前言
最近,看了一下关于RMI(Remote Method Invocation)相关的知识,遇到了一个动态代理的问题,然后就决定探究一下动态代理。
这里先科普一下RMI。
RMI
像我们平时写的程序,对象之间互相调用方法都是在同一个JVM中进行,而RMI可以实现一个JVM上的对象调用另一个JVM上对象的方法,即远程调用。
接口定义
定义一个远程对象接口,实现Remote接口来进行标记。
public interface UserInterface extends Remote {
void sayHello() throws RemoteException;
}
远程对象定义
定义一个远程对象类,继承UnicastRemoteObject来实现Serializable和Remote接口,并实现接口方法。
public class User extends UnicastRemoteObject implements UserInterface {
public User() throws RemoteException {}
@Override
public void sayHello() {
System.out.println("Hello World");
}
}
服务端
启动服务端,将user对象在注册表上进行注册。
public class RmiServer {
public static void main(String[] args) throws RemoteException, AlreadyBoundException, MalformedURLException {
User user = new User();
LocateRegistry.createRegistry(8888);
Naming.bind("rmi://127.0.0.1:8888/user", user);
System.out.println("rmi server is starting...");
}
}
启动服务端:
客户端
从服务端注册表获取远程对象,在服务端调用sayHello()方法。
public class RmiClient {
public static void main(String[] args) throws RemoteException, NotBoundException, MalformedURLException {
UserInterface user = (UserInterface) Naming.lookup("rmi://127.0.0.1:8888/user");
user.sayHello();
}
}
服务端运行结果:
至此,一个简单的RMI demo完成。
动态代理
提出问题
看了看RMI代码,觉得UserInterface这个接口有点多余,如果客户端使用Naming.lookup()获取的对象不强转成UserInterface,直接强转成User是不是也可以,于是试了一下,就报了以下错误:
似曾相识又有点陌生的$Proxy0,翻了翻尘封的笔记找到了是动态代理的知识点,寥寥几笔带过,所以决定梳理一下动态代理,重新整理一份笔记。
动态代理Demo
接口定义
public interface UserInterface {
void sayHello();
}
真实角色定义
public class User implements UserInterface {
@Override
public void sayHello() {
System.out.println("Hello World");
}
}
调用处理类定义
代理类调用真实角色的方法时,其实是调用与真实角色绑定的处理类对象的invoke()方法,而invoke()调用的是真实角色的方法。
这里需要实现 InvocationHandler 接口以及invoke()方法。
public class UserHandler implements InvocationHandler {
private User user;
public UserProxy(User user) {
this.user = user;
}
@Override
public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
System.out.println("invoking start....");
method.invoke(user);
System.out.println("invoking stop....");
return user;
}
}
执行类
public class Main {
public static void main(String[] args) {
User user = new User();
// 处理类和真实角色绑定
UserHandler userHandler = new UserHandler(user);
// 开启将代理类class文件保存到本地模式,平时可以省略
System.getProperties().put("sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles", "true");
// 动态代理生成代理对象$Proxy0
Object o = Proxy.newProxyInstance(Main.class.getClassLoader(), new Class[]{UserInterface.class}, userHandler);
// 调用的其实是invoke()
((UserInterface)o).sayHello();
}
运行结果:
这样动态代理的基本用法就学完了,可是还有好多问题不明白。
动态代理是怎么调用的invoke()方法?
处理类UserHandler有什么作用?
为什么要将类加载器和接口类数组当作参数传入newProxyInstance?
假如让你去实现动态代理,你有什么设计思路?
猜想
动态代理,是不是和静态代理,即设计模式的代理模式有相同之处呢?
