Javassist实现JDK动态代理

2020-10-29 462

提到JDK动态代理，相信很多人并不陌生。然而，对于动态代理的实现原理，以及如何编码实现动态代理功能，可能知道的人就比较少了。接下一来，我们就一起来看看JDK动态代理的基本原理，以及如何通过Javassist进行模拟实现。

JDK动态代理

示例

以下是一个基于JDK动态代理的hello world示例，在很多地方都可以看到类似的版本。

public class DynamicProxyTest {

    interface IHello {
        void sayHello();
    }

    static class Hello implements IHello {
        @Override
        public void sayHello() {
            System.out.println("hello world");
        }
    }

    static class DynamicProxy implements InvocationHandler {

        Object originalObj;

        Object bind(Object originalObj) {
            this.originalObj = originalObj;
            return Proxy.newProxyInstance(originalObj.getClass().getClassLoader(), originalObj.getClass().getInterfaces(), this);
        }

        @Override
        public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        	System.out.println("pre method");
        	Object result = method.invoke(originalObj, args);
    		System.out.println("post method");
    		return result;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
    	System.getProperties().put("sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles", "true");
        IHello hello = (IHello) new DynamicProxy().bind(new Hello());
        hello.sayHello();
    }
}

生成代理类源码

通过设置参数
sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles为true，在执行main函数之后，我们将得到一份$Proxy0.class文件，它就是Hello的代理类。

经过反编译，得到$Proxy0的源码（省略了无关内容）如下：

final class $Proxy0 extends Proxy implements DynamicProxyTest.IHello {
	private static Method m1;
	private static Method m3;
	private static Method m2;
	private static Method m0;

	public $Proxy0(InvocationHandler paramInvocationHandler) {
		super(paramInvocationHandler);
	}

	public final void sayHello() {
		try {
			this.h.invoke(this, m3, null);
			return;
		} catch (Error | RuntimeException localError) {
			throw localError;
		} catch (Throwable localThrowable) {
			throw new UndeclaredThrowableException(localThrowable);
		}
	}

	static {
		try {
			m1 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("equals",
					new Class[] { Class.forName("java.lang.Object") });
			m3 = Class.forName("DynamicProxyTest$IHello").getMethod("sayHello", new Class[0]);
			m2 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("toString", new Class[0]);
			m0 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("hashCode", new Class[0]);
		} catch (NoSuchMethodException localNoSuchMethodException) {
			throw new NoSuchMethodError(localNoSuchMethodException.getMessage());
		} catch (ClassNotFoundException localClassNotFoundException) {
			throw new NoClassDefFoundError(localClassNotFoundException.getMessage());
		}
	}
}

主要实现原理

动态生成一个代理类，实现IHello接口；
代理类继承Proxy类，提供一个实例变量InvocationHandler h用于保存代理逻辑（此外，Proxy还提供了相关代理类处理逻辑）；
代理类声明一系列Method类变量，用于保存接口相关的反射方法；
代理类实现相关接口方法，核心逻辑是调用InvocationHandler的invoke方法，并传入3个参数：当前代理类对象、接口反射方法对象、实际方法参数。

Javassist实现JDK动态代理

前面简单分析了JDK动态代理的基本原理，其中，最核心的逻辑在于如何生成动态代理类，也就是
java.lang.reflect.Proxy.newProxyInstance(ClassLoader loader, Class<?>[] interfaces, InvocationHandler h)方法的实现。

接下来我们将通过Javassist一步步实现newProxyInstance方法。

1. 定义接口

接口基本与Proxy.newProxyInstance相同。为简单说明，我们这里只定义了一个接口类型参数Class<?>而不是数组。

public static Object newProxyInstance(ClassLoader loader, Class<?> interfaceClass, InvocationHandler h) {
    ...
}

2. 创建动态代理类

Javassist可以通过简单的Java API来操作源代码，这样就可以在不了解Java字节码相关知识的情况下，动态生成类或修改类的行为。

创建名称为NewProxyClass的代理类。

ClassPool pool = ClassPool.getDefault();
CtClass proxyCc = pool.makeClass("NewProxyClass");

