CGLib 簡析

buttercup發表於2021-09-11

CGLib

背景

　JDK 動態代理存在的一些問題：

呼叫效率低

　JDK 通過反射實現動態代理呼叫，這意味著低下的呼叫效率：

每次呼叫 Method.invoke() 都會檢查方法的可見性、校驗引數是否匹配，過程涉及到很多 native 呼叫，具體參見 JNI 呼叫開銷
反射呼叫涉及動態類解析，這種不可預測性，導致被反射呼叫的程式碼無法被 JIT 內聯優化，具體參見 反射呼叫方法

　可以通過java.lang.invoke.MethodHandle來規避以上問題，但是這不在本文討論的範圍。

只能代理介面

　java.lang.reflect.Proxy只支援通過介面生成代理類，這意味著 JDK 動態代理只能代理介面，無法代理具體的類。

　對於一些外部依賴或者現有模組來說，無法通過該方式實現動態代理。

應用場景

　CGLib 是一款用於實現高效動態代理的位元組碼增強庫，通過位元組碼生成技術，動態編譯生成代理類，從而將反射呼叫轉換為普通的方法呼叫。

　下面通過兩個案例體驗一下 CGLib 的使用方式。

案例一：Weaving

　現有一個輸出問候語句的類 Greet，現在有個新需求：在輸出內容前後加上姓名，實現個性化輸出。下面通過 CGLib 實現該功能：


class Greet { // 需要被增強目標類
    public String hello() { return "hello";  }
    public String hi() { return "hi"; }
    public String toString() { return "@Greet"; }
}

public class Weaving { // 模擬切面織入過程

    // 增加 before: 字首（模擬前置通知）
    static MethodInterceptor adviceBefore = (target, method, args, methodProxy) -> "before:" + methodProxy.invokeSuper(target, args);

    // 增加 :after 字尾（模擬後置通知）
    static MethodInterceptor adviceAfter = (target, method, args, methodProxy) -> methodProxy.invokeSuper(target, args) + ":after";

    // 通知
    static Callback[] advices = new Callback[] { NoOp.INSTANCE/*預設*/, adviceBefore, adviceAfter };

    // 切入點
    static CallbackFilter pointCut = method -> {
        switch (method.getName()) {
            case "hello" : return 1; // hello() 方法植入前置通知
            case "hi" : return 2;  // hi() 方法植入後置通知
            default: return 0; // 其他方法不新增通知
        }
    };

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Enhancer enhancer = new Enhancer();
        enhancer.setSuperclass(Greet.class);     // 設定目標類
        enhancer.setCallbacks(advices);          // 設定通知 Advice
        enhancer.setCallbackFilter(pointCut);    // 設定切點 PointCut
        Greet greet = (Greet) enhancer.create(); // 建立 Proxy 物件
        System.out.println(greet.hello());
        System.out.println(greet.hi());
        System.out.println(greet.toString());
        TimeUnit.HOURS.sleep(1);
    }
}

案例二：Introduction

　隨著業務發展，系統需要支援法語的問候 FranceGreet，在不修改現有業務程式碼的前提下，可以通過 CGLib 實現該功能：

interface FranceGreet { // 支援新功能的介面
    String bonjour();
}

class FranceGreeting implements Dispatcher { // 新介面的實現
    private final FranceGreet delegate = () -> "bonjour";
    @Override
    public Object loadObject() throws Exception {
        return delegate;
    }
}

class FranceGreetingMatcher implements CallbackFilter { // 將新介面呼叫委託給 Dispatcher
    @Override
    public int accept(Method method) {
        return method.getDeclaringClass().equals(FranceGreet.class) ? 1 : 0;
    }
}