简单捋一捋代理模式实现原理:真实角色和代理角色共同实现一个接口并实现抽象方法A,代理类持有真实角色对象,代理类在A方法中调用真实角色对象的A方法。在Main中实例化代理对象,调用其A方法,间接调用了真实角色的A方法。
「实现代码」
// 接口和真实角色对象就用上面代码
// 代理类,实现UserInterface接口
public class UserProxy implements UserInterface {
// 持有真实角色对象
private User user = new User();
@Override
public void sayHello() {
System.out.println("invoking start....");
// 在代理对象的sayHello()里调用真实角色的sayHello()
user.sayHello();
System.out.println("invoking stop....");
}
}
// 运行类
public class Main {
public static void main(String[] args) {
// 实例化代理角色对象
UserInterface userProxy = new UserProxy();
// 调用了代理对象的sayHello(),其实是调用了真实角色的sayHello()
userProxy.sayHello();
}
拿开始的动态代理代码和静态代理比较,接口、真实角色都有了,区别就是多了一个UserHandler处理类,少了一个UserProxy代理类。
接着对比一下两者的处理类和代理类,发现UserHandler的invoke()和UserProxy的sayHello()这两个方法的代码都是一样的。那么,是不是新建一个UserProxy类,然后实现UserInterface接口并持有UserHandler的对象,在sayHello()方法中调用UserHandler的invoke()方法,就可以动态代理了。
「代码大概就是这样的」
// 猜想的代理类结构,动态代理生成的代理是com.sun.proxy.$Proxy0
public class UserProxy implements UserInterface{
// 持有处理类的对象
private InvocationHandler handler;
public UserProxy(InvocationHandler handler) {
this.handler = handler;
}
// 实现sayHello()方法,并调用invoke()
@Override
public void sayHello() {
try {
handler.invoke(this, UserInterface.class.getMethod("sayHello"), null);
} catch (Throwable throwable) {
throwable.printStackTrace();
}
}
}
// 执行类
public static void main(String[] args) {
User user = new User();
UserHandler userHandler = new UserHandler(user);
UserProxy proxy = new UserProxy(userHandler);
proxy.sayHello();
}
输出结果:
上面的代理类代码是写死的,而动态代理是当你调用Proxy.newProxyInstance()时,会根据你传入的参数来动态生成这个代理类代码,如果让我实现,会是以下这个流程。
根据你传入的Class[]接口数组,代理类会来实现这些接口及其方法(这里就是sayHello()),并且持有你传入的userHandler对象,使用文件流将预先设定的包名、类名、方法名等一行行代码写到本地磁盘,生成$Proxy0.java文件
使用编译器将编译成Proxy0.class
根据你传入的ClassLoader将$Proxy0.class加载到JMV中
调用Proxy.newProxyInstance()就会返回一个$Proxy0的对象,然后调用sayHello(),就执行了里面userHandler的invoke()
以上就是对动态代理的一个猜想过程,下面就通过debug看看源码是怎么实现的。
在困惑的日子里学会拥抱源码
拥抱源码
调用流程图
这里先用PPT画一个流程图,可以跟着流程图来看后面的源码。
流程图
「从newProxyInstance()设置断点」
newProxyInstance()
newProxyInstance()代码分为上下两部分,上部分是获取类,下部分是通过反射构建Proxy0对象。
「上部分代码」
newProxyInstance()
从名字看就知道getProxyClass0()是核心方法,step into
getProxyClass0()
getProxyClass()
里面调用了WeakCache对象的get()方法,这里暂停一下debug,先讲讲WeakCache类。
WeakCache
顾名思义,它是一个弱引用缓存。那什么是是弱引用呢,是不是还有强引用呢?
弱引用
WeakReference就是弱引用类,作为包装类来包装其他对象,在进行GC时,其中的包装对象会被回收,而WeakReference对象会被放到引用队列中。
举个栗子:
// 这就是强引用,只要不写str1 = null,str1指向的这个字符串不就会被垃圾回收
String str1 = new String("hello");
ReferenceQueue referenceQueue = new ReferenceQueue();
// 只要垃圾回收,这个str2里面包装的对象就会被回收,但是这个弱引用对象不会被回收,即word会被回收,但是str2指向的弱引用对象不会
// 每个弱引用关联一个ReferenceQueue,当包装的对象被回收,这个弱引用对象会被放入引用队列中