3. 添加实例变量InvocationHandler

添加类型为InvocationHandler的实例变量h。

CtClass handlerCc = pool.get(InvocationHandler.class.getName());
/* 生成代码：private InvocationHandler h; */
CtField handlerField = new CtField(handlerCc, "h", proxyCc);
handlerField.setModifiers(AccessFlag.PRIVATE);
proxyCc.addField(handlerField);

4. 添加构造函数

创建构造函数，参数类型为InvocationHandler。

// 生成构造函数：public NewProxyClass(InvocationHandler h) { this.h = h; }
CtConstructor ctConstructor = new CtConstructor(new CtClass[] { handlerCc }, proxyCc);
ctConstructor.setBody("$0.h = $1;");
proxyCc.addConstructor(ctConstructor);

其中，$0代表this, $1代表构造函数的第1个参数。

5. 实现IHello接口声明

// 生成接口实现声明：public class NewProxyClass implements IHello
CtClass interfaceCc = pool.get(interfaceClass.getName());
proxyCc.addInterface(interfaceCc);

6. 实现IHello相关接口方法

6.1 遍历接口方法

CtMethod[] ctMethods = interfaceCc.getDeclaredMethods();
for (int i = 0; i < ctMethods.length; i++) {
	// 核心逻辑在下方
}

6.2 代理方法实现

由于代理类调用invoke方法需要传入接口的反射方法对象（Method），因此，我们需要为每个方法添加一个可复用的Method类变量。

6.2.1 反射方法对象声明及初始化

/* 构造方法参数，如：new Class[] { String.class, Boolean.TYPE, Object.class } */
String classParamsStr = "new Class[0]";
if (ctMethods[i].getParameterTypes().length > 0) {
	for (CtClass clazz : ctMethods[i].getParameterTypes()) {
		classParamsStr = ((classParamsStr == "new Class[0]") ? clazz.getName() : classParamsStr + "," + clazz.getName()) + ".class";
	}
	classParamsStr = "new Class[] {" + classParamsStr + "}";
}
// 字段生成模板
String methodFieldTpl = "private static java.lang.reflect.Method %s=Class.forName(\"%s\").getDeclaredMethod(\"%s\", %s);";
// 根据模板生成方法及参数构造方法字段生成语句
String methodFieldBody = String.format(methodFieldTpl, "m" + i, interfaceClass.getName(), ctMethods[i].getName(), classParamsStr);
// 为代理类添加反射方法字段
CtField methodField = CtField.make(methodFieldBody, proxyCc);
proxyCc.addField(methodField);

通过以上逻辑，将生成类似代码如下：

private static Method m0 = Class.forName("chapter9.javassistproxy3.IHello").getDeclaredMethod("sayHello", new Class[0]);
private static Method m1 = Class.forName("chapter9.javassistproxy3.IHello").getDeclaredMethod("sayHello2", new Class[] { Integer.TYPE });
private static Method m2 = Class.forName("chapter9.javassistproxy3.IHello").getDeclaredMethod("sayHello3", new Class[] { String.class, Boolean.TYPE, Object.class });

6.2.2 接口方法体实现

// invoke调用逻辑. 其中$args是实际方法传入的参数数组
String methodBody = "$0.h.invoke($0, " + methodFieldName + ", $args)";

// 如果方法有返回类型，则需要转换为相应类型后返回
if (CtPrimitiveType.voidType != ctMethods[i].getReturnType()) {
	// 对8个基本类型进行转型
	// 例如：((Integer)this.h.invoke(this, this.m2, new Object[] { paramString, new Boolean(paramBoolean), paramObject })).intValue();
	if (ctMethods[i].getReturnType() instanceof CtPrimitiveType) {
		CtPrimitiveType ctPrimitiveType = (CtPrimitiveType) ctMethods[i].getReturnType();
		methodBody = "return ((" + ctPrimitiveType.getWrapperName() + ") " + methodBody + ")." + ctPrimitiveType.getGetMethodName() + "()";
	}
	// 对于非基本类型直接转型即可
	else {
		methodBody = "return (" + ctMethods[i].getReturnType().getName() + ") " + methodBody;
	}
}
methodBody += ";";