public class Introduction { // 模擬引入新介面

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Enhancer enhancer = new Enhancer();
        enhancer.setSuperclass(Greet.class);
        enhancer.setInterfaces(new Class[]{FranceGreet.class}); // 擴充套件新介面
        enhancer.setCallbacks(new Callback[]{ NoOp.INSTANCE, new FranceGreeting()}); // 實現新介面
        enhancer.setCallbackFilter(new FranceGreetingMatcher()); // 關聯介面與實現
        Greet greet = (Greet) enhancer.create();
        System.out.println(greet.hello()); // 原方法不受影響
        System.out.println(greet.hi());
        FranceGreet franceGreet = (FranceGreet) greet;
        System.out.println(franceGreet.bonjour()); // 新介面方法正常呼叫
        TimeUnit.HOURS.sleep(1);
    }
}

原理簡析

　從前面的案例可以看到，CGLib 使用的方式很簡單，大致可以分為兩步：

配置 Enhancer

設定需要代理的目標類與介面
通過 Callback 設定需要增強的功能
通過 CallbackFilter 將方法匹配到具體的 Callback

建立代理物件

通過 CallbackFilter 獲取方法與 Callback 的關聯關係
繼承目標類並重寫override方法，在呼叫程式碼中嵌入 Callback
編譯動態生成的位元組碼生成代理類
通過反射呼叫建構函式生成代理物件

Callback 分類

　此外，CGLib 支援多種 Callback，這裡簡單介紹幾種：

NoOp 不使用動態代理，匹配到的方法不會被重寫
FixedValue 返回固定值，被代理方法的返回值被忽略
Dispatcher 指定上下文，將代理方法呼叫委託給特定物件
MethodInterceptor 呼叫攔截器，用於實現環繞通知around advice

　其中 MethodInterceptor 最為常用，可以實現多種豐富的代理特性。
　但這類 Callback 也是其中最重的，會導致生成更多的動態類，具體原因後續介紹。

位元組碼生成過程

　底層通過 Enhancer.generateClass() 生成代理類，其具體過程不作深究，可以簡單概括為：

通過ClassVisitor獲取目標類資訊
通過ClassEmitter呼叫 asm 庫注入增強方法，並生成byte[] 形式的位元組碼
通過反射呼叫ClassLoader.defineClass()將byte[]轉換為Class物件
將生成完成的代理類快取至LoadingCache，避免重複生成

生成的類結構

　通過 arthas 的 jad 命令可以觀察到，案例 Weaving 中實際生成了以下類：

目標類：buttercup.test.Greet
代理類：buttercup.test.Greet$$EnhancerByCGLIB（省略字尾）
目標類 FastClass：buttercup.test.Greet$$FastClassByCGLIB（省略字尾）
代理類 FastClass：buttercup.test.Greet$$EnhancerByCGLIB$$FastClassByCGLIB（省略字尾）

代理類

　代理類就是 Ehancer.create() 中為了建立代理物件動態生成的類，該類不但繼承了目標類，並且還重寫了需要被代理的方法。其命名規則為：目標類 + $$EnhancerByCGLIB。
　在案例一中，我們分別給 Greet.hello() 與 Greet.hi() 分別新增了攔截器Weaving.adviceBefore 與 Weaving.adviceAfter，下面我們分析代理類是如何完成這一功能的：

public class Greet$$EnhancerByCGLIB extends Greet implements Factory {

  private static final Object[] CGLIB$emptyArgs = new Object[0]; // 預設空引數
  private static final Callback[] CGLIB$STATIC_CALLBACKS; // 靜態 Callback（忽略）
  private static final ThreadLocal CGLIB$THREAD_CALLBACKS; // 用於給建構函式傳遞 Callback

  // 通過 MethodProxy 代理 Greet.hell() 方法
  private static final Method CGLIB$hello$0$Method;
  private static final MethodProxy CGLIB$hello$0$Proxy;

