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JAVA设计模式--代理模式(动态)(一)

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一、什么是动态代理

在静态代理(Static Proxy)模式中,代理类都是真实存在的,由程序员提前创建好的java类,是静态的,每一个代理类在编译之后都会生成一个.class字节码文件,静态代理类所实现的接口和所代理的方法早在编译期都已被固定了。

动态代理(Dynamic Proxy)则不同:动态代理使用字节码动态生成和加载技术,在系统运行时动态地生成和加载代理类。

与静态代理相比,动态代理有以下优点:首先,无需再为每一个真实主题写一个形式上完全一样的代理类,假如抽象主题接口中的方法很多的话,为每一个接口方法写一个代理方法也很麻烦,同样地,如果后期抽象主题接口发生变动,则真实主题和代理类都要修改,不利于系统维护;其次,动态代理可以让系统根据实际需要来动态创建代理类,同一个代理类能够代理多个不同的真实主题类,并且可以代理多个不同的方法。

二、Java对动态代理的支持

从JDK 1.3版本开始,Java语言提供了对动态代理的支持,在Java中实现动态代理机制,需要用到 java.lang.reflect 包中的 InvocationHandler 接口和 Proxy 类,我们先来看看java的API帮助文档是怎么样对这两个类进行描述的:

InvocationHandler 

InvocationHandler is the interface implemented by the invocation handler of a proxy instance. 
Each proxy instance has an associated invocation handler. When a method is invoked on a proxy instance, the 
method invocation is encoded and dispatched to the invoke method of its invocation handler.
InvocationHandler 是代理实例的调用处理程序实现的接口。
每个代理实例都具有一个与之关联的调用处理程序。对代理实例调用方法时,将对方法调用进行编码并将其指派到它的调用处理程
序的 invoke() 方法。

invoke() 方法形式如下:  

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

InvocationHandler 接口只包含invoke()这唯一一个方法,该方法用于处理对代理类实例的方法调用并返回相应的结果,当一个代理实例中的业务方法被调用时将自动调用该方法。invoke()方法包含三个参数,其中第一个参数proxy表示代理类的实例,第二个参数method表示需要代理的方法,第三个参数args表示代理方法的参数数组。 

Proxy 

Proxy provides static methods for creating dynamic proxy classes and instances, and it is also the superclass 
of all dynamic proxy classes created by those methods. 
Proxy 提供用于创建动态代理类和实例的静态方法,它还是由这些方法创建的所有动态代理类的超类。

Proxy提供给我们的静态方法有以下四个:  

//返回指定代理实例的调用处理程序。
static InvocationHandler getInvocationHandler(Object proxy) 

//返回代理类的 java.lang.Class 对象,并向其提供类加载器和接口数组。
static Class<?>	getProxyClass(ClassLoader loader, Class<?>[] interfaces) 

//当且仅当指定的类通过 getProxyClass 方法或 newProxyInstance 方法动态生成为代理类时,返回 true。
static boolean	isProxyClass(Class<?> cl) 

//返回一个指定接口的代理类实例,该接口可以将方法调用指派到指定的调用处理程序。
//方法中的 ClassLoader loader 参数用来指定动态代理类的类加载器,Class<?>[] interfaces用来指定动态代理类要实现的接口。
//InvocationHandler h 用来指定与即将生成的动态代理对象相关联的调用处理程序
static Object newProxyInstance(ClassLoader loader, Class<?>[] interfaces, InvocationHandler h) 

下面我们以为数据库增加日志记录功能(为简单起见,我们仅记录下所有操作的执行时间及操作执行的结果)为例来看一看如何使用这两个类实现动态代理:

为了使演示更清晰,在此先定义两个简单类,一个User类和一个Document类分别表示数据库中的用户记录和文档记录,其代码如下。  

public class User {
    // 用户在数据库中的ID
    private Long id;
    // 用户的姓名
    private String name;
    public User(Long id, String name) {
        super();
        this.id = id;
        this.name = name;
    }
    public Long getId() {
        return id;
    }
    public void setId(Long id) {
        this.id = id;
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}
public class Document {
    // 文档在数据库中的ID
    private Long id;
    // 文档的标题
    private String title;
    public Document(Long id, String title) {
        super();
        this.id = id;
        this.title = title;
    }
    public Long getId() {
        return id;
    }
    public void setId(Long id) {
        this.id = id;
    }
    public String getTitle() {
        return title;
    }
    public void setTitle(String title) {
        this.title = title;
    }
}

