细说JDK动态代理的实现原理

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原文链接:blog.ouyangsihai.cn >> 细说JDK动态代理的实现原理

来源:blog.csdn.net/mhmyqn/article/details/48474815

关于JDK的动态代理,最为人熟知的可能要数Spring AOP的实现,默认情况下,Spring AOP的实现对于接口来说就是使用的JDK的动态代理来实现的,而对于类的代理使用CGLIB来实现。那么,什么是JDK的动态代理呢?

JDK的动态代理,就是在程序运行的过程中,根据被代理的接口来动态生成代理类的class文件,并加载运行的过程。JDK从1.3开始支持动态代理。那么JDK是如何生成动态代理的呢?JDK动态代理为什么不支持类的代理,只支持接口的代理?

首先来看一下如何使用JDK动态代理。JDK提供了java.lang.reflect.Proxy类来实现动态代理的,可通过它的newProxyInstance来获得代理实现类。同时对于代理的接口的实际处理,是一个java.lang.reflect.InvocationHandler,它提供了一个invoke方法供实现者提供相应的代理逻辑的实现。可以对实际的实现进行一些特殊的处理,像Spring AOP中的各种advice。下面来看看如何使用。

被代理的接口:

123456
package com.mikan.proxy;public interface HelloWorld {    void sayHello(String name);   }

package com.mikan.proxy;
public interface HelloWorld {

   void sayHello(String name);
   
}

接口的实现类:

1234567
package com.mikan.proxy;public class HelloWorldImpl implements HelloWorld {   @Override   public void sayHello(String name) {       System.out.println("Hello " + name);   }}

package com.mikan.proxy;
public class HelloWorldImpl implements HelloWorld {
   @Override
   public void sayHello(String name) {
       System.out.println(“Hello “ + name);
   }
}

实现一个java.lang.reflect.InvocationHandler:

12345678910111213141516171819
package com.mikan.proxy;import java.lang.reflect.InvocationHandler;import java.lang.reflect.Method; 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;   }}

package com.mikan.proxy;
import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;

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;
   }
}

使用代理:

1234567891011121314151617
package com.mikan.proxy;import java.lang.reflect.Proxy; public class ProxyTest {    public static void main(String[] args) throws Exception {       System.getProperties().put("sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles", "true");        CustomInvocationHandler handler = new CustomInvocationHandler(new HelloWorldImpl());       HelloWorld proxy = (HelloWorld) Proxy.newProxyInstance(               ProxyTest.class.getClassLoader(),               new Class[]{HelloWorld.class},               handler);       proxy.sayHello("Mikan");   } }

package com.mikan.proxy;
import java.lang.reflect.Proxy;

public class ProxyTest {

   public static void main(String[] args) throws Exception {
       System.getProperties().put(“sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles”, “true”);

       CustomInvocationHandler handler = new CustomInvocationHandler(new HelloWorldImpl());
       HelloWorld proxy = (HelloWorld) Proxy.newProxyInstance(
               ProxyTest.class.getClassLoader(),
               new Class[]{HelloWorld.class},
               handler);
       proxy.sayHello(“Mikan”);
   }

}

运行的输出结果:

1234
localhost:classes mikan$ java com/mikan/proxy/ProxyTestBefore invocationHello MikanAfter invocation

localhost:classes mikan$ java com/mikan/proxy/ProxyTest
Before invocation
Hello Mikan
After invocation

从上面可以看出,JDK的动态代理使用起来非常简单,但是只知道如何使用是不够的,知其然,还需知其所以然。所以要想搞清楚它的实现,那么得从源码入手。这里的源码是1.7.0_79。首先来看看它是如何生成代理类的:

12345678910111213141516171819202122232425262728293031
public static Object newProxyInstance(ClassLoader loader,                                         Class?[] interfaces,                                         InvocationHandler h)       throws IllegalArgumentException {       if (h == null) {           throw new NullPointerException();       }       final Class?[] intfs = interfaces.clone();       final SecurityManager sm = System.getSecurityManager();       if (sm != null) {           checkProxyAccess(Reflection.getCallerClass(), loader, intfs);       }       // 这里是生成class的地方       Class? cl = getProxyClass0(loader, intfs);       // 使用我们实现的InvocationHandler作为参数调用构造方法来获得代理类的实例       try {           final Constructor? cons = cl.getConstructor(constructorParams);           final InvocationHandler ih = h;           if (sm != null && ProxyAccessHelper.needsNewInstanceCheck(cl)) {               return AccessController.doPrivileged(new PrivilegedActionObject() {                   public Object run() {                       return newInstance(cons, ih);                   }               });           } else {               return newInstance(cons, ih);           }       } catch (NoSuchMethodException e) {           throw new InternalError(e.toString());       }   }

