动态代理的缓存实现

动态代理的缓存实现

字节码


我们经常听到字节码,简单的说字节码就是Java源代码到虚拟机执行的期间生成的中间代码。

JVM虽然叫Java虚拟机,但是更准确的叫法我觉得应该是字节码虚拟机。

因为我们听过很多的JVM语言,其实它们之所以能在JVM上运行,也是编译成字节码丢进去运行的。

我们一般使用javac来生成java字节码来让jvm去运行。

那其实宽泛的说javac也就是一个字节码生成器。

因为字节码是二进制流,所以我们自然也可以用java语言手动产生一个字节码流。

字节码生成器


字节码生成器说到底就是根据字节码规范去用程序生成字节码。

一般用的比较多的就是JavaassistCGLIB之类。

提到CGLIB我们很容易想到的就是代理。

不过在java的动态代理的实现中,也是利用这种方法自动产生动态类加载进去的。

动态代理


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//声明一个接口
public interface Greeting {
void sayHello();
void sayWorld();
}

public class Student implements Greeting {
@Override
public void sayHello() {
System.out.println("hello");
}
@Override
public void sayWorld() {
System.out.println("world");
}
}
class StudentInvocationHandler implements InvocationHandler {

private Object object;
public StudentInvocationHandler(Object o) {
this.object = o;
}

@Override
public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
if (method.getName().equals("sayHello")) {
System.out.println("beforeSayHello");
}
else if (method.getName().equals("sayWorld")) {
System.out.println("beforeSayWorld");
}
return method.invoke(object,args);
}
}
public class Aop {
public static void main(String[] args) {
Student student = new Student();
StudentInvocationHandler studentAop = new StudentInvocationHandler(student);
Greeting greeting = (Greeting) Proxy.newProxyInstance(
student.getClass().getClassLoader(),
student.getClass().getInterfaces(),
studentAop);
greeting.sayHello();
greeting.sayWorld();
}
}

运行结果是

beforeSayHello
hello
beforeSayWorld
world

那么大概动态代理帮我们生成了什么代理类呢

声明大概是这样

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public class ProxyClass extends Students implements Greeting {

}

并且把其中的每个方法的内容大概都改为了

public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable

的内容。

Proxy类


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

// ...

Class<?> cl = getProxyClass0(loader, intfs);


try {
final Constructor<?> cons = cl.getConstructor(constructorParams);
final InvocationHandler ih = h;
if (!Modifier.isPublic(cl.getModifiers())) {
AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
public Void run() {
cons.setAccessible(true);
return null;
}
});
}
return cons.newInstance(new Object[]{h});
} catch ( ... ) {
//...
}
}

进行了一些缩减,try里面的代码是对新的类进行了newInstance,所以在getProxyClass0中就已经生成好了新的代理类并进行了加载。

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private static Class<?> getProxyClass0(ClassLoader loader,
Class<?>... interfaces) {
if (interfaces.length > 65535) {
throw new IllegalArgumentException("interface limit exceeded");
}
return proxyClassCache.get(loader, interfaces);
}

这里的proxyClassCache,在类中定义为,保存的是代理Class的缓存

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private static final WeakCache<ClassLoader, Class<?>[], Class<?>>
proxyClassCache = new WeakCache<>(new KeyFactory(), new ProxyClassFactory());

简单说一下这个WeakCache的作用,在这儿之前,先看看new的两个类分别是做什么用的?

先看KeyFactory

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/*
* 这个类是一个函数式类,实现了BiFunction,实现了apply方法
* 其中Key1,Key2和KeyX类都是大概是下面这样,选取了KeyX
* private final int hash;
* private final WeakReference<Class<?>>[] refs;
* KeyX(Class<?>[] interfaces) {
* hash = Arrays.hashCode(interfaces);
* refs = (WeakReference<Class<?>>[])new WeakReference<?>[interfaces.length];
* for (int i = 0; i < interfaces.length; i++) {
* refs[i] = new WeakReference<>(interfaces[i]);
* }
* 就是说把构造参数整体取个Hash存在hash属性中,然后把每个interface都放到一个弱引用中
* 如果你知道java中的引用级别的话,就知道弱引用的对象只能活到下次gc前。
* 其中key0是这么写的
* private static final Object key0 = new Object();
*
*/
private static final class KeyFactory
implements BiFunction<ClassLoader, Class<?>[], Object>
{
@Override
public Object apply(ClassLoader classLoader, Class<?>[] interfaces) {
switch (interfaces.length) {
case 1: return new Key1(interfaces[0]); // the most frequent
case 2: return new Key2(interfaces[0], interfaces[1]);
case 0: return key0;
default: return new KeyX(interfaces);
}
}
}

