Java基础之动态代理是基于什么原理?

2020-04-29   202 次阅读


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、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

这个题目给我的第一印象是稍微有点诱导的嫌疑,可能会下意识地以为动态代理就是利用反射机制实现的,这么说也不算错但稍微有些不全面。功能才是目的,实现的方法有很多。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

  1. 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:https://docs.oracle.com/javase/tutorial/reflect/index.html

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:

module MyEntities {
    // Open for reflection
    opens com.mycorp to java.persistence;
}

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,我们可以使用下面参数显式设置。

--illegal-access={ permit | warn | deny }
  1. 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();
        MyInvocationHandler handler = new MyInvocationHandler(hello);
        // 构造代码实例
        Hello proxyHello = (Hello) Proxy.newProxyInstance(HelloImpl.class.getClassLoader(), HelloImpl.class.getInterfaces(), handler);
        // 调用代理方法
        proxyHello.sayHello();
    }
}
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,甚至事务处理等,你可以参考下面这张图。


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。

Q.E.D.

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