设计模式二：代理模式

clean-mark2024-02-21 18:53

1、什么是动态代理

可能很多小伙伴首次接触动态代理这个名词的时候，或者是在面试过程中被问到动态代理的时候，不能很好的描述出来，动态代理到底是个什么高大上的技术。不方，其实动态代理的使用非常广泛，例如我们平常使用的 Spring中的 @Transactional注解，其依赖于 AOP，而 AOP的底层实现便是动态代理，看到这里，是不是更有兴趣去了解动态代理了呢？

动态代理：可以分解为"动态"+"代理"。

  • 代理："代理"一词，在我们的生活中也是随处可见的，例如房屋中介，其是对房主的一种代理，房主需要出租其房屋，但是可能没时间去接待租客，给租客介绍房屋信息，带领租客看房，但是房屋中介可以为租客提供这些服务，所以，代理其是对被代理对象的一个功能增强
  • 动态："动态"通常与"静态"相比较，"静态"描述的是事物是固定存在的，"动态"则描述的是事物是随着需求而动态生成的。

所以，静态代理存在一定的局限性，不能很好的满足需求的千变万化，动态代理的出现，就是为了解决这些局限性。

我们先来看看静态代理。

2.、静态代理

在开发中，通常需要为方法添加日志打印，能够记录程序的执行过程，以便后续出现异常问题的时候，能更好的排查定位。

假设我们现在已经完成了系统用户的增加、删除、修改等功能，这些功能在类 UserServiceImpl中已经实现。

代码示例：

java 复制代码 
public class UserServiceImpl {
    public void add() {
        System.out.println("添加用户");
    }
    
    public void update() {
        System.out.println("修改用户");
    }

    public void delete() {
        System.out.println("删除用户");
    }
}

现在，我们需要在UserServiceImpl类中的方法添加日志功能，那么怎么才能更好地去实现这个需求呢？

1）直接在目标方法前后添加日志代码

代码示例：

java 复制代码 
public class UserServiceImpl {
    public void add() {
        System.out.println("====== add方法开始 ======");
        System.out.println("添加用户");
        System.out.println("====== add方法结束 ======");
    }
​
    public void update() {
        System.out.println("====== update方法开始 ======");
        System.out.println("修改用户");
        System.out.println("====== update方法结束 ======");
    }
​
    public void delete() {
        System.out.println("====== delete方法开始 ======");
        System.out.println("删除用户");
        System.out.println("====== delete方法结束 ======");
    }
}

观察上述代码，这种方式的缺点在于：

2）静态代理方式实现

静态代理需要我们将目标类的方法抽取到接口中，代理类和目标类实现同一个接口，既然要实现代理，代理类自然需要在其内部维护目标对象的引用，并通过构造函数为其赋值，然后在代理类的方法中调用目标对象的同名方法，并在调用前后完成功能的增强。

实现步骤：

  • 抽取UserService接口
  • 创建目标类UserServiceImpl实现UserService接口
  • 创建代理类UserServiceProxy实现UserService接口
  • 代理类中完成功能的增强

代码实现：

java 复制代码 
// 目标接口
public interface UserService {
    void add();

    void update();

    void delete();
}
// 目标类
public class UserServiceImpl implements UserService {
    @Override
    public void add() {
        System.out.println("添加用户");
    }

    @Override
    public void update() {
        System.out.println("修改用户");
    }

    @Override
    public void delete() {
        System.out.println("删除用户");
    }
}
// 代理类
public class UserServiceProxy implements UserService {

    private UserService userService;

    public UserServiceProxy(UserService userService) {
        this.userService = userService;
    }

    @Override
    public void add() {
        System.out.println("====== add方法开始 ======");
        userService.add();
        System.out.println("====== add方法结束 ======");
    }

    @Override
    public void update() {
        System.out.println("====== update方法开始 ======");
        userService.update();
        System.out.println("====== update方法结束 ======");
    }

    @Override
    public void delete() {
        System.out.println("====== delete方法开始 ======");
        userService.delete();
        System.out.println("====== delete方法结束 ======");
    }
}

观察上述代码，静态代理遵循开闭原则，在不修改目标类的前提下，完成了功能的增强，但是依然存在大量重复的代码，且一个代理类只能代理一个目标类，如果有n个目标类需要被代理，就需要同比增加n个代理类。

那么，有没有办法可以使得我们不需要去定义这么多的代理类，就可以实现对目标类功能的增强？答案是有的：动态代理。

3、JDK动态代理

前面，我们提到静态代理的实现方式：代理类和目标类都实现同一个接口，在代理类中维护目标类对象，并完成对目标类对象方法的增强，这种方式虽然遵循开闭原则，但是代理类和目标类至少是"一对一"的绑定关系，如果需要被代理的目标类个数越多，代理类就会越多，会产生大量重复的代码，也不利于后期的维护。