public static Object newProxyInstance(ClassLoader loader,
                                         Class?[] interfaces,
                                         InvocationHandler h)
       throws IllegalArgumentException {
       if (h == null) {
           throw new NullPointerException();
       }
       final Class?[] intfs = interfaces.clone();
       final SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
       if (sm != null) {
           checkProxyAccess(Reflection.getCallerClass(), loader, intfs);
       }
       // 这里是生成class的地方
       Class? cl = getProxyClass0(loader, intfs);
       // 使用我们实现的InvocationHandler作为参数调用构造方法来获得代理类的实例
       try {
           final Constructor? cons = cl.getConstructor(constructorParams);
           final InvocationHandler ih = h;
           if (sm != null && ProxyAccessHelper.needsNewInstanceCheck(cl)) {
               return AccessController.doPrivileged(new PrivilegedActionObject() {
                   public Object run() {
                       return newInstance(cons, ih);
                   }
               });
           } else {
               return newInstance(cons, ih);
           }
       } catch (NoSuchMethodException e) {
           throw new InternalError(e.toString());
       }
   }

其中newInstance只是调用Constructor.newInstance来构造相应的代理类实例,这里重点是看getProxyClass0这个方法的实现:

123456789
private static Class? getProxyClass0(ClassLoader loader,                                          Class?... interfaces) {       // 代理的接口数量不能超过65535(没有这种变态吧)       if (interfaces.length  65535) {           throw new IllegalArgumentException("interface limit exceeded");       }       // JDK对代理进行了缓存,如果已经存在相应的代理类,则直接返回,否则才会通过ProxyClassFactory来创建代理       return proxyClassCache.get(loader, interfaces);   }

private static Class? getProxyClass0(ClassLoader loader,
                                          Class?… interfaces) {
       // 代理的接口数量不能超过65535(没有这种变态吧)
       if (interfaces.length 65535) {
           throw new IllegalArgumentException(“interface limit exceeded”);
       }
       // JDK对代理进行了缓存,如果已经存在相应的代理类,则直接返回,否则才会通过ProxyClassFactory来创建代理
       return proxyClassCache.get(loader, interfaces);
   }

其中代理缓存是使用WeakCache实现的,如下:

12
private static final WeakCacheClassLoader, Class?[], Class?       proxyClassCache = new WeakCache(new KeyFactory(), new ProxyClassFactory());

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

具体的缓存逻辑这里暂不关心,只需要关心ProxyClassFactory是如何生成代理类的,ProxyClassFactory是Proxy的一个静态内部类,实现了WeakCache的内部接口BiFunction的apply方法:

1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950
private static final class ProxyClassFactory       implements BiFunctionClassLoader, Class?[], Class? {       // 所有代理类名字的前缀       private static final String proxyClassNamePrefix = "$Proxy";       // 用于生成代理类名字的计数器       private static final AtomicLong nextUniqueNumber = new AtomicLong();        @Override       public Class? apply(ClassLoader loader, Class?[] interfaces) {           // 省略验证代理接口的代码……            String proxyPkg = null;     // 生成的代理类的包名           // 对于非公共接口,代理类的包名与接口的相同           for (Class? intf : interfaces) {               int flags = intf.getModifiers();               if (!Modifier.isPublic(flags)) {                   String name = intf.getName();                   int n = name.lastIndexOf('.');                   String pkg = ((n == -1) ? "" : name.substring(0, n + 1));                   if (proxyPkg == null) {                       proxyPkg = pkg;                   } else if (!pkg.equals(proxyPkg)) {                       throw new IllegalArgumentException(                           "non-public interfaces from different packages");                   }               }           }            // 对于公共接口的包名,默认为com.sun.proxy           if (proxyPkg == null) {               proxyPkg = ReflectUtil.PROXY_PACKAGE + ".";           }            // 获取计数           long num = nextUniqueNumber.getAndIncrement();           // 默认情况下,代理类的完全限定名为:com.sun.proxy.$Proxy0,com.sun.proxy.$Proxy1……依次递增           String proxyName = proxyPkg + proxyClassNamePrefix + num;            // 这里才是真正的生成代理类的字节码的地方           byte[] proxyClassFile = ProxyGenerator.generateProxyClass(               proxyName, interfaces);           try {               // 根据二进制字节码返回相应的Class实例               return defineClass0(loader, proxyName,                                   proxyClassFile, 0, proxyClassFile.length);           } catch (ClassFormatError e) {               throw new IllegalArgumentException(e.toString());           }       }   }