  // 通過 MethodProxy 代理 Greet.hi() 方法
  private static final Method CGLIB$hi$1$Method;
  private static final MethodProxy CGLIB$hi$1$Proxy;

  private boolean CGLIB$BOUND; // 判斷 Callback 是否已經初始化
  private NoOp CGLIB$CALLBACK_0; // 預設不攔截，直接呼叫目標類方法
  private MethodInterceptor CGLIB$CALLBACK_1; // Weaving.adviceBefore（增加 before: 字首）
  private MethodInterceptor CGLIB$CALLBACK_2; // Weaving.adviceAfter（增加 :after 字尾）

  static {
    Greet$$EnhancerByCGLIB.CGLIB$STATICHOOK1();
  }

  static void CGLIB$STATICHOOK1() { // 靜態初始化
    CGLIB$THREAD_CALLBACKS = new ThreadLocal();
    Class<?> clazz = Class.forName("buttercup.test.Greet");
    Class<?> clazz2 = Class.forName("buttercup.test.Greet$$EnhancerByCGLIB");
    Method[] methodArray = ReflectUtils.findMethods(new String[]{"hello", "()Ljava/lang/String;", "hi", "()Ljava/lang/String;"}, clazz.getDeclaredMethods());
    CGLIB$hello$0$Method = methodArray[0];
    CGLIB$hello$0$Proxy = MethodProxy.create(clazz, clazz2, "()Ljava/lang/String;", "hello", "CGLIB$hello$0");
    CGLIB$hi$1$Method = methodArray[1];
    CGLIB$hi$1$Proxy = MethodProxy.create(clazz, clazz2, "()Ljava/lang/String;", "hi", "CGLIB$hi$1");
  }

  // 通過 ThreadLocal 傳參
  public static void CGLIB$SET_THREAD_CALLBACKS(Callback[] callbackArray) {
    CGLIB$THREAD_CALLBACKS.set(callbackArray);
  }

  // 工廠方法，建立增強後的物件
  public Object newInstance(Callback[] callbackArray) {
    Greet$$EnhancerByCGLIB.CGLIB$SET_THREAD_CALLBACKS(callbackArray);
    Greet$$EnhancerByCGLIB Greet$$EnhancerByCGLIB = new Greet$$EnhancerByCGLIB();
    Greet$$EnhancerByCGLIB.CGLIB$SET_THREAD_CALLBACKS(null);
    return Greet$$EnhancerByCGLIB;
  }

  // 重寫 hello() 方法通知 CALLBACK_1
  public final String hello() {
    MethodInterceptor methodInterceptor = this.CGLIB$CALLBACK_1;
    if (methodInterceptor == null) { // 初始化 CALLBACK_1
      Greet$$EnhancerByCGLIB.CGLIB$BIND_CALLBACKS(this);
      methodInterceptor = this.CGLIB$CALLBACK_1;
    }
    if (methodInterceptor != null) { // 呼叫攔截器 Weaving.adviceBefore
      return (String)methodInterceptor.intercept(this, CGLIB$hello$0$Method, CGLIB$emptyArgs, CGLIB$hello$0$Proxy);
    }
    return super.hello();
  }

  // 重寫 hi() 方法通知 CALLBACK_2
  public final String hi() {
    MethodInterceptor methodInterceptor = this.CGLIB$CALLBACK_2;
    if (methodInterceptor == null) { // 初始化 CALLBACK_2
      Greet$$EnhancerByCGLIB.CGLIB$BIND_CALLBACKS(this);
      methodInterceptor = this.CGLIB$CALLBACK_2;
    }
    if (methodInterceptor != null) { // 呼叫攔截器 Weaving.adviceAfter
      return (String)methodInterceptor.intercept(this, CGLIB$hi$1$Method, CGLIB$emptyArgs, CGLIB$hi$1$Proxy);
    }
    return super.hi();
  }

  // 直接呼叫目標類的 hello()
  final String CGLIB$hello$0() {
    return super.hello();
  }