从静态代理中，我们知道代理类也是接口的一个实现类，代理对象的类型也是属于接口类型，我们来验证一下。

java 复制代码 
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        UserServiceProxy userServiceProxy = new UserServiceProxy(new UserServiceImpl());
        System.out.println(userServiceProxy instanceof UserService);
    }
}
// 打印结果：true

那么，能不能动态生成这些代理对象呢？我们知道类是构造对象的模板，代理类都还不存在，怎么去构造代理对象呢？

除了不存在代理类，还剩下 UserService接口和 UserServiceImpl目标类，JDK动态代理的目的就是通过接口来生成代理类以及代理类的对象，我们知道接口是不能直接通过new关键字创建对象的。

那么JDK动态代理是怎么创建出代理类以及代理类对象的呢？

我们先来看看通过 new关键字创建对象的过程。

java 复制代码 
UserServiceImpl userService = new UserServiceImpl();
/*
创建对象的过程：
    1.执行new指令，如果类未加载，先执行类加载过程。
        1.加载：JVM通过ClassLoader将UserServiceImpl.class文件加载到方法区（Method Area），在堆内存中创建代表该类的Class对象。
        2.验证
        3.准备：为静态变量分配内存并设置类型初始值。
        4.解析
        5.初始化：为静态变量赋值、执行静态代码块
    2.为对象分配内存，将对象的实例字段初始化类型零值。
    3.执行构造方法，对对象进行初始化
*/

追踪上述过程，我们得知创建对象，需要先得到该类的Class对象，通过Class对象去创建实例对象。为了验证这一点，我们不妨来看看通过反射的方式创建对象的过程。

java 复制代码 
public class Test {
    @SneakyThrows
    public static void main(String[] args) {
        // 获取Class对象
        Class<UserServiceImpl> userServiceClass = UserServiceImpl.class;
        // 获取构造器
        Constructor<?>[] constructors = userServiceClass.getConstructors();
        for (Constructor<?> constructor : constructors) {
            // 通过构造器创建实例对象
            System.out.println(constructor.newInstance());
        }
    }
}

现在，问题回归到接口不能直接new，也没有构造方法，并且不存在代理类的class文件，怎么获得Class对象了。

动态代理关键类

我们先来看看JDK动态代理的实战代码：

  • 需要自定义个 CustomInvocationHandler实现 InvocationHandler接口。
  • 利用 Proxy.newProxyInstance构建实例对象。
java 复制代码 
// UserService接口
public interface UserService {
    void add();

    void update();

    void delete();
}

// 目标类
public class UserServiceImpl implements UserService {
    @Override
    public void add() {
        System.out.println("添加用户");
    }

    @Override
    public void update() {
        System.out.println("修改用户");
    }

    @Override
    public void delete() {
        System.out.println("删除用户");
    }
}

// CustomInvocationHandler
public class CustomInvocationHandler implements InvocationHandler {

    // 目标对象
    private Object target;

    public CustomInvocationHandler(Object target) {
        this.target = target;
    }

    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        System.out.println("====== 方法开始 ======");
        Object result = method.invoke(target, args);
        System.out.println("====== 方法结束 ======");
        return result;
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        UserServiceImpl userService = new UserServiceImpl();
        // 关键代码
        UserService service = (UserService) Proxy.newProxyInstance(UserServiceImpl.class.getClassLoader(), UserServiceImpl.class.getInterfaces(), new CustomInvocationHandler(userService));
        service.add();
    }
}

从测试代码可以看出，Proxy类是关键。我们来看看Proxy为我们提供的方法：

Class<?> getProxyClass(ClassLoader loader, Class<?>... interfaces)虽然被标注为过时方法，但是从名字上可以得知，其目的是为了获得代理类的Class对象。话不多说，我们来调用一下。

java 复制代码 
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Class<?> proxyClass = Proxy.getProxyClass(UserServiceImpl.class.getClassLoader(), UserServiceImpl.class.getInterfaces());
        System.out.println(proxyClass.getName());
        for (Method method : proxyClass.getDeclaredMethods()) {
            System.out.println(method.getDeclaringClass() + "." + method.getName() + "()");
        }
        System.out.println(Arrays.toString(proxyClass.getConstructors()));
    }
}

可以看到：

  • 获得的Class对象的名称为 $Proxy0。
  • 定义了我们需要的 add();update();delete()方法。
  • 定义了一个有参构造方法 $Proxy0(InvocationHandler handler)。