再来看看ProxyClassFactory

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/**
*
* 这个类也是实现了一个函数式接口,实现了apply方法,最终的结果就是返回了我们要生成的代理类
*
*/
private static final class ProxyClassFactory
implements BiFunction<ClassLoader, Class<?>[], Class<?>>
{
// prefix for all proxy class names
private static final String proxyClassNamePrefix = "$Proxy";

// next number to use for generation of unique proxy class names
private static final AtomicLong nextUniqueNumber = new AtomicLong();

@Override
public Class<?> apply(ClassLoader loader, Class<?>[] interfaces) {
//返回代理类的class
}
}

看完了参数中的两个类,我们再看看看WeakCache到底怎么实现缓存的,因为直观上看,其实我们觉得这个缓存类非常复杂

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/**
* 我们还是具体问题具体分析,根据上面的构造
* WeakCache<ClassLoader, Class<?>[], Class<?>>
* K是ClassLoader, P是接口数组,V是要产生的代理类
* 还是回到最原始的问题上来,既然我们知道这个是做缓存用的,那么最基本的肯定要是Map的key,value的格式
* 根据这个最基本的点,我们来看是怎么做的
*/
final class WeakCache<K, P, V> {

/**
* 这个refQueue是用来保存
* 在weak reference指向的对象被回收后, weak reference本身其实也就没有用了.
* java提供了一个ReferenceQueue来保存这些所指向的对象已经被回收的reference.
* 用法是在定义WeakReference的时候将一个ReferenceQueue的对象作为参数传入构函数.
*/
private final ReferenceQueue<K> refQueue
= new ReferenceQueue<>();
//这里是实际的缓存类,这里配备的是两级缓存
//第一级就是对应的classLoader缓存
//第二级是subKeyFactory.apply(key, parameter)产生的key
//supplier#get返回的就是我们需要的代理类class
//为什么需要按照classLoader来划分呢,因为双亲委派机制的存在
private final ConcurrentMap<Object, ConcurrentMap<Object, Supplier<V>>> map
= new ConcurrentHashMap<>();
private final ConcurrentMap<Supplier<V>, Boolean> reverseMap
= new ConcurrentHashMap<>();
private final BiFunction<K, P, ?> subKeyFactory;
private final BiFunction<K, P, V> valueFactory;

//构造函数,我们传进去了
//new WeakCache<>(new KeyFactory(), new ProxyClassFactory());
//如果你还记得,KeyFactory里面有个字段是对所有的接口做了hash
//ProxyClassFactory是返回我们要生成的代理类
public WeakCache(BiFunction<K, P, ?> subKeyFactory,
BiFunction<K, P, V> valueFactory) {
this.subKeyFactory = Objects.requireNonNull(subKeyFactory);
this.valueFactory = Objects.requireNonNull(valueFactory);
}

/**
* WeakCache中还有几个静态内部类,CacheValue和CacheKey
*/
/**
* Value继承了Supplier接口,Supplier也是一个函数式接口,里面有一个get方法
* public interface Supplier<T> {
* T get();
* }
* CacheValue继承了WeakReference类,也就是弱引用。
* 其中的hash值调用了System.identityHashCode
* 这是个native方法,还是返回了hashcode,那为什么不直接调用hashcode方法呢,
* 文档中写的是这个方法排除了这个类覆盖了hashcode方法,也就是调用了Object的hashcode方法
*/
private interface Value<V> extends Supplier<V> {}

private static final class CacheValue<V>
extends WeakReference<V> implements Value<V>
{
private final int hash;

CacheValue(V value) {
super(value);
this.hash = System.identityHashCode(value);
}

@Override
public int hashCode() {
return hash;
}

@Override
public boolean equals(Object obj) {
V value;
return obj == this ||
obj instanceof Value &&
// cleared CacheValue is only equal to itself
(value = get()) != null &&
value == ((Value<?>) obj).get(); // compare by identity
}
}

/**
* CacheKey也是继承了WeakReference方法
*/
private static final class CacheKey<K> extends WeakReference<K> {

// a replacement for null keys
private static final Object NULL_KEY = new Object();

static <K> Object valueOf(K key, ReferenceQueue<K> refQueue) {
return key == null
// null key means we can't weakly reference it,
// so we use a NULL_KEY singleton as cache key
? NULL_KEY
// non-null key requires wrapping with a WeakReference
: new CacheKey<>(key, refQueue);
}

private final int hash;

private CacheKey(K key, ReferenceQueue<K> refQueue) {
super(key, refQueue);
this.hash = System.identityHashCode(key); // compare by identity
}

