Java动态代理 jdk和cglib的实现比较

发现Java面试很喜欢问Spring AOP怎么实现的之类的问题，所以写一篇文章来整理一下。关于AOP和代理模式的概念这里并不做赘述，而是直奔主题，即AOP的实现方式：动态代理。与静态代理对比，动态代理是在runtime动态生成Java代理类，由代理类完成对具体方法的封装，实现AOP的功能。

本文将分析Java中两种动态代理的实现方式，jdk proxy和cglib，比较它们的异同。本文并不会过多地分析jdk和cglib的源码去探究底层的实现细节，而只关注最后生成的代理类应该是什么样的，如何实现代理。只是我个人的整理和思考，和真正的jdk，cglib的产生的结果可能不尽相同，但从原理上来讲是一致的。

文章的最后也会探讨如何自己实现一个简单的动态代理，并提供我自己实现的简单版本，当然仅供参考。

JDK Proxy

这是Java反射包java.lang.reflect提供的动态代理的方式，这种代理方式是完全基于接口的。这里先给出一个简单的例子。

定义接口：

interface ifc {
  int add(int, int);
}

然后是接口ifc的实现类Real：

class Real implements ifc {
  @Override
  public int add(int x, int y) {
    return x + y;
  }

Real就是我们需要代理的类，比如我们希望在调用add的前后打印一些log，这实际上就是AOP了。我们需要最终产生一个代理类，实现同样的接口ifc，执行Real.add的功能，但需要增加一行新的打印语句。这一切对用户是透明的，用户只需要关心接口的调用。为了能在Real.add的周围添加额外代码，动态代理都是通过一种类似方法拦截器的东西来实现的，在Java Proxy里这就是InvocationHandler.

class Handler implements InvocationHandler {
  private final Real real;

  public Handler(Real real) {
    this.real = real;
  }

  @Override
  public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args)
      throws IllegalAccessException, IllegalArgumentException,
             InvocationTargetException {
    System.out.println("=== BEFORE ===");
    Object re = method.invoke(real, args);
    System.out.println("=== AFTER ===");
    return re;
  }
}

这里最关键的就是invoke方法，实际上代理类的add方法，以及其它方法（如果接口还定义了其它方法），最终都只是调用这个Handler的invoke方法，由你来具体定义在invoke里需要做什么，通常就是调用真正实体类Real的方法，这里就是add，以及额外的AOP行为（打印 BEFORE 和 AFTER）。所以可想而知，代理类里必然是有一个InvocationHandler的实例的，所有的接口方法调用都会由这个handler实例来代理。

所以我们应该能大概刻画出这个代理类的模样：

public ProxyClass implements ifc {
  private static Method mAdd;

  private InvocationHandler handler;

  static {
    Class clazz = Class.forName("ifc");
    mAdd = clazz.getMethod("add", int.class, int.class);
  }
  
  @Override
  public int add(int x, int y) {
    return (Integer)handler.invoke(this, mAdd, new Object[] {x, y});
  }
}

这个版本非常简单，但已足够实现我们的要求。我们来观察这个类，首先毋庸置疑它实现了ifc接口，这是代理模式的根本。它的add方法直接调用InvocationHandler实例的invoke方法，传入三个参数，第一个是代理类本身this指针，第二个是add方法的反射类，第三个是参数列表。所以在invoke方法里，用户就能自由定义它的行为实现AOP，所有这一切的桥梁就是InvocationHandler，它完成方法的拦截与代理。

代理模式一般要求代理类中有一个真正类（被代理类）的实例，在这里也就是Real的实例，这样代理类才能去调用Real中原本的add方法。那Real在哪里呢？答案也是在InvocationHandler里。这与标准的代理模式相比，似乎多了一层嵌套，不过这并没有关系，只要这个代理的链条能够搭建起来，它就符合代理模式的要求。

注意到这里add方法的反射实例mAdd的初始化方式，我们使用静态块static {...}来完成，只会被设置一次，并且不会有多线程问题。当然你也可以用懒加载等方式，不过就得考虑并发的安全性。