虽然没有无参构造方法，我们还是得尝试一下调用一下这个有参的构造方法，需要我们传入一个 java.lang.reflect.InvocationHandler对象

java 复制代码 
public class Test {
    @SneakyThrows
    public static void main(String[] args) {
        System.getProperties().put("jdk.proxy.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles", "true");
        Class<?> proxyClass = Proxy.getProxyClass(UserServiceImpl.class.getClassLoader(), UserServiceImpl.class.getInterfaces());
        // 获取$Proxy0(InvocationHandler handler)构造方法
        Constructor<?> constructor = proxyClass.getConstructor(InvocationHandler.class);
        UserService userService = (UserService) constructor.newInstance(new InvocationHandler() {
            @Override
            public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
                System.out.println(proxy.getClass());
                System.out.println(method.getDeclaringClass() + "." + method.getName() + "()");
                return null;
            }
        });
        userService.add();
    }
}

看的出来，**当我们获得代理对象之后，通过代理对象来调用接口方法，都会回调构造时传进来的 InvocationHandler对象的 invoke(Object proxy, Method method, Object[] args)方法，**该方法有3个参数：

  • Object proxy：代表的是代理对象本身。
  • Method method：代表的是被调用的方法的Method对象。
  • Object[] args：代表的是被调用方法的参数。

可以猜测，JDK动态代理生成的代理类中，维护了InvocationHandler类的对象变量，并且在实现接口方法时，通过InvocationHandler对象调用了 invoke(Object proxy, Method method, Object[] args)方法。

java 复制代码 
System.getProperties().put("jdk.proxy.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles", "true");

不知道大家没有看到这行代码哈，当添加了这行代码之后，可以将在项目目录下保存动态创建的class文件， com/sun/proxy/$Proxy0.class。

可以看到生成的代理类 $Proxy0继承自 Proxy类，并实现了 UserService接口，并且在 add()方法中通过其父类 Proxy中维护的 InvocationHandler对象调用 invoke()方法，这也就成功的解释了前面调用 userService.add()方法，会回调到invoke()方法。

这时候我们再把代码改造一下，如下：

java 复制代码 
public class CustomInvocationHandler implements InvocationHandler {

    // 目标对象
    private Object target;

    public CustomInvocationHandler(Object target) {
        this.target = target;
    }

    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        System.out.println("====== 方法开始 ======");
        Object result = method.invoke(target, args);
        System.out.println("====== 方法结束 ======");
        return result;
    }
}

public class Test {
    @SneakyThrows
    public static void main(String[] args) {
        UserServiceImpl target = new UserServiceImpl();
        Class<?> proxyClass = Proxy.getProxyClass(UserServiceImpl.class.getClassLoader(), UserServiceImpl.class.getInterfaces());
        Constructor<?> constructor = proxyClass.getConstructor(InvocationHandler.class);
        UserService userService = (UserService) constructor.newInstance(new CustomInvocationHandler(target));
        userService.add();
    }
}

这样就完成了对目标对象功能的增强，前面我们提到过 Class<?> getProxyClass(ClassLoader loader, Class<?>... interfaces)

已经被标注为过时，推荐我们使用 Object newProxyInstance(ClassLoader loader, Class<?>[] interfaces, InvocationHandler h)方法。

动态代理设计思想

好的，到这里，我们来总结一下JDK动态的设计思想：

使用 JDK动态代理，使得我们免去编写代理类，只需要将增强功能编写在 InvocationHandler的 invoke方法中。

4、CGLib动态代理

CGLib代理的目标对象不需要事先任何接口，它是通过动态集成目标对象实现动态代理的。CGLib代理执行代理方法的效率之所以比JDK高，是因为CGLib采用了FastClass机制：为代理类和被代理类各生成一个类，这个类会为代理类或被代理类的方法分配一个index（int类型）;这个index当作一个入参，FastClass 就可以直接定位要调用的方法并直接进行调用，省去了反射调用，所以调用效率比JDK代理通过反射调用高。FastClass并不是跟代理类一起生成的，而是在第一次执行MethodProxy的invoke()或invokeSuper()方法时产生并放在缓存中的。

5、CGLib和JDK动态代理对比

  • JDK动态代理实现了被代理对象的接口，CGLib代理继承了被代理对象。
  • JDK动态代理和CGLib代理在运行期生成字节码，JDK动态代理直接写Class字节码，CGLib代理使用ASM框架（字节码操控框架）写Class字节码，CGLib代理实现更复杂，生成代理类比JDK动态代理效率低。
  • JDK动态代理调用代理方法是通过反射机制调用的，CGLib代理是通过FastClass机制直接调用方法的，CGLib代理的执行效率更高

6、Spring中的代理选择原则

  • 当Bean有实现接口时，Spring就会用JDK动态代理
  • 当Bean没有实现接口时，Spring会选择CGLib代理
  • Spring可以通过配置强制使用CGLib代理，只需要在配置中加入<aop:aspectj-autoproxy roxy-target-clas="true">
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