@Override
public int hashCode() {
return hash;
}

@Override
public boolean equals(Object obj) {
K key;
return obj == this ||
obj != null &&
obj.getClass() == this.getClass() &&
// cleared CacheKey is only equal to itself
(key = this.get()) != null &&
// compare key by identity
key == ((CacheKey<K>) obj).get();
}

void expungeFrom(ConcurrentMap<?, ? extends ConcurrentMap<?, ?>> map,
ConcurrentMap<?, Boolean> reverseMap) {
// removing just by key is always safe here because after a CacheKey
// is cleared and enqueue-ed it is only equal to itself
// (see equals method)...
ConcurrentMap<?, ?> valuesMap = map.remove(this);
// remove also from reverseMap if needed
if (valuesMap != null) {
for (Object cacheValue : valuesMap.values()) {
reverseMap.remove(cacheValue);
}
}
}
}

/**
* 来看看我们的get方法
* 回忆一下我们是怎么调用它的
* proxyClassCache.get(loader, interfaces);
* key就是我们的classLoader, parameter是我们的接口数组
*/
public V get(K key, P parameter) {
Objects.requireNonNull(parameter);

expungeStaleEntries();

//由于是第一次调用,所以new了一个新的cacheKey出来
Object cacheKey = CacheKey.valueOf(key, refQueue);

//由于是第一次调用,所以这里还是等于null
/**
* 再来分析一下这个map
* 这个map的声明是
* ConcurrentMap<Object, ConcurrentMap<Object, Supplier<V>>> map
* = new ConcurrentHashMap<>();
* 这三个字段分别是什么意思呢,我们从下面的putIfAbsent()可以看出
* 第一个就是CacheKey,是一个弱引用,下一次gc后不存在了
* 第二个的key是subKeyFactory.apply(key, parameter)产生的keyX对象
* 第二个的value就是产生我们代理类class的Supplier,其中的get方法返回的是代理类的class
* 如果我们已经看了下面就会发现第二个value就是CacheValue,也是一个弱引用,下一次gc后不存在了
* 那其实唯一的一个强引用就是keyX对象,但是keyX中的字段中的interfce[]数组还是弱引用的
* 如果经历过一次gc,那唯一存在的就是keyX中的hash值,那其实还是一个过期值。
*/
ConcurrentMap<Object, Supplier<V>> valuesMap = map.get(cacheKey);
if (valuesMap == null) {
ConcurrentMap<Object, Supplier<V>> oldValuesMap
= map.putIfAbsent(cacheKey,
valuesMap = new ConcurrentHashMap<>());
if (oldValuesMap != null) {
valuesMap = oldValuesMap;
}
}


//这里利用KeyFactory返回了一个KeyX对象
Object subKey = Objects.requireNonNull(subKeyFactory.apply(key, parameter));
//得到class的supplier
Supplier<V> supplier = valuesMap.get(subKey);
Factory factory = null;

//这里是个循环,循环退出的条件是supplier.get()返回一个非null的值,这个值就是我们代理类的class
//这里的设计是考虑了并发的情况的
//factory的get方法是用来计算出class文件,然后放到缓存中
while (true) {
if (supplier != null) {
//如果得到了value,那么就返回
//这里有两种情况
//第一种就是已经在缓存中了,所以直接返回就好
//第二种就是缓存中没有它,这里的supplier其实已经被替换成了一个Factory(见下面的代码)
//然后调用factory的get方法同步得到一个class
V value = supplier.get();
if (value != null) {
return value;
}
}

//懒加载一个Factory
if (factory == null) {
factory = new Factory(key, parameter, subKey, valuesMap);
}
//反复检查supplier是不是空
if (supplier == null) {
supplier = valuesMap.putIfAbsent(subKey, factory);
if (supplier == null) {
supplier = factory;
}
} else {
if (valuesMap.replace(subKey, supplier, factory)) {
supplier = factory;
} else {
//如果已经有线程进行了处理并加到了缓存中
supplier = valuesMap.get(subKey);
}
}
}
}

下面看看Factory到底实现了什么

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/**
* 从上面用法看这个Factory最终赋给了Supplier,所以这个类也是提供代理类class的
* 不过这个类的get方法比较特殊,是个同步方法
*/
private final class Factory implements Supplier<V> {

private final K key;
private final P parameter;
private final Object subKey;
private final ConcurrentMap<Object, Supplier<V>> valuesMap;

Factory(K key, P parameter, Object subKey,
ConcurrentMap<Object, Supplier<V>> valuesMap) {
this.key = key;
this.parameter = parameter;
this.subKey = subKey;
this.valuesMap = valuesMap;
}

@Override
//这个get方法是个同步的方法,用来保证在多线程环境下的并发安全
public synchronized V get() {
//再次检查一遍,这样第二个往后进来的线程就可以直接返回,得到缓存中的值
//避免重复计算
Supplier<V> supplier = valuesMap.get(subKey);
if (supplier != this) {
return null;
}
//现在supplier == this
V value = null;
try {
//这里产生新的代理类class
value = Objects.requireNonNull(valueFactory.apply(key, parameter));
} finally {
if (value == null) {
//如果value还是null,说明出现了失败
valuesMap.remove(subKey, this);
}
}
//还是检查一遍value不为空
assert value != null;

