设计模式6---代理模式（Proxy Pattern）

代理设计模式

定义：为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。

1.  静态代理

静态代理在使用时，需要定义接口或者父类，被代理对象与代理对象都实现相同的接口或者是继承相同父类。

接口:IUserDao.java

/**
 * 接口
 */
public interface IUserDao {

    void save();
}

目标对象:UserDao.java

/**
 * 目标对象(接口的实现类)
 */
public class UserDao implements IUserDao {
    public void save() {
        System.out.println("----已经保存数据!----");
    }
}

代理对象:UserDaoProxy.java

/**
 * 代理对象,静态代理
 */
public class UserDaoProxy implements IUserDao{
    //接收保存目标对象
    private IUserDao target;
    public UserDaoProxy(IUserDao target){
        this.target=target;
    }

    public void save() {
        System.out.println("开始事务...");
        target.save();//执行目标对象的方法
        System.out.println("提交事务...");
    }
}

测试类:Test.java

/**
 * 测试类
 */
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        //目标对象
        UserDao target = new UserDao();

        //代理对象,把目标对象传给代理对象,建立代理关系
        UserDaoProxy proxy = new UserDaoProxy(target);

        proxy.save();//执行代理方法
    }

}

静态代理总结:
　　1.可以做到在不修改目标对象的功能前提下，对目标功能扩展.
　　2.缺点：因为代理对象需要与目标对象实现一样的接口， 所以会有很多代理类，类太多。同时，一旦接口增加方法，目标对象与代理对象都要维护。

如何解决静态代理中的缺点，那就是动态代理方式。

2. 动态代理使用

Java动态代理机制以巧妙的方式实现了代理模式的设计理念。 先看一下动态代理的使用：

package dynamic.proxy;   

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

/**
 * 实现自己的InvocationHandler
 *
 */
public class MInvocationHandler implements InvocationHandler {  

    // 目标对象
    private Object target;  

    /**
     * 构造方法
     * @param target 目标对象
     */
    public MInvocationHandler(Object target) {
        super();
        this.target = target;
    }  

    /**
     * 执行目标对象的方法
     */
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {  

        // 在目标对象的方法执行之前简单的打印一下
        System.out.println("------------------before------------------");  

        // 执行目标对象的方法
        Object result = method.invoke(target, args);  

        // 在目标对象的方法执行之后简单的打印一下
        System.out.println("-------------------after------------------");  

        return result;
    }  

    /**
     * 获取目标对象的代理对象
     * @return 代理对象
     */
    public Object getProxy() {
        return Proxy.newProxyInstance(Thread.currentThread().getContextClassLoader(),
                target.getClass().getInterfaces(), this);
    }
}  

package dynamic.proxy;  

/**
 * 目标对象实现的接口，用JDK来生成代理对象一定要实现一个接口
 *
 */
public interface UserService {
    /**
     * 目标方法
     */
    public abstract void add();  

}  

package dynamic.proxy;   

/**
 * 目标对象
 *
 */
public class UserServiceImpl implements UserService {
    /* (non-Javadoc)
     * @see dynamic.proxy.UserService#add()
     */
    public void add() {
        System.out.println("----------add-----------");
    }
}  

package dynamic.proxy;
import org.junit.Test;  

/**
 * 动态代理测试类 */
public class ProxyTest {  

    @Test
    public void testProxy() throws Throwable {
        // 实例化目标对象
        UserService userService = new UserServiceImpl();  

        // 实例化InvocationHandler
        MInvocationHandler invocationHandler = new MInvocationHandler(userService);  

        // 根据目标对象生成代理对象
        UserService proxy = (UserService) invocationHandler.getProxy();  

        // 调用代理对象的方法
        proxy.add();  

    }
}  

执行结果如下：

------------------before------------------ 
--------------------add--------------- 
-------------------after------------------

用起来是很简单吧，其实这里基本上就是AOP的一个简单实现了，在目标对象的方法执行之前和执行之后进行了增强。

　　Spring的AOP实现其实也是用了Proxy和InvocationHandler这两个东西的。 使用比较简单，看一下JDK是怎样生成代理对象的，即Proxy类的静态方法newProxyInstance。

3、动态代理源码解析

　　

public static Class<?> getProxyClass(ClassLoader loader, Class<?>... interfaces)
    throws IllegalArgumentException
    {
    // 如果目标类实现的接口数大于65535个则抛出异常（我XX，谁会写这么NB的代码啊？）
    if (interfaces.length > 65535) {
        throw new IllegalArgumentException("interface limit exceeded");
    }  

    // 声明代理对象所代表的Class对象（有点拗口）
    Class proxyClass = null;  