/* 为代理类添加方法 */
CtMethod newMethod = new CtMethod(ctMethods[i].getReturnType(), ctMethods[i].getName(),
		ctMethods[i].getParameterTypes(), proxyCc);
newMethod.setBody(methodBody);
proxyCc.addMethod(newMethod);

通过以上逻辑，将生成类似代码如下：

public void sayHello() {
    this.h.invoke(this, m0, new Object[0]);
}

public String sayHello2(int paramInt) {
    return (String)this.h.invoke(this, m1, new Object[] { new Integer(paramInt) });
}

public int sayHello3(String paramString, boolean paramBoolean, Object paramObject) {
    return ((Integer)this.h.invoke(this, m2, new Object[] { paramString, new Boolean(paramBoolean), paramObject })).intValue();
}

7. 生成代理类字节码

以下语句，将生成代理类字节码：D:/tmp/NewProxyClass.class

proxyCc.writeFile("D:/tmp"); // 该步骤可选

8. 生成代理对象

最后，通过调用第3步创建的构造函数，传入InvocationHandler对象，生成并返回代理类。

Object proxy = proxyCc.toClass().getConstructor(InvocationHandler.class).newInstance(h);
return proxy;

完整代码

public class ProxyFactory {
	
	public static Object newProxyInstance(ClassLoader loader, Class<?> interfaceClass, InvocationHandler h) throws Throwable {
		ClassPool pool = ClassPool.getDefault();
		
		// 1.创建代理类：public class NewProxyClass
		CtClass proxyCc = pool.makeClass("NewProxyClass");

		/* 2.给代理类添加字段：private InvocationHandler h; */
		CtClass handlerCc = pool.get(InvocationHandler.class.getName());
		CtField handlerField = new CtField(handlerCc, "h", proxyCc); // CtField(CtClass fieldType, String fieldName, CtClass addToThisClass)
		handlerField.setModifiers(AccessFlag.PRIVATE);
		proxyCc.addField(handlerField);

		/* 3.添加构造函数：public NewProxyClass(InvocationHandler h) { this.h = h; } */
		CtConstructor ctConstructor = new CtConstructor(new CtClass[] { handlerCc }, proxyCc);
		ctConstructor.setBody("$0.h = $1;"); // $0代表this, $1代表构造函数的第1个参数
		proxyCc.addConstructor(ctConstructor);
		
		/* 4.为代理类添加相应接口方法及实现 */
		CtClass interfaceCc = pool.get(interfaceClass.getName());
		
		// 4.1 为代理类添加接口：public class NewProxyClass implements IHello
		proxyCc.addInterface(interfaceCc);
		
		// 4.2 为代理类添加相应方法及实现
		CtMethod[] ctMethods = interfaceCc.getDeclaredMethods();
		for (int i = 0; i < ctMethods.length; i++) {
			String methodFieldName = "m" + i; // 新的方法名

			// 4.2.1 为代理类添加反射方法字段
			// 如：private static Method m1 = Class.forName("chapter9.javassistproxy3.IHello").getDeclaredMethod("sayHello2", new Class[] { Integer.TYPE });
			/* 构造反射字段声明及赋值语句 */
			String classParamsStr = "new Class[0]"; // 方法的多个参数类型以英文逗号分隔
			if (ctMethods[i].getParameterTypes().length > 0) { // getParameterTypes获取方法参数类型列表
				for (CtClass clazz : ctMethods[i].getParameterTypes()) {
					classParamsStr = (("new Class[0]".equals(classParamsStr)) ? clazz.getName() : classParamsStr + "," + clazz.getName()) + ".class";
				}
				classParamsStr = "new Class[] {" + classParamsStr + "}";
			}
			String methodFieldTpl = "private static java.lang.reflect.Method %s=Class.forName(\"%s\").getDeclaredMethod(\"%s\", %s);";
			String methodFieldBody = String.format(methodFieldTpl, "m" + i, interfaceClass.getName(), ctMethods[i].getName(), classParamsStr);
			// 为代理类添加反射方法字段. CtField.make(String sourceCodeText, CtClass addToThisClass)
			CtField methodField = CtField.make(methodFieldBody, proxyCc);
			proxyCc.addField(methodField);
			