另外还需定义一个DataBase类用来扮演数据库的功能,在此为简单起见,将数据库中的用户记录和文档记录分别存储在一个Map中,代码如下。 

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
public class DataBase {
	private static Map<Long, User> userMap = null;
	private static Map<Long, Document> documentMap = null;
	// 用来记录当前登陆用户信息
	private static User currentUser = null;

	private DataBase() {
		// 数据初始化,为数据库中增加几条用户记录。。。
		userMap = new HashMap<Long, User>();
		userMap.put(20160708L, new User(20160708L, "燕凌娇"));
		userMap.put(20160709L, new User(20160709L, "姬如雪"));
		userMap.put(20160710L, new User(20160710L, "百里登风"));
		// 数据初始化,为数据库中增加几条文档记录。。。
		documentMap = new HashMap<Long, Document>();
		documentMap.put(30160708L, new Document(30160708L, "C++常用算法手册"));
		documentMap.put(30160709L, new Document(30160709L, "深入理解Android内核设计思想"));
		documentMap.put(30160710L, new Document(30160710L, "Java从入门到放弃"));
	}

	public User getCurrentUser() {
		return currentUser;
	}

	public void setCurrentUser(User currentUser) {
		DataBase.currentUser = currentUser;
	}

	public Map<Long, User> getUserMap() {
		return userMap;
	}

	public Map<Long, Document> getDocumentMap() {
		return documentMap;
	}

	public static DataBase getDataBaseInstance() {
		return DataBaseHolder.dataBase;
	}

	public static class DataBaseHolder {
		private static DataBase dataBase = new DataBase();
	}
}

数据库布置完成了,接下来开始写动态代理相关代码了,为了与静态代理进行比较,在此我们来创建两个接口(抽象主题角色)。 

public interface UserDao {
    // 登陆数据库,为了演示方便将字符串作为执行结果返回
    String login(Long id);
    // 退出数据库,为了演示方便将字符串作为执行结果返回
    String logout();
}
public interface DocumentDao {
    // 新增文档,为了演示方便将字符串作为执行结果返回
    String add(Document document);
    // 删除文档,为了演示方便将字符串作为执行结果返回
    String delete(Document document);
}

接下来是两个真实主题角色,ImpUserDao 类和ImpDocumentDao类,为了使示例结果清晰,此处将接口的执行结果直接以字符串形式返回。

public class ImpUserDao implements UserDao {
	@Override
	public String login(Long id) {
		User user = DataBase.getDataBaseInstance().getUserMap().get(id);
		if (null != user) {
			// 数据库有此用户的信息,则允许登陆...
			DataBase.getDataBaseInstance().setCurrentUser(user);
			return "用户[" + user.getName() + "]登陆成功...";
		} else {
			// 数据库没有此用户信息,则不让登陆...
			return "登陆失败,ID为\"" + id + "\"的用户不存在!";
		}
	}

	@Override
	public String logout() {
		User user = DataBase.getDataBaseInstance().getCurrentUser();
		if (null != user) {
			// 若当前有用户登陆,则退出成功...
			DataBase.getDataBaseInstance().setCurrentUser(null);
			return "用户[" + user.getName() + "]退出登陆成功...";
		} else {
			// 若当前无用户登陆,则退出失败...
			return "退出登陆失败,当前无登陆用户!";
		}
	}
}
public class ImpDocumentDao implements DocumentDao {
	@Override
	public String add(Document document) {
		User user = DataBase.getDataBaseInstance().getCurrentUser();
		if (null == user) {
			// 若当前用户未登陆,则新增文档失败...
			return "保存失败,未获取到登陆信息!";
		} else {
			Document dbDocument = DataBase.getDataBaseInstance().getDocumentMap().get(document.getId());
			if (null != dbDocument) {
				// 若数据库中已经存在该ID的文档,则新增文档失败...
				return "添加文档《" + document.getTitle() + "》失败,文档已存在!";
			} else {
				// 若该ID的文档在数据库不存在,则新增文档成功...
				DataBase.getDataBaseInstance().getDocumentMap().put(document.getId(), document);
				return "添加文档《" + document.getTitle() + "》成功...";
			}
		}
	}