private static final class ProxyClassFactory
       implements BiFunctionClassLoader, Class?[], Class? {
       // 所有代理类名字的前缀
       private static final String proxyClassNamePrefix = “$Proxy”;
       // 用于生成代理类名字的计数器
       private static final AtomicLong nextUniqueNumber = new AtomicLong();

       @Override
       public Class? apply(ClassLoader loader, Class?[] interfaces) {
           // 省略验证代理接口的代码……

           String proxyPkg = null;     // 生成的代理类的包名
           // 对于非公共接口,代理类的包名与接口的相同
           for (Class? intf : interfaces) {
               int flags = intf.getModifiers();
               if (!Modifier.isPublic(flags)) {
                   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”);
                   }
               }
           }

           // 对于公共接口的包名,默认为com.sun.proxy
           if (proxyPkg == null) {
               proxyPkg = ReflectUtil.PROXY_PACKAGE + “.”;
           }

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

           // 这里才是真正的生成代理类的字节码的地方
           byte[] proxyClassFile = ProxyGenerator.generateProxyClass(
               proxyName, interfaces);
           try {
               // 根据二进制字节码返回相应的Class实例
               return defineClass0(loader, proxyName,
                                   proxyClassFile, 0, proxyClassFile.length);
           } catch (ClassFormatError e) {
               throw new IllegalArgumentException(e.toString());
           }
       }
   }

ProxyGenerator是sun.misc包中的类,它没有开源,但是可以反编译来一探究竟:

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public static byte[] generateProxyClass(final String var0, Class[] var1) {       ProxyGenerator var2 = new ProxyGenerator(var0, var1);       final byte[] var3 = var2.generateClassFile();       // 这里根据参数配置,决定是否把生成的字节码(.class文件)保存到本地磁盘,我们可以通过把相应的class文件保存到本地,再反编译来看看具体的实现,这样更直观       if(saveGeneratedFiles) {           AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction() {               public Void run() {                   try {                       FileOutputStream var1 = new FileOutputStream(ProxyGenerator.dotToSlash(var0) + ".class");                       var1.write(var3);                       var1.close();                       return null;                   } catch (IOException var2) {                       throw new InternalError("I/O exception saving generated file: " + var2);                   }               }           });       }       return var3;   }

public static byte[] generateProxyClass(final String var0, Class[] var1) {
       ProxyGenerator var2 = new ProxyGenerator(var0, var1);
       final byte[] var3 = var2.generateClassFile();
       // 这里根据参数配置,决定是否把生成的字节码(.class文件)保存到本地磁盘,我们可以通过把相应的class文件保存到本地,再反编译来看看具体的实现,这样更直观
       if(saveGeneratedFiles) {
           AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction() {
               public Void run() {
                   try {
                       FileOutputStream var1 = new FileOutputStream(ProxyGenerator.dotToSlash(var0) + “.class”);
                       var1.write(var3);
                       var1.close();
                       return null;
                   } catch (IOException var2) {
                       throw new InternalError(“I/O exception saving generated file: “ + var2);
                   }
               }
           });
       }
       return var3;
   }

saveGeneratedFiles这个属性的值从哪里来呢:

1234
private static final boolean saveGeneratedFiles = ((Boolean)AccessController.doPrivileged(new GetBooleanAction("sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles"))).booleanValue();

private static final boolean saveGeneratedFiles =
((Boolean)AccessController.doPrivileged(
new GetBooleanAction(“sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles”))
).booleanValue();

GetBooleanAction实际上是调用Boolean.getBoolean(propName)来获得的,而Boolean.getBoolean(propName)调用了System.getProperty(name),所以我们可以设置sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles这个系统属性为true来把生成的class保存到本地文件来查看。

这里要注意,当把这个属性设置为true时,生成的class文件及其所在的路径都需要提前创建,否则会抛出FileNotFoundException异常。如:

