笔者在写设计模式的代理模式的时候,顺便想起并利用Java的JDK实现了动态代理。事后对源代码很感兴趣,于是顺手分析了一下。其中代理模式两种实现方式见:https://github.com/link8hu/java-
public static Object newProxyInstance(...)
throws IllegalArgumentException
{
//验证传入的InvocationHandler不能为空
Objects.requireNonNull(h);
//复制代理类实现的所有接口
final Class<?>[] intfs = interfaces.clone();
//获取安全管理器
final SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
//进行一些权限检验
if (sm != null) {
checkProxyAccess(Reflection.getCallerClass(), loader, intfs);
}
//该方法先从缓存获取代理类, 如果没有再去生成一个代理类
Class<?> cl = getProxyClass0(loader, intfs);
try {
//进行一些权限检验
if (sm != null) {
checkNewProxyPermission(Reflection.getCallerClass(), cl);
}
//获取参数类型是InvocationHandler.class的代理类构造器
final Constructor<?> cons = cl.getConstructor(constructorParams);
final InvocationHandler ih = h;
//如果代理类是不可访问的, 就使用特权将它的构造器设置为可访问
if (!Modifier.isPublic(cl.getModifiers())) {
AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
public Void run() {
cons.setAccessible(true);
return null;
}
});
}
//传入InvocationHandler实例去构造一个代理类的实例
//所有代理类都继承自Proxy, 因此这里会调用Proxy的构造器将InvocationHandler引用传入
return cons.newInstance(new Object[]{
h});
} catch (Exception e) {
//为了节省篇幅, 笔者统一用Exception捕获了所有异常
throw new InternalError(e.toString(), e);
}
}
整体流程如注释所示:newProxyInstance方法首先是对参数进行一些权限校验,之后通过调用getProxyClass0方法生成了代理类的类对象,然后获取参数类型是InvocationHandler.class的代理类构造器。检验构造器是否可以访问,最后传入InvocationHandler实例的引用去构造出一个代理类实例,InvocationHandler实例的引用其实是Proxy持有着,因为生成的代理类默认继承自Proxy,所以最后会调用Proxy的构造器将引用传入。
其中重点是getProxyClass0方法,我们接下来看如何生成的:
private static Class<?> getProxyClass0(ClassLoader loader,
Class<?>... interfaces) {
if (interfaces.length > 65535) {
throw new IllegalArgumentException("interface limit exceeded");
}
//如果代理类已经贝给定的类加载器实现,则会简单的返回复制的代理类,否则使用ProxyClassFactory创建
return proxyClassCache.get(loader, interfaces);
}
调用的接口是weakCache的get方法,weakCache实现时采用了两级map作为缓存,第一层使用类加载器作为key,第二层采用接口作为key(这也是为什么JDK的动态代理必须实现接口)。具体实现如下:
public V get(K key, P parameter) {
//这里要求实现的接口不能为空
Objects.requireNonNull(parameter);
//清除过期的缓存
expungeStaleEntries();
//将ClassLoader包装成CacheKey, 作为一级缓存的key
Object cacheKey = CacheKey.valueOf(key, refQueue);
//获取得到二级缓存(懒加载)
ConcurrentMap<Object, Supplier<V>> valuesMap = map.get(cacheKey);
//如果根据ClassLoader没有获取到对应的值
if (valuesMap == null) {
//以CAS方式放入, 如果不存在则放入,否则返回原先的值
ConcurrentMap<Object, Supplier<V>> oldValuesMap = map.putIfAbsent(cacheKey,
valuesMap = new ConcurrentHashMap<>());
//如果oldValuesMap有值, 说明放入失败
if (oldValuesMap != null) {
valuesMap = oldValuesMap;
}
}
//根据代理类实现的接口数组来生成二级缓存key, 分为key0, key1, key2, keyx
Object subKey = Objects.requireNonNull(subKeyFactory.apply(key, parameter));
//这里通过subKey获取到二级缓存的值
Supplier<V> supplier = valuesMap.get(subKey);
Factory factory = null;
//这个循环提供了轮询机制, 如果条件为假就继续重试直到条件为真为止
while (true) {
//如果通过subKey取出来的值不为空
if (supplier != null) {
//在这里supplier可能是一个Factory也可能会是一个CacheValue
//在这里不作判断, 而是在Supplier实现类的get方法里面进行验证
V value = supplier.get();
if (value != null) {