	@Override
	public String delete(Document document) {
		User user = DataBase.getDataBaseInstance().getCurrentUser();
		if (null == user) {
			// 若当前用户未登陆,则新增文档失败...
			return "保存失败,未获取到登陆信息!";
		} else {
			Document dbDocument = DataBase.getDataBaseInstance().getDocumentMap().get(document.getId());
			if (null == dbDocument) {
				// 若数据库中该文档不存在,则删除文档失败...
				return "删除文档《" + document.getTitle() + "》失败,文档不存在!";
			} else {
				// 若数据库中该文档存在,则删除文档成功...
				DataBase.getDataBaseInstance().getDocumentMap().remove(document.getId());
				return "删除文档《" + document.getTitle() + "》成功...";
			}
		}
	}
}

最后,我们就要定义动态代理类了,前面说过,每一个动态代理类都必须要实现 InvocationHandler 这个接口,因此我们这个动态代理类也不例外。 

import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;
import java.util.Calendar;
import java.util.GregorianCalendar;

public class DataBaseLogHandler implements InvocationHandler {
	private Object object;
	private Calendar calendar;

	public DataBaseLogHandler(Object object) {
		super();
		this.object = object;
	}

	// invoke()方法用于处理对代理类实例的方法调用并返回相应的结果
	@Override
	public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
		before(method);
		// 继续转发请求给内部真实主题角色
		Object result = method.invoke(object, args);
		after(result);
		if (method.getName().equalsIgnoreCase("logout")) {
			System.out.println("**********************************");
			System.out.println("");
		}
		return result;
	}

	public void before(Method method) {
		calendar = new GregorianCalendar();
		int year = calendar.get(Calendar.YEAR);
		int month = calendar.get(Calendar.MONTH);
		int date = calendar.get(Calendar.DATE);
		int hour = calendar.get(Calendar.HOUR_OF_DAY);
		int minute = calendar.get(Calendar.MINUTE);
		int second = calendar.get(Calendar.SECOND);
		String time = hour + "时" + minute + "分" + second + "秒";
		System.out.println("北京时间:" + year + "年" + month + "月" + date + "日" + time + ",执行方法\"" + method.getName() + "\"");
	}

	public void after(Object object) {
		System.out.println("执行结果:" + object);
	}
}

至此,动态代理所需要的类就算创建完成了,接下来创建一个Client充当客户端来测试一下。

import java.lang.reflect.Proxy;

public class MainClass {
	public static void main(String[] args) {
		// 此处来创建了两个动态代理类对象...
		UserDao userDao = new ImpUserDao();
		DataBaseLogHandler userHandler = new DataBaseLogHandler(userDao);
		DocumentDao doucumentDao = new ImpDocumentDao();
		DataBaseLogHandler documentHandler = new DataBaseLogHandler(doucumentDao);
		UserDao userProxy = (UserDao) Proxy.newProxyInstance(UserDao.class.getClassLoader(),
				new Class[] { UserDao.class }, userHandler);
		DocumentDao documentProxy = (DocumentDao) Proxy.newProxyInstance(DocumentDao.class.getClassLoader(),
				new Class[] { DocumentDao.class }, documentHandler);
		// 先输入一个不存在的用户Id登陆试试...
		userProxy.login(20160718L);
		documentProxy.add(new Document(30160711L, "转角遇见幸福"));
		userProxy.logout();
		// 再用一个真实用户Id登陆试试...
		userProxy.login(20160708L);
		documentProxy.add(new Document(30160711L, "转角遇见幸福"));
		documentProxy.add(new Document(30160711L, "转角遇见幸福"));
		userProxy.logout();
	}
}

运行程序打印结果如下: 

