代理模式性能提升--延时加载

一、代理模式的结构

　　代理模式主要参与者又4个，如下表所示：

角色	作用
主题接口	定义代理类和真实主题的公共对外方法，也是代理类代理真实主题的方法
真实主题	真正实现业务逻辑的类
代理类	用来代理和封装真实主题
Main	客户端，使用代理类和主题接口完成一些工作

　　以一个简单的示例来阐述使用代理模式实现延时加载的方法及意义。假设客户端软件，有根据用户请求，去数据库查询数据的功能。

在查询数据库之前，需要获得数据库连接，软件开启时，初始化系统的所有类，此时尝试获得数据库连接，当系统有大量的类似操作存在时，

（比如xml解析等），所有初始化这些操作的叠加，会使得系统启动速度变得非常缓慢。为此使用代理模式，使用代理类，封装对数据库查询

中的初始化操作，当系统启动时，初始化这个代理类，而非真实的数据库查询类，而代理什么都没有做，因此，它的构造是非常快速的。

　　在系统启动时，将消耗资源最多的方法都使用代理模式分离，就可以加快系统的启动速度，减少用户的等待时间。而在用户真正的查询

操作时，再由代理类，单独去加载真实的数据库查询类，完成用户的请求，这个过程就是使用了代理模式现实了延迟加载。

　　延时加载的核心思想是：如果当前并没有使用这个组件，则不需要真正的初始化它，使用一个代理对象他带它原有的位置，

只要在真正需要使用的时候，才对它进行加载。使用代理模式的延时加载是非常有意义的，首先，它可以在时间轴上分散系统压力，

尤其在系统启动时，不必完成所有的初始化工作，从而加快系统的启动速度；其次，对很多真实主题而言，在软件启动直到被关闭的

整个过程中，可能根本不会被调用，初始化这些数据完全是在浪费资源。下图显示了使用代理类封装数据库查询类后，系统的启动过程。

 

 

 

　　系统若不使用代理模式，则在启动时就回去初始化DBQuery对象，而使用代理模式之后，启动时只需要

初始化一个轻量级的对象DBQueryProxy。

　　系统的机构如下图所示，IDBQuery是主题接口，定义代理类和和真实类需要对外提供的服务，在本例中

定义了实现数据库查询的公共方法request()函数。DBQuery是真实主题，负责实际的业务操作，DBQueryProxy

是DBQuery的代理类。

二、代理模式的实现和使用

　　基于以上设计，IDBQuery的实现如下，它只有一个request()方法：

public interface IDBQuery{
    String request();
}

 

 

 　  　DBQuery的实现如下，它是一个重量级对象，构造会比较慢：
　　　

public class DBQuery implements IDBQuery {

    public DBQuery () {
        try{
            Thread.sleep(1000);  //可能包含数据库连接等耗时操作
        }catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    @Override
    public String request() {
        return "request string";
    }
}

　　代理类DBQueryProxy是轻量级对象，创建很快，用户替代DBQuery的位置：

public class DBQueryProxy implements IDBQuery {
    private DBQuery real = null;
    @Override
    public String request() {
        //在真正需要的时候，才创建真是对象，创建过程可能很慢
        if(real==null) {
            real = new DBQuery();
        }
        //在多线程环境下，这里返回一个虚假类，类似于Future模式
        return real.request();
    }
}

　　最后，主函数如下，它引用IDBQuery接口，并你用代理类工作：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        IDBQuery q = new DBQueryProxy();  //使用代理
        q.request();                      //在真正使用时才创建真是对象
    }
}

　三、动态代理介绍

　　动态代理是指在运行时，动态的生成代理类。即，代理类的字节码将在运行时生成并载入当前的ClassLoader。于静态代理类相比，

动态代理类有诸多好处。首先，不需要位真实主题写一个形式上完全一样的封装类，假如主题接口中的方法比较多，为每一个接口写一

个代理方法也是非常烦人的事，如果接口有变动，则真实主题和代理类都需要改动，不利于系统维护；其次，使用一些动态代理的生成

方法甚至可以在运行时指定代理类的执行逻辑，从而大大挺升系统的灵活性。

　　生成动态代理的方法很多，如，JDK自带的动态代理、CGLIB、Javassist或者ASM库。JDK的动态代理很简单，它内置在JDK中，

因此不需要引入第三方开发包，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的使用实在过于频繁，而且性能也没有数量级的提升，于CGLIB等高级字节码生成