    String[] interfaceNames = new String[interfaces.length];  

    Set interfaceSet = new HashSet();   // for detecting duplicates  

    // 遍历目标类所实现的接口
    for (int i = 0; i < interfaces.length; i++) {  

        // 拿到目标类实现的接口的名称
        String interfaceName = interfaces[i].getName();
        Class interfaceClass = null;
        try {
        // 加载目标类实现的接口到内存中
        interfaceClass = Class.forName(interfaceName, false, loader);
        } catch (ClassNotFoundException e) {
        }
        if (interfaceClass != interfaces[i]) {
        throw new IllegalArgumentException(
            interfaces[i] + " is not visible from class loader");
        }  

        // 中间省略了一些无关紧要的代码 .......  

        // 把目标类实现的接口代表的Class对象放到Set中
        interfaceSet.add(interfaceClass);  

        interfaceNames[i] = interfaceName;
    }  

    // 把目标类实现的接口名称作为缓存（Map）中的key
    Object key = Arrays.asList(interfaceNames);  

    Map cache;  

    synchronized (loaderToCache) {
        // 从缓存中获取cache
        cache = (Map) loaderToCache.get(loader);
        if (cache == null) {
        // 如果获取不到，则新建地个HashMap实例
        cache = new HashMap();
        // 把HashMap实例和当前加载器放到缓存中
        loaderToCache.put(loader, cache);
        }  

    }  

    synchronized (cache) {  

        do {
        // 根据接口的名称从缓存中获取对象
        Object value = cache.get(key);
        if (value instanceof Reference) {
            proxyClass = (Class) ((Reference) value).get();
        }
        if (proxyClass != null) {
            // 如果代理对象的Class实例已经存在，则直接返回
            return proxyClass;
        } else if (value == pendingGenerationMarker) {
            try {
            cache.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
            }
            continue;
        } else {
            cache.put(key, pendingGenerationMarker);
            break;
        }
        } while (true);
    }  

    try {
        // 中间省略了一些代码 .......  

        // 这里就是动态生成代理对象的最关键的地方
        byte[] proxyClassFile = ProxyGenerator.generateProxyClass(
            proxyName, interfaces);
        try {
            // 根据代理类的字节码生成代理类的实例
            proxyClass = defineClass0(loader, proxyName,
            proxyClassFile, 0, proxyClassFile.length);
        } catch (ClassFormatError e) {
            throw new IllegalArgumentException(e.toString());
        }
        }
        // add to set of all generated proxy classes, for isProxyClass
        proxyClasses.put(proxyClass, null);  

    }
    // 中间省略了一些代码 .......  

    return proxyClass;
    }  

进去ProxyGenerator类的静态方法generateProxyClass，这里是真正生成代理类class字节码的地方。

public static byte[] generateProxyClass(final String name, Class[] interfaces)
   {
       ProxyGenerator gen = new ProxyGenerator(name, interfaces);
    // 这里动态生成代理类的字节码，由于比较复杂就不进去看了
       final byte[] classFile = gen.generateClassFile();  

    // 如果saveGeneratedFiles的值为true，则会把所生成的代理类的字节码保存到硬盘上
       if (saveGeneratedFiles) {
           java.security.AccessController.doPrivileged(
           new java.security.PrivilegedAction<Void>() {
               public Void run() {
                   try {
                       FileOutputStream file =  new FileOutputStream(dotToSlash(name) + ".class");
                       file.write(classFile);
                       file.close();
                       return null;
                   } catch (IOException e) {
                       throw new InternalError(
                           "I/O exception saving generated file: " + e);
                   }
               }
           });
       }  

    // 返回代理类的字节码
       return classFile;
   }  

现在，JDK是怎样动态生成代理类的字节的原理已经一目了然了。

再来解决另外一个问题“由谁来调用InvocationHandler的invoke方法“。要解决这个问题就要看一下JDK到底为我们生成了一个什么东西。用以下代码可以获取到JDK为我们生成的字节码并写到硬盘中。

　　

 import dynamic.proxy.UserService;
 import java.lang.reflect.*;  

 public final class $Proxy11 extends Proxy implements UserService
 {  

     // 构造方法，参数就是刚才传过来的MyInvocationHandler类的实例
     public $Proxy11(InvocationHandler invocationhandler)
     {
         super(invocationhandler);
     }  

     public final boolean equals(Object obj)
     {
         try
         {
             return ((Boolean)super.h.invoke(this, m1, new Object[] {
                 obj
             })).booleanValue();
         }
         catch(Error _ex) { }
         catch(Throwable throwable)
         {
             throw new UndeclaredThrowableException(throwable);
         }
     }  