北京时间:2016年6月11日19时33分46秒,执行方法"login"
执行结果:登陆失败,ID为"20160718"的用户不存在!
北京时间:2016年6月11日19时33分46秒,执行方法"add"
执行结果:保存失败,未获取到登陆信息!
北京时间:2016年6月11日19时33分46秒,执行方法"logout"
执行结果:退出登陆失败,当前无登陆用户!
**********************************

北京时间:2016年6月11日19时33分46秒,执行方法"login"
执行结果:用户[燕凌娇]登陆成功...
北京时间:2016年6月11日19时33分46秒,执行方法"add"
执行结果:添加文档《转角遇见幸福》成功...
北京时间:2016年6月11日19时33分46秒,执行方法"add"
执行结果:添加文档《转角遇见幸福》失败,文档已存在!
北京时间:2016年6月11日19时33分46秒,执行方法"logout"
执行结果:用户[燕凌娇]退出登陆成功...
**********************************

从以上程序的最终运行结果可以看出:通过使用JDK自带的动态代理,我们同时实现了对ImpUserDao和ImpDocumentDao两个真实主题类的统一代理和集中控制。至于该动态代理类是如何被创建的?将在下一篇文章详细讨论,接下来我们先看看如何使用CGLIB实现动态代理。  

三、使用CGLIB实现动态代理

生成动态代理类的方法很多,如上例中JDK自带的动态代理、CGLIB、Javassist 或者 ASM 库。JDK 的动态代理使用简单,它内置在 JDK 中,因此不需要引入第三方 Jar 包,但相对功能比较弱。CGLIB 和 Javassist 都是高级的字节码生成库,总体性能比 JDK 自带的动态代理好,而且功能十分强大。ASM 是低级的字节码生成工具,使用 ASM 已经近乎于在使用 Java bytecode 编程,对开发人员要求最高,当然,也是性能最好的一种动态代理生成工具。但 ASM 的使用很繁琐,而且性能也没有数量级的提升,与 CGLIB 等高级字节码生成工具相比,ASM 程序的维护性较差,如果不是在对性能有苛刻要求的场合,还是推荐 CGLIB 或者 Javassist。

接下来我们继续用上面的例子来体验一下如何使用CGLIB实现动态代理。

首先,使用CGLIB来实现动态代理需引入“asm.jar”(CGLIB的底层是使用ASM实现的)和“cglib.jar”两个第三方jar包,引入两个jar包时需注意其版本,若版本有冲突会出现以下异常:Exception in thread "main" java.lang.NoSuchMethodError: org.objectweb.asm.ClassWriter.<init>(I)V

接下来开始写代码,延用上例中的:User类、Document类、DataBase类、两个抽象主题接口UserDao和DocumentDao、两个真实主题角色类ImpUserDao和ImpDocumentDao,这几个类无需做任何修改,此处不再重复贴出。

去掉上例中的 DataBaseLogHandler 类,新增一个 CglibProxy 类,该类需实现CGLIB的 MethodInterceptor(方法拦截) 接口。 

import java.lang.reflect.Method;
import java.util.Calendar;
import java.util.GregorianCalendar;
import net.sf.cglib.proxy.Enhancer;
import net.sf.cglib.proxy.MethodInterceptor;
import net.sf.cglib.proxy.MethodProxy;

public class CglibProxy implements MethodInterceptor {
	private Calendar calendar;

	/**
	 * 创建动态代理类对象
	 *
	 * @param clazz
	 *            需要创建子类代理的父类的类型
	 * 
	 * @return
	 */
	public Object getProxyInstance(Class<?> clazz) {
		Enhancer enhancer = new Enhancer();
		// 设置要创建的动态代理类的父类
		enhancer.setSuperclass(clazz);
		// 设置回调的对象,此句会导致调用动态代理类对象的方法会被指派到CglibProxy对象的intercept()方法
		enhancer.setCallback(this);
		// 通过字节码技术动态创建动态代理类实例
		return enhancer.create();
	}