WeakReference<String> str2 = new WeakReference<>(new String("world"), referenceQueue);
// 执行gc
System.gc();
Thread.sleep(3);
// 输出被回收包装对象的弱引用对象:java.lang.ref.WeakReference@2077d4de
// 可以debug看一下,弱引用对象的referent变量指向的包装对象已经为null
System.out.println(referenceQueue.poll());
WeakCache的结构
其实整个WeakCache的都是围绕着成员变量map来工作的,构建了一个一个<K,<K,V>>格式的二级缓存,在动态代理中对应的类型是<类加载器, <接口Class, 代理Class>>,它们都使用了弱引用进行包装,这样在垃圾回收的时候就可以直接回收,减少了堆内存占用。
// 存放已回收弱引用的队列
private final ReferenceQueue<K> refQueue = new ReferenceQueue<>();
// 使用ConcurrentMap实现的二级缓存结构
private final ConcurrentMap<Object, ConcurrentMap<Object, Supplier<V>>> map = new ConcurrentHashMap<>();
// 可以不关注这个,这个是用来标识二级缓存中的value是否存在的,即Supplier是否被回收
private final ConcurrentMap<Supplier<V>, Boolean> reverseMap = new ConcurrentHashMap<>();
// 包装传入的接口class,生成二级缓存的Key
private final BiFunction<K, P, ?> subKeyFactory = new KeyFactory();
// 包装$Proxy0,生成二级缓存的Value
private final BiFunction<K, P, V> valueFactory = new ProxyClassFactory();
WeakCache的get()
回到debug,接着进入get()方法,看看map二级缓存是怎么生成KV的。
public V get(K key, P parameter) {
Objects.requireNonNull(parameter);
// 遍历refQueue,然后将缓存map中对应的失效value删除
expungeStaleEntries();
// 以ClassLoader为key,构建map的一级缓存的Key,是CacheKey对象
Object cacheKey = CacheK.valueOf(key, refQueue);
// 通过Key从map中获取一级缓存的value,即ConcurrentMap
ConcurrentMap<Object, Supplier<V>> valuesMap = map.get(cacheKey);
if (valuesMap == null) {
// 如果Key不存在,就新建一个ConCurrentMap放入map,这里使用的是putIfAbsent
// 如果key已经存在了,就不覆盖并返回里面的value,不存在就返回null并放入Key
// 现在缓存map的结构就是ConCurrentMap<CacheKey, ConCurrentMap<Object, Supplier>>
ConcurrentMap<Object, Supplier<V>> oldValuesMap = map.putIfAbsent(cacheKey, valuesMap = new ConcurrentHashMap<>());
// 如果其他线程已经创建了这个Key并放入就可以复用了
if (oldValuesMap != null) {
valuesMap = oldValuesMap;
}
}
// 生成二级缓存的subKey,现在缓存map的结构就是ConCurrentMap<CacheKey, ConCurrentMap<Key1, Supplier>>
// 看后面的<生成二级缓存Key>!!!
Object subKey = Objects.requireNonNull(subKeyFactory.apply(key, parameter));
// 根据二级缓存的subKey获取value
Supplier<V> supplier = valuesMap.get(subKey);
Factory factory = null;
// !!!直到完成二级缓存Value的构建才结束,Value是弱引用的$Proxy0.class!!!
while (true) {
// 第一次循环:suppiler肯定是null,因为还没有将放入二级缓存的KV值
// 第二次循环:这里suppiler不为null了!!!进入if
if (supplier != null) {
// 第二次循环:真正生成代理对象,
// 往后翻,看<生成二级缓存Value>,核心!!!!!
// 看完后面回到这里:value就是弱引用后的$Proxy0.class
V value = supplier.get();
if (value != null) {
// 本方法及上部分的最后一行代码,跳转最后的<构建$Proxy对象>
return value;
}
}
// 第一次循环:factory肯定为null,生成二级缓存的Value
if (factory == null) {
factory = new Factory(key, parameter, subKey, valuesMap);
}
// 第一次循环:将subKey和factory作为KV放入二级缓存
if (supplier == null) {
supplier = valuesMap.putIfAbsent(subKey, factory);
if (supplier == null) {
// 第一次循环:赋值之后suppiler就不为空了,记住!!!!!