最后看一下JDK Proxy的具体使用：

Handler handler = new Handler(new Real());
ifc p = (ifc)Proxy.newProxyInstance(ifc.class.getClassLoader(),
                                    new Class[] {ifc},
                                    handler);
p.add(1, 2);

方法newProxyInstance就会动态产生代理类，并且返回给我们一个实例，实现了ifc接口。这个方法需要三个参数，第一个ClassLoader并不重要；第二个是接口列表，即这个代理类需要实现那些接口，因为JDK的Proxy是完全基于接口的，它封装的是接口的方法而不是实体类；第三个参数就是InvocationHandler的实例，它会被放置在最终的代理类中，作为方法拦截和代理的桥梁。注意到这里的handler包含了一个Real实例，这在上面已经说过是代理模式的必然要求。

总结一下JDK Proxy的原理，首先它是完全面向接口的，其实这才是符合代理模式的标准定义的。我们有两个类，被代理类Real和需要动态生成的代理类ProxyClass，都实现了接口ifc。类ProxyClass需要拦截接口ifc上所有方法的调用，并且最终转发到实体类Real上，这两者之间的桥梁就是方法拦截器InvocatioHandler的invoke方法。

上面的例子里我给出类ProxyClass的源代码，当然实际上JDK Proxy是不会去产生源代码的，而是直接生成类的原始数据，它具体是怎么实现我们暂时不讨论，我们目前只需要关心这个类是什么样的，以及它实现代理的原理。

cglib实现动态代理

这是Spring使用的方式，与JDK Proxy不同之处在于它不是面向接口的，而是基于类的继承。这似乎是有点违背代理模式的标准格式，不过这没有关系，所谓的代理模式只是一种思想而不是严格的规范。我们直接看它是如何使用的。

现在没有接口，我们直接有实体类：

class Real {
  public int add(int x, int y) {
    return x + y;
  }
}

类似于InvocationHandler，这里cglib直接使用一个叫MethodInterceptor的类，顾名思义。

public class Interceptor implements MethodInterceptor {
  @Override
  public Object intercept(Object obj,
                          Method method,
                          Object[] args,
                          MethodProxy proxy) throws Throwable {
      System.out.println("=== BEFORE ===");
      Object re = proxy.invokeSuper(obj, args);
      System.out.println("=== AFTER ===");
      return re;
  }
}

使用方法：

public static void main(String[] args) {
  Enhancer eh = new Enhancer();
  eh.setSuperclass(Real.class);
  eh.setCallback(new Interceptor());

  Real r = (Real)eh.create();
  int result = r.add(1, 2);
}

如果你仔细和JDK Proxy比较，会发现它们其实是类似的：

1. 首先JDK Proxy提供interface列表，而cglib提供superclass供代理类继承，本质上都是一样的，就是提供这个代理类的签名，也就是对外表现为什么类型。
2. 然后是一个方法拦截器，JDK Proxy里是InvocationHandler，而cglib里一般就是MethodInterceptor，所有被代理的方法的调用是通过它们的invoke和intercept方法进行转接的，AOP的逻辑也是在这一层实现。

它们不同之处上面已经说了，就在于cglib生成的动态代理类是直接继承原始类的，所以我们这里也可以大概刻画出这个代理类长什么样子：

public ProxyClass extends Real {
  private static Method mAdd;
  private static MethodProxy mAddProxy;

  private MethodInterceptor interceptor;

  static {
    Class clazz = Class.forName("ifc");
    mAdd = clazz.getMethod("add", int.class, int.class);
    // Some logic to generate mAddProxy.
    // ...
  }
  
  @Override
  public int add(int x, int y) {
    return (Integer)interceptor.invoke(
        this, mAdd, new Object[] {x, y}, mAddProxy);
  }
}

因为直接继承了Real，那自然就包含了Real的所有public方法，都通过interceptor.invoke进行拦截代理。这其实和上面JDK Proxy的原理是类似的，连invoke和intercept方法的签名都差不多，第一个参数是this指针代理类本身，第二个参数是方法的反射，第三个参数是方法调用的参数列表。唯一不同的是，这里多出一个MethodProxy，它是做什么用的？