	@Override
	// 回调方法
	public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable {
		before(method);
		// 通过动态子类代理实例调用父类的方法
		Object result = proxy.invokeSuper(obj, args);
		after(result);
		if (method.getName().equalsIgnoreCase("logout")) {
			System.out.println("**********************************");
			System.out.println("");
		}
		return result;
	}

	public void before(Method method) {
		calendar = new GregorianCalendar();
		int year = calendar.get(Calendar.YEAR);
		int month = calendar.get(Calendar.MONTH);
		int date = calendar.get(Calendar.DATE);
		int hour = calendar.get(Calendar.HOUR_OF_DAY);
		int minute = calendar.get(Calendar.MINUTE);
		int second = calendar.get(Calendar.SECOND);
		String time = hour + "时" + minute + "分" + second + "秒";
		System.out
				.println("北京时间:" + year + "年" + month + "月" + date + "日" + time + ",执行方法\"" + method.getName() + "\"");
	}

	public void after(Object object) {
		System.out.println("执行结果:" + object);
	}
}

对客户端进行相应修改,如下。 

public class MainClass {
	public static void main(String[] args) {
		// 创建一个CglibProxy代理类对象,用来创建子类代理实例
		CglibProxy cglib = new CglibProxy();
		// 为ImpUserDao类添加一个动态代理类对象,即子类代理对象
		UserDao userProxy = (UserDao) cglib.getProxyInstance(ImpUserDao.class);
		// 为ImpDocumentDao类添加一个动态代理类对象,即子类代理对象
		DocumentDao documentProxy = (DocumentDao) cglib.getProxyInstance(ImpDocumentDao.class);
		// 先输入一个不存在的用户Id登陆试试...
		userProxy.login(20160718L);
		documentProxy.add(new Document(30160711L, "转角遇见幸福"));
		userProxy.logout();
		// 再用一个真实用户Id登陆试试...
		userProxy.login(20160708L);
		documentProxy.add(new Document(30160711L, "转角遇见幸福"));
		documentProxy.add(new Document(30160711L, "转角遇见幸福"));
		userProxy.logout();
	}
}

运行程序结果打印如下,与之前使用JDK自带动态代理程序运行结果完全相同: 

北京时间:2016年6月12日20时22分35秒,执行方法"login"
执行结果:登陆失败,ID为"20160718"的用户不存在!
北京时间:2016年6月12日20时22分35秒,执行方法"add"
执行结果:保存失败,未获取到登陆信息!
北京时间:2016年6月12日20时22分35秒,执行方法"logout"
执行结果:退出登陆失败,当前无登陆用户!
**********************************
北京时间:2016年6月12日20时22分35秒,执行方法"login"
执行结果:用户[燕凌娇]登陆成功...
北京时间:2016年6月12日20时22分35秒,执行方法"add"
执行结果:添加文档《转角遇见幸福》成功...
北京时间:2016年6月12日20时22分35秒,执行方法"add"
执行结果:添加文档《转角遇见幸福》失败,文档已存在!
北京时间:2016年6月12日20时22分35秒,执行方法"logout"
执行结果:用户[燕凌娇]退出登陆成功...
**********************************

PS:CGLib创建的动态代理对象性能比JDK创建的动态代理对象的性能高不少,但是CGLib在创建代理对象时所花费的时间却比JDK多得多,所以对于单例的对象,因为无需频繁创建对象,用CGLib合适,反之,使用JDK方式要更为合适一些。同时,由于CGLib采用动态创建子类的方法来对被代理的父类的功能进行增强和代理,所以,无法对被声明为final的类或方法进行代理。  

四、动态代理模式的特点

动态代理类使用字节码动态生成加载技术,在运行时生成并加载代理类。与静态代理相比,动态代理具有以下优点: 

-无需单独为每一个接口添加一个代理类,使用动态代理可以一次性为多个接口实现代理。
-无需逐个为接口中的所有方法添加实现,使用动态代理可以一次性为多个接口中的所有方法实现代理,在接口方法数量比较多的时候,可以避免出现大量的重复代码。

动态代理的缺点:
           目前,JDK中提供的动态代理只能对接口实现代理,无法代理未实现接口的类。如果需要动态代理未实现接口的类,必须借助第三方工具,如:CGLib(Code Generation Library)等。