杨晓峰-Java核心技术-6 动态代理 反射 MD

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• 第6讲 | 动态代理是基于什么原理？
  • 典型回答
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  • 知识扩展
    • 反射机制及其演进
    • 动态代理
  • 精选留言

第6讲 | 动态代理是基于什么原理？

编程语言通常有各种不同的分类角度，动态类型和静态类型就是其中一种分类角度，简单区分就是语言类型信息是在运行时检查，还是编译期检查。

与其近似的还有一个对比，就是所谓强类型和弱类型，就是不同类型变量赋值时，是否需要显式地（强制）进行类型转换。

那么，如何分类 Java 语言呢？通常认为，Java 是静态的强类型语言，但是因为提供了类似反射等机制，也具备了部分动态类型语言的能力。

言归正传，今天我要问你的问题是，谈谈 Java 反射机制，动态代理是基于什么原理？

典型回答

反射机制是 Java 语言提供的一种基础功能，赋予程序在运行时自省（introspect，官方用语）的能力。通过反射我们可以直接操作类或者对象，比如获取某个对象的类定义，获取类声明的属性和方法，调用方法或者构造对象，甚至可以运行时修改类定义。

动态代理是一种方便运行时动态构建代理、动态处理代理方法调用的机制，很多场景都是利用类似机制做到的，比如用来包装 RPC 调用(Remote Procedure Call)、面向切面的编程（AOP）。

实现动态代理的方式很多，比如 JDK 自身提供的动态代理，就是主要利用了上面提到的反射机制。还有其他的实现方式，比如利用传说中更高性能的字节码操作机制，类似 ASM、cglib（基于 ASM）、Javassist 等。

考点分析

总的来说，这道题目考察的是 Java 语言的另外一种基础机制：反射，它就像是一种魔法，引入运行时自省能力，赋予了 Java 语言令人意外的活力，通过运行时操作元数据或对象，Java 可以灵活地操作运行时才能确定的信息。而动态代理，则是延伸出来的一种广泛应用于产品开发中的技术，很多繁琐的重复编程，都可以被动态代理机制优雅地解决。

从考察知识点的角度，这道题涉及的知识点比较庞杂，所以面试官能够扩展或者深挖的内容非常多，比如：

• 考察你对反射机制的了解和掌握程度。
• 动态代理解决了什么问题，在你业务系统中的应用场景是什么？
• JDK 动态代理在设计和实现上与 cglib 等方式有什么不同，进而如何取舍？

这些考点似乎不是短短一篇文章能够囊括的，我会在知识扩展部分尽量梳理一下。

知识扩展

反射机制及其演进

对于 Java 语言的反射机制本身，如果你去看一下 java.lang 或 java.lang.reflect 包下的相关抽象，就会有一个很直观的印象了。Class、Field、Method、Constructor 等，这些完全就是我们去操作类和对象的元数据对应。反射各种典型用例的编程，相信有太多文章或书籍进行过详细的介绍，我就不再赘述了，至少你需要掌握基本场景编程，这里是官方提供的 参考文档 。

关于反射，有一点我需要特意提一下，就是反射提供的 AccessibleObject.setAccessible(boolean flag)。它的子类也大都重写了这个方法，这里的所谓 accessible 可以理解成修饰成员的 public、protected、private，这意味着我们可以在运行时修改成员访问限制！

setAccessible 的应用场景非常普遍，遍布我们的日常开发、测试、依赖注入等各种框架中。比如，在 O/R Mapping 框架中，我们为一个 Java 实体对象，运行时自动生成 setter、getter 的逻辑，这是加载或者持久化数据非常必要的，框架通常可以利用反射做这个事情，而不需要开发者手动写类似的重复代码。

另一个典型场景就是绕过 API 访问控制。我们日常开发时可能被迫要调用内部 API 去做些事情，比如，自定义的高性能 NIO 框架需要显式地释放 DirectBuffer，使用反射绕开限制是一种常见办法。

但是，在 Java 9 以后，这个方法的使用可能会存在一些争议，因为 Jigsaw 项目新增的模块化系统，出于强封装性的考虑，对反射访问进行了限制。Jigsaw 引入了所谓 Open 的概念，只有当被反射操作的模块和指定的包对反射调用者模块 Open，才能使用 setAccessible；否则，被认为是不合法（illegal）操作。如果我们的实体类是定义在模块里面，我们需要在模块描述符中明确声明。

