实现示例中，直接在Proxy写死了；
2、Class<?>[]：接口类数组，这个其实很容易理解，我们应该允许我们自己实现的代理类同时实现多个接口。我们上述手动实现中只传入一个接口，是为了简化实现；
3、InvocationHandler：这个没什么好说的，与我们的实现一致，用于自定义代理逻辑
我们来追下源码，看看JDK的动态代理是否与我们的手动实现是否一致
与我们的自定义实现差不多，利用反射，逐个接口、逐个方法进行处理；ProxyClassFactory负责生成代理类的Class对象，主要由apply方法负责，调用了
byte[] proxyClassFile = ProxyGenerator.generateProxyClass(proxyName, interfaces, accessFlags);
来生成代理类的Class；ProxyGenerator中有个是有静态常量：saveGeneratedFiles，标识是否持久化代理类的class文件，默认值是false，也就是不持久化，我们可以通过设置jdk系统参数，实现JDK的动态代理持久化代理类的class文件
CGLIB代理
对cglib不做深入研究了，只举个使用案例：proxy-cglib，使用方式与JDK的动态代理类似，实现的效果也基本一致，但是实现原理上还是有差别的
JDK的动态代理有一个限制，就是使用动态代理的对象必须实现一个或多个接口，而CGLIB没有这个限制，具体区别不是本文范畴了，大家自行去查阅资料
应用场景
长篇大论讲了那么多，我们却一直没有讲动态代理的作用，使用动态代理我们可以在不改变源码的情况下，对目标对象的目标方法进行前置或后置增强处理。这有点不太符合我们的一条线走到底的编程逻辑，这种编程模型有一个专业名称叫AOP，面向切面编程，具体案例有如下：
1、spring的事务，事务的开启可以作为前置增强，事务的提交或回滚作为后置增强，数据库的操作处在两者之间（目标对象需要完成的事）；
2、日志记录，我们可以在不改变原有实现的基础上，对目标对象进行日志的输出，可以前置处理，记录参数情况，也可以后置处理，记录返回的结果；
3、web编程，传入参数的校验；
4、web编程，权限的控制也可以用aop来实现；
只要明白了AOP，那么哪些场景能使用动态代理也就比较明了了
总结
1、示例代码中的Proxy是代理工厂，负责生产代理对象的，不是代理对象类
2、手动实现动态代理，我们分了三版
第一版：代理类源代码持久化，为了便于理解，我们将代理类的java文件和class文件持久化到了磁盘，此时解决了静态代理中代理类泛滥的问题，我们的代理类工厂(Proxy)能代理任何接口；
第二版：代理类源代码不持久化，代理类的java文件和和class文件本来就只是临时文件，将其去掉，不用读写磁盘，可以提高效率；但此时有个问题，我们的代理逻辑却写死了，也就说一个代理类工厂只能生产一种代理逻辑的代理类对象，如果我们有多种代理逻辑，那么就需要有多个代理类工厂，显然灵活性不够高，还有优化空间；
第三版：代理逻辑接口化，供用户自定义，此时代理类工厂就可以代理任何接口、任何代理逻辑了，反正代理逻辑是用户自定义传入，用户想怎么定义就怎么定义；
3、示例参考的是mybatis中mapper的生成过程，虽然只是简单的模拟，但流程却是一致的，有兴趣的可以看看我前两篇博客，结合起来看更好理解
参考
《java与模式》