  // 直接呼叫目標類的 hi()
  final String CGLIB$hi$1() {
    return super.hi();
  }

  public Greet$$EnhancerByCGLIB() {
    Greet$$EnhancerByCGLIB.CGLIB$BIND_CALLBACKS(this);
  }

  private static final void CGLIB$BIND_CALLBACKS(Object object) {
    block2: {
      Object object2;
      Greet$$EnhancerByCGLIB Greet$$EnhancerByCGLIB;
      block3: {
        Greet$$EnhancerByCGLIB = (Greet$$EnhancerByCGLIB) object;
        // 如果已經初始化過，則直接返回
        if (Greet$$EnhancerByCGLIB.CGLIB$BOUND) break block2;
            Greet$$EnhancerByCGLIB.CGLIB$BOUND = true;
        if (object2 = CGLIB$THREAD_CALLBACKS.get()) != null) break block3; // 從 ThreadLocal 獲取 Callback 引數
        if ((object2 = CGLIB$STATIC_CALLBACKS) == null) break block2;
      }
      Callback[] callbackArray = (Callback[])object2; // 初始化 Callback 引數
      Greet$$EnhancerByCGLIB greet$$EnhancerByCGLIB = Greet$$EnhancerByCGLIB;
      greet$$EnhancerByCGLIB.CGLIB$CALLBACK_2 = (MethodInterceptor)callbackArray[2];
      greet$$EnhancerByCGLIB.CGLIB$CALLBACK_1 = (MethodInterceptor)callbackArray[1];
      greet$$EnhancerByCGLIB.CGLIB$CALLBACK_0 = (NoOp)callbackArray[0];
    }
  }
}

　在動態生成的類中，可以看到 CGLib 為每個被代理的方法建立了 MethodProxy 物件。
　該物件替代了 Method.invoke() 功能，是實現高效方法呼叫的的關鍵。下面我們以 Greet.hello() 為例對該類進行分析：

public class MethodProxy {

  private Signature sig1; // 目標類方法簽名：hello()Ljava/lang/String;
  private Signature sig2; // 代理類方法簽名：CGLIB$hello$0()Ljava/lang/String;

  private MethodProxy.CreateInfo createInfo; /* 省略初始化過程 */

    private static class CreateInfo {
      Class c1; // 目標類 buttercup.test.Greet
      Class c2; // 代理類 buttercup.test.Greet$$EnhancerByCGLIB
    }

  private final Object initLock = new Object();
  private volatile MethodProxy.FastClassInfo fastClassInfo;

    private static class FastClassInfo {
        FastClass f1; // 目標類 FastClass : 
        FastClass f2; // 代理類 FastClass : 
        int i1;       // 方法在 f1 中對應的索引
        int i2;       // 方法在 f2 中對應的索引
    }

    // 只在 MethodProxy 被呼叫時載入 FastClass，減少不必要的類生成（lazy-init）
    private void init() {
        if (fastClassInfo == null)  {
            synchronized (initLock) {
                if (fastClassInfo == null) {
                    MethodProxy.FastClassInfo fci = new MethodProxy.FastClassInfo();
                    fci.f1 = helper(ci, ci.c1); // 
                    fci.f2 = helper(ci, ci.c2); // 
                    fci.i1 = fci.f1.getIndex(this.sig1);
                    fci.i2 = fci.f2.getIndex(this.sig2);
                    fastClassInfo = new FastClassInfo();

                }
            }
        }
    }

    // 根據 Class 物件生成 FastClass 
    private static FastClass helper(MethodProxy.CreateInfo ci, Class type) {
      Generator g = new Generator();
      g.setType(type);
      return g.create();
    }

    // 呼叫 buttercup.test.Greet.hello()
    // 但實際上會呼叫代理類的 EnhancerByCGLIB.hello() 實現
    public Object invoke(Object obj, Object[] args) throws Throwable {
        init();
        return fastClassInfo.f1.invoke(fci.i1, obj, args);
    }