因为反射机制使用广泛，根据社区讨论，目前，Java 9 仍然保留了兼容 Java 8 的行为，但是很有可能在未来版本，完全启用前面提到的针对 setAccessible 的限制，即只有当被反射操作的模块和指定的包对反射调用者模块 Open，才能使用 setAccessible。

动态代理

前面的问题问到了动态代理，我们一起看看，它到底是解决什么问题？

首先，它是一个代理机制。如果熟悉设计模式中的代理模式，我们会知道，代理可以看作是对调用目标的一个包装，这样我们对目标代码的调用不是直接发生的，而是通过代理完成。其实很多动态代理场景，我认为也可以看作是装饰器（Decorator）模式的应用，我会在后面的专栏设计模式主题予以补充。

通过代理可以让调用者与实现者之间解耦。比如进行 RPC 调用，框架内部的寻址、序列化、反序列化等，对于调用者往往是没有太大意义的，通过代理，可以提供更加友善的界面。

代理的发展经历了静态到动态的过程，源于静态代理引入的额外工作。类似早期的 RMI 之类古董技术，还需要 rmic 之类工具生成静态 stub 等各种文件，增加了很多繁琐的准备工作，而这又和我们的业务逻辑没有关系。利用动态代理机制，相应的 stub 等类，可以在运行时生成，对应的调用操作也是动态完成，极大地提高了我们的生产力。改进后的 RMI 已经不再需要手动去准备这些了，虽然它仍然是相对古老落后的技术，未来也许会逐步被移除。

这么说可能不够直观，我们可以看 JDK 动态代理的一个简单例子。下面只是加了一句 print，在生产系统中，我们可以轻松扩展类似逻辑进行诊断、限流等。

public class MyDynamicProxy {
    public static  void main (String[] args) {
        HelloImpl hello = new HelloImpl(); //委托类
        MyInvocationHandler handler = new MyInvocationHandler(hello); //包装委托类
        Hello proxyHello = (Hello) Proxy.newProxyInstance(HelloImpl.class.getClassLoader(), HelloImpl.class.getInterfaces(), handler); //生成代理类
        proxyHello.sayHello(); // 调用代理方法
    }
}

interface Hello {
    void sayHello();
}

class HelloImpl implements  Hello {
    @Override
    public void sayHello() {
        System.out.println("Hello World");
    }
}

class MyInvocationHandler implements InvocationHandler {
    private Object target;
    public MyInvocationHandler(Object target) {
        this.target = target;
    }
    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        System.out.println("Invoking sayHello");
        Object result = method.invoke(target, args);
        return result;
    }
}

上面的 JDK Proxy 例子，非常简单地实现了动态代理的构建和代理操作。首先，实现对应的 InvocationHandler；然后，以接口 Hello 为纽带，为被调用目标构建代理对象，进而应用程序就可以使用代理对象间接运行调用目标的逻辑，代理为应用插入额外逻辑（这里是 println）提供了便利的入口。

从 API 设计和实现的角度，这种实现仍然有局限性，因为它是以接口为中心的，相当于添加了一种对于被调用者没有太大意义的限制。我们实例化的是 Proxy 对象，而不是真正的被调用类型，这在实践中还是可能带来各种不便和能力退化。

如果被调用者没有实现接口，而我们还是希望利用动态代理机制，那么可以考虑其他方式。我们知道 Spring AOP 支持两种模式的动态代理，JDK Proxy 或者 cglib，如果我们选择 cglib 方式，你会发现对接口的依赖被克服了。

cglib 动态代理采取的是创建目标类的子类的方式，因为是子类化，我们可以达到近似使用被调用者本身的效果。在 Spring 编程中，框架通常会处理这种情况，当然我们也可以显式指定。关于类似方案的实现细节，我就不再详细讨论了。

那我们在开发中怎样选择呢？我来简单对比下两种方式各自优势。

JDK Proxy 的优势：

• 最小化依赖关系，减少依赖意味着简化开发和维护，JDK 本身的支持，可能比 cglib 更加可靠。
• 平滑进行 JDK 版本升级，而字节码类库通常需要进行更新以保证在新版 Java 上能够使用。
• 代码实现简单。

基于类似 cglib 框架的优势：

• 有的时候调用目标可能不便实现额外接口，从某种角度看，限定调用者实现接口是有些侵入性的实践，类似 cglib 动态代理就没有这种限制。
• 只操作我们关心的类，而不必为其他相关类增加工作量。
• 高性能。

