Spring AOP(二) 修饰者模式和JDK Proxy

摘要：修饰者模式设计模式中的修饰者模式能动态地给目标对象增加额外的职责。修饰者模式调用的时序图如下图所示。的实现原理和修饰者模式类似。

 在上边一篇文章中我们介绍了Spring AOP的基本概念，今天我们就来学习一下与AOP实现相关的修饰者模式和Java Proxy相关的原理，为之后源码分析打下基础。

 Java设计模式中的修饰者模式能动态地给目标对象增加额外的职责(Responsibility)。它使用组合(object composition)，即将目标对象作为修饰者对象(代理)的成员变量，由修饰者对象决定调用目标对象的时机和调用前后所要增强的行为。

 装饰模式包含如下组成部分：

Component: 抽象构件，也就是目标对象所实现的接口，有operation函数

ConcreteComponent: 具体构件，也就是目标对象的类

Decorator: 抽象装饰类，也实现了抽象构件接口，也就是目标类和装饰类都实现了相同的接口

ConcreteDecorator: 具体装饰类，其中addBeavior函数就是增强的行为，装饰类可以自己决定addBeavior函数和目标对象函数operation函数的调用时机。

 修饰者模式调用的时序图如下图所示。程序首先创建目标对象，然后创建修饰者对象，并将目标对象传入作为其成员变量。当程序调用修饰者对象的operation函数时，修饰者对象会先调用目标对象的operation函数，然后再调用自己的addBehavior函数。这就是类似于AOP的后置增强器，在目标对象的行为之后添加新的行为。

 Spring AOP的实现原理和修饰者模式类似。在上一篇文章中说到AOP的动态代理有两种实现方式，分别是JDK Proxy和cglib。

 如下图所示，JDK Proxy的类结构和上文中修饰者的类图结构类似，都是代理对象和目标对象都实现相同的接口，代理对象持有目标对象和切面对象，并且决定目标函数和切面增强函数的调用时机。
 而cglib的实现略有不同，它没有实现实现相同接口，而是代理对象继承目标对象类。

 本文后续就讲解一下JDK Proxy的相关源码分析。

 JDK提供了Proxy类来实现动态代理的，可通过它的newProxyInstance函数来获得代理对象。JDK还提供了InvocationHandler类，代理对象的函数被调用时，会调用它的invoke函数，程序员可以在其中实现所需的逻辑。

 JDK Proxy的基本语法如下所示。先构造一个InvocationHandler 的实现类，然后调用Proxy的newProxyInstance 函数生成代理对象，传入类加载器，目标对象的接口和自定义的InvocationHandler实例。

public class CustomInvocationHandler implements InvocationHandler {
    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("Before invocation");
        Object retVal = method.invoke(target, args);
        System.out.println("After invocation");
        return retVal;
    }
}

CustomInvocationHandler customInvocationHandler = new CustomInvocationHandler(
        helloWord);
//通过Proxy.newProxyInstance生成代理对象
ProxyTest proxy = (ProxyTest) Proxy.newProxyInstance(
        ProxyTest.class.getClassLoader(),
       proxyObj.getClass().getInterfaces(), customInvocationHandler);

 我们首先来看一下Proxy的newProxyInstance函数。newProxyInstance函数的逻辑大致如下：

首先根据传入的目标对象接口动态生成代理类

然后获取代理类的构造函数实例

最后将InvocationHandler作为参数通过反射调用构造函数实例，生成代理类对象。

 具体源码如下所示。

public static Object newProxyInstance(ClassLoader loader,
                                        Class[] interfaces,
                                        InvocationHandler h)
    throws IllegalArgumentException
{

    final Class[] intfs = interfaces.clone();
    final SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
    if (sm != null) {
        checkProxyAccess(Reflection.getCallerClass(), loader, intfs);
    }
    // 1 动态生成代理对象的类
    Class cl = getProxyClass0(loader, intfs);

    // ... 代码省略，下边代码其实是在try catch中的
    if (sm != null) {
        checkNewProxyPermission(Reflection.getCallerClass(), cl);
    }
    // 2 获取代理类的构造函数
    final Constructor cons = cl.getConstructor(constructorParams);
    final InvocationHandler ih = h;
    if (!Modifier.isPublic(cl.getModifiers())) {
        AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction() {
            public Void run() {
                cons.setAccessible(true);
                return null;
            }
        });
    }
    // 3调用构造函数，传入InvocationHandler对象
    return cons.newInstance(new Object[]{h});
}

 getProxyClass0函数的源码如下所示，通过代理类缓存获取代理类信息，如果不存在则会生成代理类。

// 生成代理类
private static Class getProxyClass0(ClassLoader loader,
                                        Class... interfaces) {
    if (interfaces.length > 65535) {
        throw new IllegalArgumentException("interface limit exceeded");
    }

    // 如果已经有Proxy类的缓存则直接返回，否则要进行创建
    return proxyClassCache.get(loader, interfaces);
}

 JDK Proxy通过ProxyClassFactory生成代理类。其apply函数大致逻辑如下：

校验接口是否符合规范

生成代理类的名称和包名

生成代理类字节码

根据字节码生成代理类Class

// 生成代理类的工厂类
private static final class ProxyClassFactory
    implements BiFunction[], Class>
{
    // 所有代理类名的前缀
    private static final String proxyClassNamePrefix = "$Proxy";