     /**
      * 这个方法是关键部分
      */
     public final void add()
     {
         try
         {
             // 实际上就是调用MyInvocationHandler的public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args)方法，第二个问题就解决了
             super.h.invoke(this, m3, null);
             return;
         }
         catch(Error _ex) { }
         catch(Throwable throwable)
         {
             throw new UndeclaredThrowableException(throwable);
         }
     }  

     public final int hashCode()
     {
         try
         {
             return ((Integer)super.h.invoke(this, m0, null)).intValue();
         }
         catch(Error _ex) { }
         catch(Throwable throwable)
         {
             throw new UndeclaredThrowableException(throwable);
         }
     }  

     public final String toString()
     {
         try
         {
             return (String)super.h.invoke(this, m2, null);
         }
         catch(Error _ex) { }
         catch(Throwable throwable)
         {
             throw new UndeclaredThrowableException(throwable);
         }
     }  

     private static Method m1;
     private static Method m3;
     private static Method m0;
     private static Method m2;  

     // 在静态代码块中获取了4个方法：Object中的equals方法、UserService中的add方法、Object中的hashCode方法、Object中toString方法
     static
     {
         try
         {
             m1 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("equals", new Class[] {
                 Class.forName("java.lang.Object")
             });
             m3 = Class.forName("dynamic.proxy.UserService").getMethod("add", new Class[0]);
             m0 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("hashCode", new Class[0]);
             m2 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("toString", new Class[0]);
         }
         catch(NoSuchMethodException nosuchmethodexception)
         {
             throw new NoSuchMethodError(nosuchmethodexception.getMessage());
         }
         catch(ClassNotFoundException classnotfoundexception)
         {
             throw new NoClassDefFoundError(classnotfoundexception.getMessage());
         }
     }
 }
  

4、动态代理源码解析

　　类Proxy的代码实现 Proxy的主要静态变量

// 映射表：用于维护类装载器对象到其对应的代理类缓存
private static Map loaderToCache = new WeakHashMap(); 

// 标记：用于标记一个动态代理类正在被创建中
private static Object pendingGenerationMarker = new Object(); 

// 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
private static Map proxyClasses = Collections.synchronizedMap(new WeakHashMap()); 

// 关联的调用处理器引用
protected InvocationHandler h;

Proxy的构造方法

// 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
private Proxy() {} 

// 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
protected Proxy(InvocationHandler h) {this.h = h;} 

Proxy静态方法newProxyInstance

public static Object newProxyInstance(ClassLoader loader, Class<?>[]interfaces,InvocationHandler h) throws IllegalArgumentException {
    // 检查 h 不为空，否则抛异常
    if (h == null) {
        throw new NullPointerException();
    } 

    // 获得与指定类装载器和一组接口相关的代理类类型对象
    Class cl = getProxyClass(loader, interfaces); 

    // 通过反射获取构造函数对象并生成代理类实例
    try {
        Constructor cons = cl.getConstructor(constructorParams);
        return (Object) cons.newInstance(new Object[] { h });
    } catch (NoSuchMethodException e) { throw new InternalError(e.toString());
    } catch (IllegalAccessException e) { throw new InternalError(e.toString());
    } catch (InstantiationException e) { throw new InternalError(e.toString());
    } catch (InvocationTargetException e) { throw new InternalError(e.toString());
    }
}

类Proxy的getProxyClass方法调用ProxyGenerator的 generateProxyClass方法产生ProxySubject.class的二进制数据：

public static byte[] generateProxyClass(final String name, Class[] interfaces)

我们可以import sun.misc.ProxyGenerator，调用 generateProxyClass方法产生binary data，然后写入文件，最后通过反编译工具来查看内部实现原理。 反编译后的ProxySubject.java Proxy静态方法newProxyInstance