			System.out.println("methodFieldBody: " + methodFieldBody);
			
			/* 4.2.2 为方法添加方法体 */
			/* 构造方法体. this.h.invoke(this, 反射字段名, 方法参数列表); */
			String methodBody = "$0.h.invoke($0, " + methodFieldName + ", $args)";
			// 如果方法有返回类型，则需要转换为相应类型后返回，因为invoke方法的返回类型为Object
			if (CtPrimitiveType.voidType != ctMethods[i].getReturnType()) {
				// 对8个基本类型进行转型
				// 例如：((Integer)this.h.invoke(this, this.m2, new Object[] { paramString, new Boolean(paramBoolean), paramObject })).intValue();
				if (ctMethods[i].getReturnType() instanceof CtPrimitiveType) {
					CtPrimitiveType ctPrimitiveType = (CtPrimitiveType) ctMethods[i].getReturnType();
					methodBody = "return ((" + ctPrimitiveType.getWrapperName() + ") " + methodBody + ")." + ctPrimitiveType.getGetMethodName() + "()";
				} else { // 对于非基本类型直接转型即可
					methodBody = "return (" + ctMethods[i].getReturnType().getName() + ") " + methodBody;
				}
			}
			methodBody += ";";
			/* 为代理类添加方法. CtMethod(CtClass returnType, String methodName, CtClass[] parameterTypes, CtClass addToThisClass) */
			CtMethod newMethod = new CtMethod(ctMethods[i].getReturnType(), ctMethods[i].getName(),
					ctMethods[i].getParameterTypes(), proxyCc);
			newMethod.setBody(methodBody);
			proxyCc.addMethod(newMethod);
			
			System.out.println("Invoke method: " + methodBody);
		}
		
		proxyCc.writeFile("D:/tmp");
		
		// 5.生成代理实例. 将入参InvocationHandler h设置到代理类的InvocationHandler h变量
		@SuppressWarnings("unchecked")
		Object proxy = proxyCc.toClass().getConstructor(InvocationHandler.class).newInstance(h);

		return proxy;
	}

}

public interface IHello {
	int sayHello3(String a, boolean b, Object c);
}

public class Hello implements IHello {
	@Override
	public int sayHello3(String a, boolean b, Object c) {
		String abc = a + b + c;
		System.out.println("a + b + c=" + abc);
		return abc.hashCode();
	}
}

public class CustomHandler implements InvocationHandler {

	private Object obj;

	public CustomHandler(Object obj) {
		this.obj = obj;
	}

	@Override
	public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
		System.out.println("pre method");
		Object result = method.invoke(obj, args);
		System.out.println("post method");
		return result;
	}

}

public class ProxyTest {

	public static void main(String[] args) throws Throwable {
		IHello hello = new Hello();
		CustomHandler customHandler = new CustomHandler(hello);
		IHello helloProxy = (IHello) ProxyFactory.newProxyInstance(hello.getClass().getClassLoader(), IHello.class, customHandler);
		System.out.println();
		System.out.println("a+false+Object=" + helloProxy.sayHello3("a", false, new Object()));
	}
	
}

执行结果：

methodFieldBody: private static java.lang.reflect.Method m0=Class.forName(“chapter9.javassistproxy3.IHello”).getDeclaredMethod(“sayHello3”, new Class[] {java.lang.String.class,boolean.class,java.lang.Object.class});
Invoke method: return ((java.lang.Integer) $0.h.invoke($0, m0, $args)).intValue();

pre method
a + b + c=afalsejava.lang.Object@504bae78
post method
a+false+Object=-903110407

看完三件事❤️

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作者：二进制之路

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Javassist实现JDK动态代理

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示例

生成代理类源码

Javassist实现JDK动态代理

1. 定义接口

2. 创建动态代理类

3. 添加实例变量InvocationHandler

4. 添加构造函数

5. 实现IHello接口声明

6. 实现IHello相关接口方法

6.1 遍历接口方法

6.2 代理方法实现

6.2.1 反射方法对象声明及初始化

6.2.2 接口方法体实现

7. 生成代理类字节码

8. 生成代理对象

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