    // 呼叫 buttercup.test.Greet$$EnhancerByCGLIB.CGLIB$hello$0()
    // 通過 super.hello() 呼叫目標類的 Greet.hello() 實現
    public Object invokeSuper(Object obj, Object[] args) throws Throwable {
        init();
        return fastClassInfo.f2.invoke(fci.i2, obj, args);
    }
}

　可以看到 MethodProxy 的呼叫實際是通過 FastClass 完成的，這是 CGLib 實現高效能反射呼叫的祕訣，下面來解析這個類的細節。

目標類 FastClass

　為了規避反射帶來的效能消耗，cglib 定義了 FastClass 來實現高效的方法呼叫，其主要職責有兩個

方法對映：解析 Class 物件併為每個 Constructor 與 Method 指定一個整數索引值 index
方法呼叫：通過 switch(index) 的方式，將反射呼叫轉化為硬編碼呼叫

abstract public class FastClass {
    
    // 對映：根據方法名稱與引數型別，獲取其對應的 index
    public abstract int getIndex(String methodName, Class[] argClass);

    // 呼叫：根據 index 找到指定的方法，並進行呼叫
    public abstract Object invoke(int index, Object obj, Object[] args) throws InvocationTargetException;

}

其命名規則為：目標類 + $$FastClassByCGLIB。下面具體分析一下對目標類 Greet 對應的 FastClass：

public class Greet$$FastClassByCGLIB extends FastClass {

    public Greet$$FastClassByCGLIB(Class clazz) {
        super(clazz);
    }

    // 獲取 index 的最大值
    public int getMaxIndex() {
        return 4; // 當前 FastClass 總共支援 5 個方法
        //索引值分別為 0:hello(), 1:hi(), 2:equals(), 3:hasCode(), 4:toString()
    }

    // 根據方法名稱以及引數型別，獲取到指定方法對應的 index
    public int getIndex(String methodName, Class[] argClass) {
        switch (methodName.hashCode()) {
            case 3329: {
                if (!methodName.equals("hi")) break;
                switch (argClass.length) {
                    case 0: { return 1; } // hi() 對應 index 為 1
                }
                break;
            }
            case 99162322: {
                if (!methodName.equals("hello")) break;
                switch (argClass.length) {
                    case 0: { return 0; } // hello() 對應 index 為 0
                }
                break;
            }
            /* 忽略 Object 方法 */
        }
        return -1;
    }

    // 根據方法簽名，獲取到指定方法對應的 index
    public int getIndex(Signature signature) {
        String sig = ((Object)signature).toString();
        switch (sig.hashCode()) {
            case 397774237: {
                if (!sig.equals("hello()Ljava/lang/String;")) break;
                return 0; // hello() 對應 index 為 0
            }
            case 1155503180: {
                if (!sig.equals("hi()Ljava/lang/String;")) break;
                return 1;  // hi() 對應 index 為 1
            }
            /* 忽略 Object 方法 */
        }
        return -1;
    }

    // 方法呼叫（硬編碼呼叫）
    public Object invoke(int n, Object obj, Object[] args) throws InvocationTargetException {
        Greet greet = (Greet) obj;
        switch (n) { // 通過 index 指定目標函式
            case 0: { return greet.hello(); } // 通過索引 0 呼叫 hello()
            case 1: { return greet.hi(); }    // 通過索引 1 呼叫 hi()
            /* 忽略 Object 方法 */
        }
        throw new IllegalArgumentException("Cannot find matching method/constructor");
    }

    // 建構函式（硬編碼呼叫）
    public Object newInstance(int n, Object[] argClass) throws InvocationTargetException {
        switch (n) {
            case 0: { return new Greet(); }
        }
        throw new IllegalArgumentException("Cannot find matching method/constructor");
    }
}

代理類 FastClass

　之前提及過：使用 MethodInterceptor 會比其他 Callback 生成更多的動態類，這是因為需要支援 MethodProxy.invokeSuper() 呼叫：

public interface MethodInterceptor extends Callback {

    // 所有生成的代理方法都呼叫此方法
    // 大多數情況需要通過 MethodProxy.invokeSuper() 來實現目標類的呼叫
    public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable;
}