return value;
}
}
if (factory == null) {
//懒新建一个Factory实例作为subKey对应的值
factory = new Factory(key, parameter, subKey, valuesMap);
}
if (supplier == null) {
//到这里表明subKey没有对应的值, 就将factory作为subKey的值放入
supplier = valuesMap.putIfAbsent(subKey, factory);
if (supplier == null) {
//到这里表明成功将factory放入缓存(下一轮循环返回值)
supplier = factory;
}
//否则, 可能期间有其他线程修改了值, 那么就不再继续给subKey赋值, 而是取出来直接用
} else {
//期间可能其他线程修改了值, 那么就将原先的值替换
if (valuesMap.replace(subKey, supplier, factory)) {
//成功将factory替换成新的值
supplier = factory;
} else {
//替换失败, 继续使用原先的值
supplier = valuesMap.get(subKey);
}
}
}
}
可以看到,WeakCache 为了提高并发量,并没有采用加锁的方式实现,而是使用了轻量级CAS的ConcurrentHashMap实现,将并发的线程安全保证交给了ConcurrentHashMap,尽可能使同步代码块更小。我们看到ClassLoader作为了一级缓存的key,这样可以首先根据ClassLoader筛选一遍,因为不同ClassLoader加载的类是不同的。然后它用接口数组来生成二级缓存的key,这里它进行了一些优化,因为大部分类都是实现了一个或两个接口,所以二级缓存key分为key0,key1,key2,keyX。key0到key2分别表示实现了0到2个接口,keyX表示实现了3个或以上的接口,事实上大部分都只会用到key1和key2。最后,我们看到这里的二级缓存的值是一个Factory实例,最终代理类的值是通过Factory这个工厂来获得的。
接下来我们深入到工厂类看下代码实现:
public synchronized V get() {
// serialize access
//这里再一次去二级缓存里面获取Supplier, 用来验证是否是Factory本身
Supplier<V> supplier = valuesMap.get(subKey);
if (supplier != this) {
// something changed while we were waiting:
// might be that we were replaced by a CacheValue
// or were removed because of failure ->
// return null to signal WeakCache.get() to retry
// the loop
return null;
}
// else still us (supplier == this)
//委托valueFactory去生成代理类, 这里会通过传入的ProxyClassFactory去生成代理类
V value = null;
try {
value = Objects.requireNonNull(valueFactory.apply(key, parameter));
} finally {
if (value == null) {
// remove us on failure
valuesMap.remove(subKey, this);
}
}
// the only path to reach here is with non-null value
assert value != null;
// wrap value with CacheValue (WeakReference)
CacheValue<V> cacheValue = new CacheValue<>(value);
// put into reverseMap
reverseMap.put(cacheValue, Boolean.TRUE);
// try replacing us with CacheValue (this should always succeed)
if (!valuesMap.replace(subKey, this, cacheValue)) {
throw new AssertionError("Should not reach here");
}
// successfully replaced us with new CacheValue -> return the value
// wrapped by it
return value;
}
}
我们可以看到方法使用了synchronized关键字去同步,并且最后采用了ProxyClassFactory的apply方法去生成代理类。我们继续分析:
//代理类生成工厂
private static final class ProxyClassFactory
implements BiFunction<ClassLoader, Class<?>[], Class<?>> {
//代理类名称前缀
private static final String proxyClassNamePrefix = "$Proxy";
//用原子类来生成代理类的序号, 以此来确定唯一的代理类
private static final AtomicLong nextUniqueNumber = new AtomicLong();
@Override
public Class<?> apply(ClassLoader loader, Class<?>[] interfaces) {
Map<Class<?>, Boolean> interfaceSet = new IdentityHashMap<>(interfaces.length);
for (Class<?> intf : interfaces) {
//这里遍历interfaces数组进行验证, 主要做三件事情
//1.intf是否可以由指定的类加载进行加载
//2.intf是否是一个接口
//3.intf在数组中是否有重复
}
//生成代理类的包名
String proxyPkg = null;
//生成代理类的访问标志, 默认是public final的
int accessFlags = Modifier.PUBLIC | Modifier.FINAL;