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Exception in thread "main" java.lang.InternalError: I/O exception saving generated file: java.io.FileNotFoundException: com/sun/proxy/$Proxy0.class (No such file or directory)at sun.misc.ProxyGenerator$1.run(ProxyGenerator.java:336)at sun.misc.ProxyGenerator$1.run(ProxyGenerator.java:327)at java.security.AccessController.doPrivileged(Native Method)at sun.misc.ProxyGenerator.generateProxyClass(ProxyGenerator.java:326)at java.lang.reflect.Proxy$ProxyClassFactory.apply(Proxy.java:672)at java.lang.reflect.Proxy$ProxyClassFactory.apply(Proxy.java:592)at java.lang.reflect.WeakCache$Factory.get(WeakCache.java:244)at java.lang.reflect.WeakCache.get(WeakCache.java:141)at java.lang.reflect.Proxy.getProxyClass0(Proxy.java:455)at java.lang.reflect.Proxy.newProxyInstance(Proxy.java:738)at com.mikan.proxy.ProxyTest.main(ProxyTest.java:15)at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:57)at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:606)at com.intellij.rt.execution.application.AppMain.main(AppMain.java:140)

Exception in thread “main” java.lang.InternalError: I/O exception saving generated file: java.io.FileNotFoundException: com/sun/proxy/$Proxy0.class (No such file or directory)
at sun.misc.ProxyGenerator$1.run(ProxyGenerator.java:336)
at sun.misc.ProxyGenerator$1.run(ProxyGenerator.java:327)
at java.security.AccessController.doPrivileged(Native Method)
at sun.misc.ProxyGenerator.generateProxyClass(ProxyGenerator.java:326)
at java.lang.reflect.Proxy$ProxyClassFactory.apply(Proxy.java:672)
at java.lang.reflect.Proxy$ProxyClassFactory.apply(Proxy.java:592)
at java.lang.reflect.WeakCache$Factory.get(WeakCache.java:244)
at java.lang.reflect.WeakCache.get(WeakCache.java:141)
at java.lang.reflect.Proxy.getProxyClass0(Proxy.java:455)
at java.lang.reflect.Proxy.newProxyInstance(Proxy.java:738)
at com.mikan.proxy.ProxyTest.main(ProxyTest.java:15)
at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)
at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:57)
at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:606)
at com.intellij.rt.execution.application.AppMain.main(AppMain.java:140)

即我们要在运行当前main方法的路径下创建com/sun/proxy目录,并创建一个$Proxy0.class文件,才能够正常运行并保存class文件内容。

反编译$Proxy0.class文件,如下所示:

12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455565758596061626364656667686970717273747576777879808182
package com.sun.proxy;import com.mikan.proxy.HelloWorld;import java.lang.reflect.InvocationHandler;import java.lang.reflect.Method;import java.lang.reflect.Proxy;import java.lang.reflect.UndeclaredThrowableException; public final class $Proxy0 extends Proxy implements HelloWorld { private static Method m1; private static Method m3; private static Method m0; private static Method m2;  public $Proxy0(InvocationHandler paramInvocationHandler) {   super(paramInvocationHandler); }  public final boolean equals(Object paramObject) {   try {     return ((Boolean)this.h.invoke(this, m1, new Object[] { paramObject })).booleanValue();   }   catch (Error|RuntimeException localError) {     throw localError;   }   catch (Throwable localThrowable) {     throw new UndeclaredThrowableException(localThrowable);   } }  public final void sayHello(String paramString) {   try {     this.h.invoke(this, m3, new Object[] { paramString });     return;   }   catch (Error|RuntimeException localError) {     throw localError;   }   catch (Throwable localThrowable) {     throw new UndeclaredThrowableException(localThrowable);   } }  public final int hashCode() {   try {     return ((Integer)this.h.invoke(this, m0, null)).intValue();   }   catch (Error|RuntimeException localError) {     throw localError;   }   catch (Throwable localThrowable) {     throw new UndeclaredThrowableException(localThrowable);   } }  public final String toString() {   try {     return (String)this.h.invoke(this, m2, null);   }   catch (Error|RuntimeException localError) {     throw localError;   }   catch (Throwable localThrowable) {     throw new UndeclaredThrowableException(localThrowable);   } }  static {   try {     m1 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("equals", new Class[] { Class.forName("java.lang.Object") });     m3 = Class.forName("com.mikan.proxy.HelloWorld").getMethod("sayHello", new Class[] { Class.forName("java.lang.String") });     m0 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("hashCode", new Class[0]);     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());   } }}