　MethodProxy.invokeSuper() 通過呼叫代理類中帶 $CGLIB$ 字首的方法，繞過被重寫的代理方法，避免出現無限遞迴。

　為了保證呼叫效率，需要對代理類也生成 FastClass：

public class Greet$$EnhancerByCGLIB$$FastClassByCGLIB extends FastClass {

    public Object invoke(int n, Object obj, Object[] args) throws InvocationTargetException {
        Greet$$EnhancerByCGLIB greet$$EnhancerByCGLIB = (Greet$$EnhancerByCGLIB)obj;
        switch (n) {
            case 9: { // 呼叫目標類的原始 Greet.hello() 方法
                return greet$$EnhancerByCGLIB.CGLIB$hello$0();
            }
            case 10: { // 呼叫目標類的原始 Greet.hi() 方法
                return greet$$EnhancerByCGLIB.CGLIB$hi$1();
            }
            /* 忽略其他 Enhancer 方法 */
        }
        throw new IllegalArgumentException("Cannot find matching method/constructor");
    }
    
    public int getIndex(String methodName, Class[] argClass) {
        switch (methodName.hashCode()) {
            case 1837078673: {
                if (!methodName.equals("CGLIB$hi$1")) break;
                switch (argClass.length) {
                    case 0: { return 10;  }
                }
                break;
            }
            case 1891304123: {
                if (!methodName.equals("CGLIB$hello$0")) break;
                switch (argClass.length) {
                    case 0: { return 9; }
                }
                break;
            }
            /* 忽略其他 Enhancer 方法 */
        }
        return -1;
    }

    public int getIndex(Signature signature) {
        String sig = ((Object)signature).toString();
        switch (sig.hashCode()) {
            case -1632605946: {
                if (!sig.equals("CGLIB$hello$0()Ljava/lang/String;")) break;
                return 9;
            }
            case 540391388: {
                if (!sig.equals("CGLIB$hi$1()Ljava/lang/String;")) break;
                return 10;
            }
            /* 忽略其他 Enhancer 方法 */
        }
        return -1;
    }

}

補充

　案例 Introduction 中僅使用了 Dispatcher，因此只生成了代理類，未使用到 FastClass：

public class Greet$$EnhancerByCGLIB extends Greet implements FranceGreet, Factory {

    private NoOp CGLIB$CALLBACK_0;
    private Dispatcher CGLIB$CALLBACK_1;

    public final String bonjour() {
        Dispatcher dispatcher = this.CGLIB$CALLBACK_1;
        if (dispatcher == null) {
            Greet$$EnhancerByCGLIB.CGLIB$BIND_CALLBACKS(this);
            dispatcher = this.CGLIB$CALLBACK_1;
        }
        return ((FranceGreet)dispatcher.loadObject()).bonjour();
    }

    /* 忽略多餘的屬性與方法 */
}

　本文案例僅涉及 MethodInterceptor 與 Dispatcher，這兩個 Callback 也是 Spring AOP 實現的關鍵，後續將繼續分析相關的原始碼實現。

附錄

JIT 編譯優化

CGLib淺析
2021-09-11
CGLib
RectTransform簡析
2020-09-27
ORM
MongoDB 簡析
2019-05-20
MongoDB
BootAnimation簡析
2024-06-16
boot
KafkaBroker 簡析
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Kafka
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2021-04-01
KafkaProducer 簡析
2021-01-01
Kafka
Flux模式簡析
2018-09-06
UX模式
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2019-02-03
OBJ
ObjC RunLoop簡析
2019-02-16
OBJOOP
NXNSAttack漏洞簡析
2021-06-27
CGLIB代理
2021-09-22
CGLib
minipack 原始碼簡析
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