如果你仔细看这里invoke方法内部的写法，当用户想调用原始类（这里是Real）定义的方法时，它必须使用：

Object re = proxy.invokeSuper(obj, args);

这里就用到了那个MethodProxy，那我们为什么不直接写：

Object re = method.invoke(obj, args);

答案当然是不可以，你不妨试一下，程序会进入一个无限递归调用。这里的原因恰恰就是因为代理类是继承了原始类的，obj指向的就是代理类对象的实例，所以如果你对它使用method.invoke，由于多态性，就会又去调用代理类的add方法，继而又进入invoke方法，进入一个无限递归：

obj.add() {
  interceptor.invoke() {
    obj.add() {
      interceptor.invoke() {
        ...
      }
    }
  }
}

那我如何才能在interceptor.invoke()里去调用基类Real的add方法呢？当然通常做法是super.add()，然而这是在MethodInterceptor的方法里，而且这里的method调用必须通过反射完成，你并不能在语法层面上做到这一点。所以cglib封装了一个类叫MethodProxy帮助你，这也是为什么那个方法的名字叫invokeSuper，表明它调用的是原始基类的真正方法。它究竟是怎么办到的呢？你可以简单理解为，动态代理类里会生成这样一个方法：

int super_add(int x, int y) {
  return super.add(x, y);
}

当然你并不知道有这么一个方法，但invokeSuper会最终找到这个方法并调用，这都是在生成代理类时通过一系列反射的机制实现的，这里就不细展开了。

小结

以上我对比了JDK Proxy和cglib动态代理的使用方法和实现上的区别，它们本质上是类似的，都是提供两个最重要的东西：

1. 接口列表或者基类，定义了代理类（当然也包括原始类）的签名。
2. 一个方法拦截器，完成方法的拦截和代理，是所有调用链的桥梁。

需要说明的一点是，以上我给出的代理类ProxyClass的源代码，仅是参考性的最精简版本，只是为了说明原理，而不是JDK Proxy和cglib真正生成的代理类的样子，真正的代理类的逻辑要复杂的多，但是原理上基本是一致的。另外之前也说到过，事实上它们也不会生成源码，而是直接产生类的字节码，例如cglib是封装了ASM来直接生成Class数据的。

如何生成代理类

接下来的部分纯粹是实验性质的。既然知道了代理类长什么样，可能还是有人会关心底层究竟如何在runtime动态生成这个类，这里我个人想了两种方案。

第一种方法是动态生成ProxyClass源码，然后动态编译，就能得到Class了。这里就需要利用反射，加上一系列字符串拼接，生成源码。如果你充分理解代理类应该长什么样，其实并不是很难做到。那如何动态编译呢？你可以使用JOOR，这是一个封装了javax.tools.JavaCompiler的库，帮助你方便地实现动态编译Java源代码。我试着写了一个Demo，纯粹是实验性质的。而且它有个重大问题，我不知道如何修改它编译使用的classpath，在默认情况下它无法引用到你自己定义的任何类，因为它们不在编译的classpath里，编译就不会通过，这实际上就使得这个代码生成器没有任何卵用。。。我强行通过修改System.setProperty的classpath来添加我的class路径绕开了这个问题，然而这显然不是个解决根本问题的方法。

第二种方法更直接，就是生成类的字节码。这也是cglib使用的方法，它封装了ASM，这是一个可以用来直接操纵Class数据的库，通过它你就可以任意生成或修改你想要的Class，当然这需要你对虚拟机的字节码比较了解，才能玩得通这种比较黑科技的套路。这里我也写了一个Demo，也纯粹是实验而已，感兴趣的童鞋也可以自己试一下。写字节码还是挺酸爽的，它类似汇编但其实比汇编容易的多。它不像汇编那样一会儿寄存器一会儿内存地址，一会儿堆一会儿栈，各种变量和地址绕来绕去。字节码的执行方式是很清晰的，变量都存储在本地变量表里，栈只是用来做函数调用，所以非常直观。