for (Class<?> intf : interfaces) {
//获取接口的访问标志
int flags = intf.getModifiers();
//如果接口的访问标志不是public, 那么生成代理类的包名和接口包名相同
if (!Modifier.isPublic(flags)) {
//生成的代理类的访问标志设置为final
accessFlags = Modifier.FINAL;
//获取接口全限定名, 例如:java.util.Collection
String name = intf.getName();
int n = name.lastIndexOf('.');
//剪裁后得到包名:java.util
String pkg = ((n == -1) ? "" : name.substring(0, n + 1));
//生成的代理类的包名和接口包名是一样的
if (proxyPkg == null) {
proxyPkg = pkg;
} else if (!pkg.equals(proxyPkg)) {
//代理类如果实现不同包的接口, 并且接口都不是public的, 那么就会在这里报错
throw new IllegalArgumentException(
"non-public interfaces from different packages");
}
}
}
//如果接口访问标志都是public的话, 那生成的代理类都放到默认的包下:com.sun.proxy
if (proxyPkg == null) {
proxyPkg = ReflectUtil.PROXY_PACKAGE + ".";
}
//生成代理类的序号
long num = nextUniqueNumber.getAndIncrement();
//生成代理类的全限定名, 包名+前缀+序号, 例如:com.sun.proxy.$Proxy0
String proxyName = proxyPkg + proxyClassNamePrefix + num;
//这里是核心, 用ProxyGenerator来生成字节码, 该类放在sun.misc包下
byte[] proxyClassFile = ProxyGenerator.generateProxyClass(proxyName,
interfaces, accessFlags);
try {
//根据二进制文件生成相应的Class实例
return defineClass0(loader, proxyName, proxyClassFile,
0, proxyClassFile.length);
} catch (ClassFormatError e) {
throw new IllegalArgumentException(e.toString());
}
}
}
该工厂的apply方法会被调用用来生成代理类的Class对象,由于代码的注释比较详细,我们只挑关键点进行阐述,其他的就不反复赘述了。
在代码中可以看到JDK生成的代理类的类名是“$Proxy”+序号。
如果接口是public的,代理类默认是public final的,并且生成的代理类默认放到com.sun.proxy这个包下。
如果接口是非public的,那么代理类也是非public的,并且生成的代理类会放在对应接口所在的包下。
如果接口是非public的,并且这些接口不在同一个包下,那么就会报错。
生成具体的字节码是调用了ProxyGenerator这个类的generateProxyClass方法。这个类放在sun.misc包下,后续我们会扒出这个类继续深究其底层源码。需要注意的是这个类位于sun包里面,我们需要下载openJDK才能查看源码。该类的generateProxyClass()静态方法的核心内容就是去调用generateClassFile()实例方法来生成Class文件。我们直接来看generateClassFile()这个方法内部做了些什么。
private byte[] generateClassFile() {
/* ============================================================
* Step 1: Assemble ProxyMethod objects for all methods to
* generate proxy dispatching code for.
*/
/*
* 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 (Class<?> intf : interfaces) {
for (Method m : intf.getMethods()) {
addProxyMethod(m, intf);
}
}
/*
* 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", e);
}
if (methods.size() > 65535) {
throw new IllegalArgumentException("method limit exceeded");
}
if (fields.size() > 65535) {
throw new IllegalArgumentException("field limit exceeded");
}
/* ============================================================
* 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 (Class<?> intf: interfaces) {
cp.getClass(dotToSlash(intf.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(accessFlags);
// 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 (Class<?> intf : interfaces) {
dout.writeShort(cp.getClass(
dotToSlash(intf.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", e);
}
return bout.toByteArray();
}
dout.writeInt(0xCAFEBABE);
看到这句话的 CAFEBABE 熟悉的感觉铺面而来,这是Javaclass文件的开头魔数啊,不了解的朋友请先学习下Java虚拟机。这JDK是操作字节码然后生成的代理类呀!!!