supplier = factory;
}
}
}
}
}
生成二级缓存Key
在get()中调用subKeyFactory.apply(key, parameter),根据你newProxyInstance()传入的接口Class[]的个数来生成二级缓存的Key,这里我们就传入了一个UserInterface.class,所以就返回了Key1对象。
KeyFactory.apply()
不论是Key1、Key2还是KeyX,他们都继承了WeakReference,都是包装对象是Class的弱引用类。这里看看Key1的代码。
Key1
生成二级缓存Value
在上面的while循环中,第一次循环只是生成了一个空的Factory对象放入了二级缓存的ConcurrentMap中。
在第二次循环中,才开始通过get()方法来真正的构建value。
别回头,接着往下看。
Factory.get()生成弱引用value
「CacheValue」类是一个弱引用,是二级缓存的Value值,包装的是class,在这里就是$Proxy0.class,至于这个类如何生成的,根据下面代码注释一直看完Class文件的生成
public synchronized V get() {
// 检查是否被回收,如果被回收,会继续执行上面的while循环,重新生成Factory
Supplier<V> supplier = valuesMap.get(subKey);
if (supplier != this) {
return null;
}
// 这里的V的类型是Class
V value = null;
// 这行是核心代码,看后面<class文件的生成>,记住这里返回的是Class
value = Objects.requireNonNull(valueFactory.apply(key, parameter));
// 将Class对象包装成弱引用
CacheValue<V> cacheValue = new CacheValue<>(value);
// 回到上面<WeakCache的get()方法>V value = supplier.get();
return value;
}
}
CacheValue
Class文件的生成
包名类名的定义与验证
进入valueFactory.apply(key, parameter)方法,看看class文件是怎么生成的。
private static final String proxyClassNamePrefix = "$Proxy";
public Class<?> apply(ClassLoader loader, Class<?>[] interfaces) {
Map<Class<?>, Boolean> interfaceSet = new IdentityHashMap<>(interfaces.length);
// 遍历你传入的Class[],我们只传入了UserInterface.class
for (Class<?> intf : interfaces) {
Class<?> interfaceClass = null;
// 获取接口类
interfaceClass = Class.forName(intf.getName(), false, loader);
// 这里就很明确为什么只能传入接口类,不是接口类会报错
if (!interfaceClass.isInterface()) {
throw new IllegalArgumentException(
interfaceClass.getName() + " is not an interface");
}
String proxyPkg = null;
int accessFlags = Modifier.PUBLIC | Modifier.FINAL;
for (Class<?> intf : interfaces) {
int flags = intf.getModifiers();
// 验证接口是否是public,不是public代理类会用接口的package,因为只有在同一包内才能继承
// 我们的UserInterface是public,所以跳过
if (!Modifier.isPublic(flags)) {
accessFlags = Modifier.FINAL;
String name = intf.getName();
int n = name.lastIndexOf('.');
String pkg = ((n == -1) ? "" : name.substring(0, n + 1));
if (proxyPkg == null) {
proxyPkg = pkg;
} else if (!pkg.equals(proxyPkg)) {
throw new IllegalArgumentException(
"non-public interfaces from different packages");
}
}
}
// 如果接口类是public,则用默认的包
if (proxyPkg == null) {
// PROXY_PACKAGE = "com.sun.proxy";
proxyPkg = ReflectUtil.PROXY_PACKAGE + ".";
}
// 原子Int,此时num = 0
long num = nextUniqueNumber.getAndIncrement();
// com.sun.proxy.$Proxy0,这里包名和类名就出现了!!!
String proxyName = proxyPkg + proxyClassNamePrefix + num;
// !!!!生成class文件,查看后面<class文件写入本地> 核心!!!!
byte[] proxyClassFile = ProxyGenerator.generateProxyClass(proxyName, interfaces, accessFlags);
// !!!看完下面再回来看这行!!!!
// 获取了字节数组之后,获取了class的二进制流将类加载到了JVM中
// 并且返回了$Proxy0.class,返回给Factory.get()来包装
return defineClass0(loader, proxyName,proxyClassFile, 0, proxyClassFile.length);
}
}
}
defineClass0()是Proxy类自定义的类加载的native方法,会获取class文件的二进制流加载到JVM中,以获取对应的Class对象,这一块可以参考JVM类加载器。
class文件写入本地
generateProxyClass()方法会将class二进制文件写入本地目录,并返回class文件的二进制流,使用你传入的类加载器加载,「这里你知道类加载器的作用了么」。
public static byte[] generateProxyClass(final String name,
Class[] interfaces)
{
ProxyGenerator gen = new ProxyGenerator(name, interfaces);
// 生成class文件的二进制,查看后面<生成class文件二进制>
final byte[] classFile = gen.generateClassFile();
// 将class文件写入本地
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$Proxy0.class字节数组,回到上面<class文件生成>
return classFile;
}
生成class文件二进制流
generateClassFile()生成class文件,并存放到字节数组,「可以顺便学一下class结构,这里也体现了你传入的class[]的作用」。
private byte[] generateClassFile() {
// 将hashcode、equals、toString是三个方法放入代理类中
addProxyMethod(hashCodeMethod, Object.class);
addProxyMethod(equalsMethod, Object.class);
addProxyMethod(toStringMethod, Object.class);
for (int i = 0; i < interfaces.length; i++) {
Method[] methods = interfaces[i].getMethods();
for (int j = 0; j < methods.length; j++) {
// 将接口类的方法放入新建的代理类中,这里就是sayHello()
addProxyMethod(methods[j], interfaces[i]);
}
}
for (List<ProxyMethod> sigmethods : proxyMethods.values()) {