//把代理类class包装进CacheValue中
CacheValue<V> cacheValue = new CacheValue<>(value);

if (valuesMap.replace(subKey, this, cacheValue)) {
reverseMap.put(cacheValue, Boolean.TRUE);
} else {
throw new AssertionError("Should not reach here");
}
return value;
}
}

那是怎么处理过期的缓存呢,就是被gc收集走的那些缓存

在WeakCache#get中还执行了

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expungeStaleEntries();


/**
* 如果你还记得在WeakCache中有个对象是
* private final ReferenceQueue<K> refQueue = new ReferenceQueue<>();
* 因为弱引用在下一次gc后被回收,那么那些指向对象的引用,就会被放到这个queue中
*/
private void expungeStaleEntries() {
CacheKey<K> cacheKey;
while ((cacheKey = (CacheKey<K>)refQueue.poll()) != null) {
cacheKey.expungeFrom(map, reverseMap);
}
}

//CacheKey方法中,把自己从map中移除
void expungeFrom(ConcurrentMap<?, ? extends ConcurrentMap<?, ?>> map,
ConcurrentMap<?, Boolean> reverseMap) {
// removing just by key is always safe here because after a CacheKey
// is cleared and enqueue-ed it is only equal to itself
// (see equals method)...
ConcurrentMap<?, ?> valuesMap = map.remove(this);
// remove also from reverseMap if needed
if (valuesMap != null) {
for (Object cacheValue : valuesMap.values()) {
reverseMap.remove(cacheValue);
}
}
}

至此,分析都差不多了,下面看看到底是怎么生成字节码的,在ProxyClassFactory的apply方法中

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

Map<Class<?>, Boolean> interfaceSet = new IdentityHashMap<>(interfaces.length);
for (Class<?> intf : interfaces) {
/*
* Verify that the class loader resolves the name of this
* interface to the same Class object.
*/
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");
}
/*
* Verify that the Class object actually represents an
* interface.
*/
if (!interfaceClass.isInterface()) {
throw new IllegalArgumentException(
interfaceClass.getName() + " is not an interface");
}
/*
* Verify that this interface is not a duplicate.
*/
if (interfaceSet.put(interfaceClass, Boolean.TRUE) != null) {
throw new IllegalArgumentException(
"repeated interface: " + interfaceClass.getName());
}
}

String proxyPkg = null; // package to define proxy class in
int accessFlags = Modifier.PUBLIC | Modifier.FINAL;

/*
* Record the package of a non-public proxy interface so that the
* proxy class will be defined in the same package. Verify that
* all non-public proxy interfaces are in the same package.
*/
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");
}
}
}

if (proxyPkg == null) {
// if no non-public proxy interfaces, use com.sun.proxy package
proxyPkg = ReflectUtil.PROXY_PACKAGE + ".";
}

/*
* Choose a name for the proxy class to generate.
*/
long num = nextUniqueNumber.getAndIncrement();
String proxyName = proxyPkg + proxyClassNamePrefix + num;

/*
* Generate the specified proxy class.
*/
byte[] proxyClassFile = ProxyGenerator.generateProxyClass(
proxyName, interfaces, accessFlags);
try {
return defineClass0(loader, proxyName,
proxyClassFile, 0, proxyClassFile.length);
} catch (ClassFormatError e) {
/*
* A ClassFormatError here means that (barring bugs in the
* proxy class generation code) there was some other
* invalid aspect of the arguments supplied to the proxy
* class creation (such as virtual machine limitations
* exceeded).
*/
throw new IllegalArgumentException(e.toString());
}
}

主要方法在ProxyGenerator#generateProxyClass方法中,返回的是一个二进制的class流byte[ ]

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public class ProxyGenerator {
public static byte[] generateProxyClass(final String var0, Class<?>[] var1, int var2) {
ProxyGenerator var3 = new ProxyGenerator(var0, var1, var2);
final byte[] var4 = var3.generateClassFile();
if (saveGeneratedFiles) {
AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
public Void run() {
try {
int var1 = var0.lastIndexOf(46);
Path var2;
if (var1 > 0) {
Path var3 = Paths.get(var0.substring(0, var1).replace('.', File.separatorChar));
Files.createDirectories(var3);
var2 = var3.resolve(var0.substring(var1 + 1, var0.length()) + ".class");
} else {
var2 = Paths.get(var0 + ".class");
}

Files.write(var2, var4, new OpenOption[0]);
return null;
} catch (IOException var4x) {
throw new InternalError("I/O exception saving generated file: " + var4x);
}
}
});
}

return var4;
}
}

下面就不进行赘述了。