package com.sun.proxy;
import com.mikan.proxy.HelloWorld;
import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Proxy;
import java.lang.reflect.UndeclaredThrowableException;

public final class $Proxy0 extends Proxy implements HelloWorld {
 private static Method m1;
 private static Method m3;
 private static Method m0;
 private static Method m2;

 public $Proxy0(InvocationHandler paramInvocationHandler) {
   super(paramInvocationHandler);
 }

 public final boolean equals(Object paramObject) {
   try {
     return ((Boolean)this.h.invoke(this, m1, new Object[] { paramObject })).booleanValue();
   }
   catch (Error|RuntimeException localError) {
     throw localError;
   }
   catch (Throwable localThrowable) {
     throw new UndeclaredThrowableException(localThrowable);
   }
 }

 public final void sayHello(String paramString) {
   try {
     this.h.invoke(this, m3, new Object[] { paramString });
     return;
   }
   catch (Error|RuntimeException localError) {
     throw localError;
   }
   catch (Throwable localThrowable) {
     throw new UndeclaredThrowableException(localThrowable);
   }
 }

 public final int hashCode() {
   try {
     return ((Integer)this.h.invoke(this, m0, null)).intValue();
   }
   catch (Error|RuntimeException localError) {
     throw localError;
   }
   catch (Throwable localThrowable) {
     throw new UndeclaredThrowableException(localThrowable);
   }
 }

 public final String toString() {
   try {
     return (String)this.h.invoke(this, m2, null);
   }
   catch (Error|RuntimeException localError) {
     throw localError;
   }
   catch (Throwable localThrowable) {
     throw new UndeclaredThrowableException(localThrowable);
   }
 }

 static {
   try {
     m1 = Class.forName(“java.lang.Object”).getMethod(“equals”, new Class[] { Class.forName(“java.lang.Object”) });
     m3 = Class.forName(“com.mikan.proxy.HelloWorld”).getMethod(“sayHello”, new Class[] { Class.forName(“java.lang.String”) });
     m0 = Class.forName(“java.lang.Object”).getMethod(“hashCode”, new Class[0]);
     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());
   }
 }
}

可以看到,动态生成的代理类有如下特性:

  1. 继承了Proxy类,实现了代理的接口,由于java不能多继承,这里已经继承了Proxy类了,不能再继承其他的类,所以JDK的动态代理不支持对实现类的代理,只支持接口的代理。
  2. 提供了一个使用InvocationHandler作为参数的构造方法。
  3. 生成静态代码块来初始化接口中方法的Method对象,以及Object类的equals、hashCode、toString方法。
  4. 重写了Object类的equals、hashCode、toString,它们都只是简单的调用了InvocationHandler的invoke方法,即可以对其进行特殊的操作,也就是说JDK的动态代理还可以代理上述三个方法。
  5. 代理类实现代理接口的sayHello方法中,只是简单的调用了InvocationHandler的invoke方法,我们可以在invoke方法中进行一些特殊操作,甚至不调用实现的方法,直接返回。

至此JDK动态代理的实现原理就分析的差不多了。同时我们可以想像一下Spring AOP提供的各种拦截该如何实现,就已经很明了了,如下所示:

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public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {       // BeforeAdvice       Object retVal = null;       try {           // AroundAdvice           retVal = method.invoke(target, args);           // AroundAdvice           // AfterReturningAdvice       }       catch (Throwable e) {           // AfterThrowingAdvice       }       finally {           // AfterAdvice       }       return retVal;   }

public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
       // BeforeAdvice
       Object retVal = null;
       try {
           // AroundAdvice
           retVal = method.invoke(target, args);
           // AroundAdvice
           // AfterReturningAdvice
       }
       catch (Throwable e) {
           // AfterThrowingAdvice
       }
       finally {
           // AfterAdvice
       }
       return retVal;
   }

上面是对于Spring AOP使用JDK动态代理实现的基本框架代码,当然具体的实现肯定比这个复杂得多,但是基本原理不外乎如是。所以理解基本原理对于理解其他的代码也是很有好处的。

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原文链接:blog.ouyangsihai.cn >> 细说JDK动态代理的实现原理


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