checkReturnTypes(sigmethods);
}
// 给代理类增加构造方法
methods.add(generateConstructor());
for (List<ProxyMethod> sigmethods : proxyMethods.values()) {
for (ProxyMethod pm : sigmethods) {
// 将上面的四个方法都封装成Method类型成员变量
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());
}
}
// static静态块构造
methods.add(generateStaticInitializer());
cp.getClass(dotToSlash(className));
cp.getClass(superclassName);
for (int i = 0; i < interfaces.length; i++) {
cp.getClass(dotToSlash(interfaces[i].getName()));
}
cp.setReadOnly();
ByteArrayOutputStream bout = new ByteArrayOutputStream();
DataOutputStream dout = new DataOutputStream(bout);
// !!!核心点来了!这里就开始构建class文件了,以下都是class的结构,只写一部分
try {
// u4 magic,class文件的魔数,确认是否为一个能被JVM接受的class
dout.writeInt(0xCAFEBABE);
// u2 minor_version,0
dout.writeShort(CLASSFILE_MINOR_VERSION);
// u2 major_version,主版本号,Java8对应的是52;
dout.writeShort(CLASSFILE_MAJOR_VERSION);
// 常量池
cp.write(dout);
// 其他结构,可参考class文件结构
dout.writeShort(ACC_PUBLIC | ACC_FINAL | ACC_SUPER);
dout.writeShort(cp.getClass(dotToSlash(className)));
dout.writeShort(cp.getClass(superclassName));
dout.writeShort(interfaces.length);
for (int i = 0; i < interfaces.length; i++) {
dout.writeShort(cp.getClass(
dotToSlash(interfaces[i].getName())));
}
dout.writeShort(fields.size());
for (FieldInfo f : fields) {
f.write(dout);
}
dout.writeShort(methods.size());
for (MethodInfo m : methods) {
m.write(dout);
}
dout.writeShort(0);
} catch (IOException e) {
throw new InternalError("unexpected I/O Exception", e);
}
// 将class文件字节数组返回
return bout.toByteArray();
}
构建$Proxy对象
newProxyInstance()上半部分经过上面层层代码调用,获取了$Proxy0.class,接下来看下部分代码:
newInstance
cl就是上面获取的Proxy0.class,h就是上面传入的userHandler,被当做构造参数来创建$Proxy0对象。然后获取这个动态代理对象,调用sayHello()方法,相当于调用了UserHandler的invoke(),「这里就是UserHandler的作用」!
$Proxy.class文件
我们开启了将代理class写到本地目录的功能,在项目下的com/sum/proxy目录下找到了$Proxy0的class文件。
「看一下反编译的class」
package com.sun.proxy;
import com.test.proxy.UserInterface;
import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Proxy;
import java.lang.reflect.UndeclaredThrowableException;
public final class $Proxy0 extends Proxy implements UserInterface {
private static Method m1;
private static Method m3;
private static Method m2;
private static Method m0;
public $Proxy0(InvocationHandler var1) throws {
super(var1);
}
public final boolean equals(Object var1) throws {
try {
return (Boolean)super.h.invoke(this, m1, new Object[]{var1});
} catch (RuntimeException | Error var3) {
throw var3;
} catch (Throwable var4) {
throw new UndeclaredThrowableException(var4);
}
}
public final void sayHello() throws {
try {
super.h.invoke(this, m3, (Object[])null);
} catch (RuntimeException | Error var2) {
throw var2;
} catch (Throwable var3) {
throw new UndeclaredThrowableException(var3);
}
}
public final String toString() throws {
try {
return (String)super.h.invoke(this, m2, (Object[])null);
} catch (RuntimeException | Error var2) {
throw var2;
} catch (Throwable var3) {
throw new UndeclaredThrowableException(var3);
}
}
public final int hashCode() throws {
try {
return (Integer)super.h.invoke(this, m0, (Object[])null);
} catch (RuntimeException | Error var2) {
throw var2;
} catch (Throwable var3) {
throw new UndeclaredThrowableException(var3);
}
}
static {
try {
m1 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("equals", Class.forName("java.lang.Object"));
m3 = Class.forName("com.test.proxy.UserInterface").getMethod("sayHello");
m2 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("toString");
m0 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("hashCode");
} catch (NoSuchMethodException var2) {
throw new NoSuchMethodError(var2.getMessage());
} catch (ClassNotFoundException var3) {
throw new NoClassDefFoundError(var3.getMessage());
}
}
}
结语
上面就是动态代理源码的调试过程,与之前的猜想的代理类的生成过程比较,动态代理是直接生成class文件,省去了java文件和编译这一块。
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