import java.lang.reflect.*;
public final class ProxySubject extends Proxy
    implements Subject
{
    private static Method m1;
    private static Method m0;
    private static Method m3;
    private static Method m2;
    public ProxySubject(InvocationHandler invocationhandler)
    {
        super(invocationhandler);
    }
    public final boolean equals(Object obj)
    {
        try
        {
            return ((Boolean)super.h.invoke(this, m1, new Object[] {
                obj
            })).booleanValue();
        }
        catch(Error _ex) { }
        catch(Throwable throwable)
        {
            throw new UndeclaredThrowableException(throwable);
        }
    }
    public final int hashCode()
    {
        try
        {
            return ((Integer)super.h.invoke(this, m0, null)).intValue();
        }
        catch(Error _ex) { }
        catch(Throwable throwable)
        {
            throw new UndeclaredThrowableException(throwable);
        }
    }
    public final void doSomething()
    {
        try
        {
            super.h.invoke(this, m3, null);
            return;
        }
        catch(Error _ex) { }
        catch(Throwable throwable)
        {
            throw new UndeclaredThrowableException(throwable);
        }
    }
    public final String toString()
    {
        try
        {
            return (String)super.h.invoke(this, m2, null);
        }
        catch(Error _ex) { }
        catch(Throwable throwable)
        {
            throw new UndeclaredThrowableException(throwable);
        }
    }
    static
    {
        try
        {
            m1 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("equals", new Class[] {
                Class.forName("java.lang.Object")
            });
            m0 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("hashCode", new Class[0]);
            m3 = Class.forName("Subject").getMethod("doSomething", new Class[0]);
            m2 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("toString", new Class[0]);
        }
        catch(NoSuchMethodException nosuchmethodexception)
        {
            throw new NoSuchMethodError(nosuchmethodexception.getMessage());
        }
        catch(ClassNotFoundException classnotfoundexception)
        {
            throw new NoClassDefFoundError(classnotfoundexception.getMessage());
        }
    }
}  

ProxyGenerator内部是如何生成class二进制数据，可以参考源代码。

private byte[] generateClassFile() {
  /*
   * Record that proxy methods are needed for the hashCode, equals,
   * and toString methods of java.lang.Object.  This is done before
   * the methods from the proxy interfaces so that the methods from
   * java.lang.Object take precedence over duplicate methods in the
   * proxy interfaces.
   */
  addProxyMethod(hashCodeMethod, Object.class);
  addProxyMethod(equalsMethod, Object.class);
  addProxyMethod(toStringMethod, Object.class);
  /*
   * Now record all of the methods from the proxy interfaces, giving
   * earlier interfaces precedence over later ones with duplicate
   * methods.
   */
  for (int i = 0; i < interfaces.length; i++) {
      Method[] methods = interfaces[i].getMethods();
      for (int j = 0; j < methods.length; j++) {
    addProxyMethod(methods[j], interfaces[i]);
      }
  }
  /*
   * For each set of proxy methods with the same signature,
   * verify that the methods' return types are compatible.
   */
  for (List<ProxyMethod> sigmethods : proxyMethods.values()) {
      checkReturnTypes(sigmethods);
  }
  /* ============================================================
   * Step 2: Assemble FieldInfo and MethodInfo structs for all of
   * fields and methods in the class we are generating.
   */
  try {
      methods.add(generateConstructor());
      for (List<ProxyMethod> sigmethods : proxyMethods.values()) {
    for (ProxyMethod pm : sigmethods) {
        // add static field for method's Method object
        fields.add(new FieldInfo(pm.methodFieldName,
      "Ljava/lang/reflect/Method;",
       ACC_PRIVATE | ACC_STATIC));
        // generate code for proxy method and add it
        methods.add(pm.generateMethod());
    }
      }
      methods.add(generateStaticInitializer());
  } catch (IOException e) {
      throw new InternalError("unexpected I/O Exception");
  }
  /* ============================================================
   * Step 3: Write the final class file.
   */
  /*
   * 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 (int i = 0; i < interfaces.length; i++) {
      cp.getClass(dotToSlash(interfaces[i].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(ACC_PUBLIC | ACC_FINAL | ACC_SUPER);
          // 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 (int i = 0; i < interfaces.length; i++) {
    dout.writeShort(cp.getClass(
        dotToSlash(interfaces[i].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");
  }
  return bout.toByteArray(); 

总结

一个典型的动态代理创建对象过程可分为以下四个步骤：
1、通过实现InvocationHandler接口创建自己的调用处理器 IvocationHandler handler = new InvocationHandlerImpl(...)；
2、通过为Proxy类指定ClassLoader对象和一组interface创建动态代理类；
　　Class clazz = Proxy.getProxyClass(classLoader,new Class[]{...});
3、通过反射机制获取动态代理类的构造函数，其参数类型是调用处理器接口类型；
　　Constructor constructor = clazz.getConstructor(new Class[]{InvocationHandler.class});
4、通过构造函数创建代理类实例，此时需将调用处理器对象作为参数被传入，
　　Interface Proxy = (Interface)constructor.newInstance(new Object[] (handler));
　　为了简化对象创建过程，Proxy类中的newInstance方法封装了2~4，只需两步即可完成代理对象的创建。生成的ProxySubject继承Proxy类实现Subject接口，实现的Subject的方法实际调用处理器的invoke方法，而invoke方法利用反射调用的是被代理对象的的方法（Object result=method.invoke(proxied,args)）。

5. 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。

参考资料

1、JDK动态代理实现原理

2、Java动态代理机制分析及扩展