    // 生成唯一类名的原子Long对象
    private static final AtomicLong nextUniqueNumber = new AtomicLong();

    @Override
    public Class apply(ClassLoader loader, Class[] interfaces) {

        Map, Boolean> interfaceSet = new IdentityHashMap<>(interfaces.length);
        for (Class intf : interfaces) {
            // 通过loader找到接口对应的类信息。
            Class interfaceClass = null;
            try {
                interfaceClass = Class.forName(intf.getName(), false, loader);
            } catch (ClassNotFoundException e) {
            }
            if (interfaceClass != intf) {
                throw new IllegalArgumentException(
                    intf + " is not visible from class loader");
            }
            // 判断找出来的类确实是一个接口
            if (!interfaceClass.isInterface()) {
                throw new IllegalArgumentException(
                    interfaceClass.getName() + " is not an interface");
            }
            // 判断接口是否重复
            if (interfaceSet.put(interfaceClass, Boolean.TRUE) != null) {
                throw new IllegalArgumentException(
                    "repeated interface: " + interfaceClass.getName());
            }
        }
        // 代理类的包路径
        String proxyPkg = null;
        int accessFlags = Modifier.PUBLIC | Modifier.FINAL;

        // 记录非公开的代理接口，以便于生成的代理类和原来的类在同一个路径下。 
        for (Class intf : interfaces) {
            int flags = intf.getModifiers();
            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");
                }
            }
        }
        // 如果没有非公开的Proxy接口，使用com.sun.proxy报名
        if (proxyPkg == null) {
            proxyPkg = ReflectUtil.PROXY_PACKAGE + ".";
        }

        long num = nextUniqueNumber.getAndIncrement();
        // 默认情况下，代理类的完全限定名为：com.sun.proxy.$Proxy0，$Proxy1……依次递增  
        String proxyName = proxyPkg + proxyClassNamePrefix + num;

        // 生成代理类字节码
        byte[] proxyClassFile = ProxyGenerator.generateProxyClass(
            proxyName, interfaces, accessFlags);
        try {
            // 根据字节码返回相应的Class实例
            return defineClass0(loader, proxyName,
                                proxyClassFile, 0, proxyClassFile.length);
        } catch (ClassFormatError e) {
            throw new IllegalArgumentException(e.toString());
        }
    }
}

 其中关于字节码生成的部分逻辑我们就暂时不深入介绍了，感兴趣的同学可以自行研究。

 我们来看一下生成的代理类的反编译代码。代理类实现了Object的基础函数，比如toString、hasCode和equals ，也实现了目标接口中定义的函数，比如说ProxyTest接口的test 函数。

  $Proxy中函数的实现都是直接调用了InvocationHandler 的invoke函数。

public final class $Proxy0 extends Proxy
  implements ProxyTest 
// 会实现目标接口，但是由于集成了Proxy，所以无法再集成其他类
{
  private static Method m1;
  private static Method m0;
  private static Method m3;
  private static Method m2;
  // 构造函数要传入一个InvocationHandler对象
  public $Proxy0(InvocationHandler paramInvocationHandler)
    throws 
  {
    super(paramInvocationHandler);
  }
  // equal函数
  public final boolean equals(Object paramObject)
    throws 
  {
      try
    {
      return ((Boolean)this.h.invoke(this, m1, new Object[] { paramObject })).booleanValue();
    }
    catch (RuntimeException localRuntimeException)
    {
      throw localRuntimeException;
    }
    catch (Throwable localThrowable)
    {
    }
    throw new UndeclaredThrowableException(localThrowable);
  }

  public final int hashCode()
    throws 
  {
    try
    {
      return ((Integer)this.h.invoke(this, m0, null)).intValue();
    }
    catch (RuntimeException localRuntimeException)
    {
      throw localRuntimeException;
    }
    catch (Throwable localThrowable)
    {
    }
    throw new UndeclaredThrowableException(localThrowable);
  }
  // test函数，也就是ProxyTest接口中定义的函数
  public final void test(String paramString)
    throws 
  {
    try
    {
      // 调用InvocationHandler的invoke函数
      this.h.invoke(this, m3, new Object[] { paramString });
      return;
    }
    catch (RuntimeException localRuntimeException)
    {
      throw localRuntimeException;
    }
    catch (Throwable localThrowable)
    {
    }
    throw new UndeclaredThrowableException(localThrowable);
  }

  public final String toString()
    throws 
  {
    try
    {
      return (String)this.h.invoke(this, m2, null);
    }
    catch (RuntimeException localRuntimeException)
    {
      throw localRuntimeException;
    }
    catch (Throwable localThrowable)
    {
    }
    throw new UndeclaredThrowableException(localThrowable);
  }
  // 获取各个函数的Method对象
  static
  {
    try
    {
      m1 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("equals", new Class[] { Class.forName("java.lang.Object") });
      m0 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("hashCode", new Class[0]);
      m3 = Class.forName("com.proxy.test2.HelloTest").getMethod("say", new Class[] { Class.forName("java.lang.String") });
      m2 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("toString", new Class[0]);
      return;
    }
    catch (NoSuchMethodException localNoSuchMethodException)
    {
      throw new NoSuchMethodError(localNoSuchMethodException.getMessage());
    }
    catch (ClassNotFoundException localClassNotFoundException)
    {
    }
    throw new NoClassDefFoundError(localClassNotFoundException.getMessage());
  }
}

 下一篇文章就是AOP的源码分析了，希望大家继续关注。