另外，从性能角度，我想补充几句。记得有人曾经得出结论说 JDK Proxy 比 cglib 或者 Javassist 慢几十倍。坦白说，不去争论具体的 benchmark 细节，在主流 JDK 版本中，JDK Proxy 在典型场景可以提供对等的性能水平，数量级的差距基本上不是广泛存在的。而且，反射机制性能在现代 JDK 中，自身已经得到了极大的改进和优化，同时，JDK 很多功能也不完全是反射，同样使用了 ASM 进行字节码操作。

我们在选型中，性能未必是唯一考量，可靠性、可维护性、编程工作量等往往是更主要的考虑因素，毕竟标准类库和反射编程的门槛要低得多，代码量也是更加可控的，如果我们比较下不同开源项目在动态代理开发上的投入，也能看到这一点。

动态代理应用非常广泛，虽然最初多是因为 RPC 等使用进入我们视线，但是动态代理的使用场景远远不仅如此，它完美符合 Spring AOP 等切面编程。我在后面的专栏还会进一步详细分析 AOP 的目的和能力。简单来说它可以看作是对 OOP 的一个补充，因为 OOP 对于跨越不同对象或类的分散、纠缠逻辑表现力不够，比如在不同模块的特定阶段做一些事情，类似日志、用户鉴权、全局性异常处理、性能监控，甚至事务处理。

AOP 通过（动态）代理机制可以让开发者从这些繁琐事项中抽身出来，大幅度提高了代码的抽象程度和复用度。从逻辑上来说，我们在软件设计和实现中的类似代理，如 Facade、Observer 等很多设计目的，都可以通过动态代理优雅地实现。

今天我简要回顾了反射机制，谈了反射在 Java 语言演进中正在发生的变化，并且进一步探讨了动态代理机制和相关的切面编程，分析了其解决的问题，并探讨了生产实践中的选择考量。

精选留言

概念总结

• 代理模式：通过代理静默地解决一些业务无关的问题，比如远程、安全、事务、日志、资源关闭……让应用开发者可以只关心他的业务
• 静态代理：事先写好代理类，可以手工编写，也可以用工具生成。缺点是每个业务类都要对应一个代理类，非常不灵活。
• 动态代理：运行时自动生成代理对象。缺点是生成代理代理对象和调用代理方法都要额外花费时间。
• JDK动态代理：基于Java反射机制实现，必须要实现了接口的业务类才能用这种办法生成代理对象。新版本也开始结合ASM机制。
• cglib动态代理：基于ASM机制实现，通过生成业务类的子类作为代理类。
• Java 发射机制的常见应用：动态代理（AOP、RPC）、提供第三方开发者扩展能力（Servlet容器，JDBC连接）、第三方组件创建对象（DI）

反射与动态代理原理

关于反射

反射最大的作用之一就在于我们可以不在编译时知道某个对象的类型，而在运行时通过提供完整的包名+类名.class得到。注意：不是在编译时，而是在运行时。

说大白话就是，利用Java反射机制我们可以加载一个运行时才得知名称的class，获悉其构造方法，并生成其对象实体，能对其fields设值并唤起其methods。

应用场景：

反射技术常用在各类通用框架开发中。因为为了保证框架的通用性，需要根据配置文件加载不同的对象或类，并调用不同的方法，这个时候就会用到反射——运行时动态加载需要加载的对象。

特点：

由于反射会额外消耗一定的系统资源，因此如果不需要动态地创建一个对象，那么就不需要用反射。另外，反射调用方法时可以忽略权限检查，因此可能会破坏封装性而导致安全问题。

动态代理

为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。在某些情况下，一个对象不适合或者不能直接引用另一个对象，而代理对象可以在两者之间起到中介的作用（可类比房屋中介，房东委托中介销售房屋、签订合同等）。

所谓动态代理，就是实现阶段不用关心代理谁，而是在运行阶段才指定代理哪个一个对象（不确定性）。如果是自己写代理类的方式就是静态代理（确定性）。

实现方式:

实现动态代理的方式很多，比如 JDK 自身提供的动态代理，就是主要利用了反射机制。还有其他的实现方式，比如利用字节码操作机制，类似 ASM、CGLIB（基于 ASM）、Javassist 等。

2018-12-17