工具相比，ASM程序的可维护性也很差，如果不是在对性能有苛刻要求的场合，还是推荐CGLIB和Javassist。

　　四、动态代理实现

　　以上例中的DBQueryProxy为例，使用动态代理生成动态类，替代上例中的DBQueryProxy。首先，使用JDK的动态代理生成动

态对象。JDK的动态代理需要实现一个处理方法调用Handle，用于实现代理方法的内部逻辑。

public class JdkDbQueryHandler implements InvocationHandler {
    IDBQuery real = null;       //主题接口

    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        if (real == null) {
            real = new DBQuery(); //如果是第一次调用，则生成真实对象
        }
        return real.request();    //使用真实主题完成实际的操作
    }
}

　　以上代码实现类一个Handler，可以看到，它的内部逻辑和DBQueryProxy是类似的。在调用真实主题的方法前，先城市生成真实主题对象。接着，需要使用这个

Handler生成动态代理对象：

　　

    public static IDBQuery createJdkProxy() {

        IDBQuery jdkProxy = (IDBQuery) Proxy.newProxyInstance(
                ClassLoader.getSystemClassLoader(),
                new Class[]{IDBQuery.class},
                new JdkDbQueryHandler());
        return jdkProxy;
    }

　　以上代码生成类一个实现了IDBQuery接口的代理类，代理类的内部逻辑由jdkDbQueryHandler决定。生成代理类之后，

由newProxyInstance()方法返回该代理类的一个实例。致此，一个完整的JDK动态代理就完成了。

　　CGLIB和Javassist生成动态代理的使用和JDK的动态代理非常类似。下面，尝试使用CGLIB生成动态代理。CGLIB也

需要实现一个处理代理逻辑的切入类：

public class CglibDbQueryInterceptor implements MethodInterceptor {
    IDBQuery real = null;

    @Override
    public Object intercept(Object o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {
        if (real == null) {         //代理类的内部逻辑和前文中的一样
            real = new DBQuery();   
        }
        
        return real.request();
    }
}

在这个切入对象的基础上，可以生成动态代理：

    public static IDBQuery createCglibProxy() {
        Enhancer enhancer = new Enhancer();
        enhancer.setCallback(new CglibDbQueryInterceptor()); //指定切入器，定义代理类逻辑
        enhancer.setInterfaces(new Class[]{IDBQuery.class}); //指定实现的接口
        IDBQuery cglibProxy = (IDBQuery) enhancer.create(); //生成代理类的实例
        
        return  cglibProxy;
        
    }

　　使用Javassist生成动态代理可以使用两种方式：一种是使用代理工厂创建，另一种是通过使用动态代码创建。

使用代理工厂创建时，方法于CGLIB类似，也需要实现一个代理逻辑处理的Handler：

public class JavassistDynDbQueryHandler implements MethodHandler {
    IDBQuery real = null;
    @Override
    public Object invoke(Object arg0, Method arg1, Method arg2, Object[] arg3) throws Throwable {
        if (real == null) {
            real = new DBQuery();
        }
        return real.request();
    }
}

以这个Handler为基础，创建动态Javassist代理：

    public static IDBQuery creatJavassistDynProxy() throws Exception {
        ProxyFactory proxyFactory = new ProxyFactory();
        proxyFactory.setInterfaces(new Class[] {IDBQuery.class});//指定接口
        Class proxyClass = proxyFactory.createClass();
        IDBQuery javassistProxy = (IDBQuery) proxyClass.newInstance();//设置Handler处理器
        
        ((ProxyObject) javassistProxy).setHandler(new JavassistDynDbQueryHandler());
        return javassistProxy;
    }

Javassist使用动态Java代码创建代理的过程和前文的方法略有不同。Javassist内部可以通过动态Java代码，生成字节码。这种方式创建的

动态代理可以非常灵活，甚至可以在运行是生成业务逻辑：

    public static IDBQuery createJavassistBytecodeDynamicProxy() throws Exception {
        ClassPool mpool = new ClassPool(true);
        //定义类名
        CtClass mCtr = mpool.makeClass(IDBQuery.class.getName()+"JavassistBytecodeProxy");
        //需要实现的接口
        mCtr.addInterface(mpool.get(IDBQuery.class.getName()));
        //添加构造函数
        mCtr.addConstructor(CtNewConstructor.defaultConstructor(mCtr));
        //添加类的字段信息，使用动态Java代码
        mCtr.addField(CtField.make("public " +IDBQuery.class.getName() + "real;", mCtr));
        String dbqueryname = DBQUery.class.getName();
        //添加方法，这里使用动态Java代码指定内部逻辑
        mCtr.addMethod(CtNewMethod.make("public String request() { if(real ==" +
                "null) {real = new "+ dbqueryname+"();} return real.request(); }", mCtr));
        //基于以上信息，生成动态类
        Class pc = mCtr.toClass();
        //生成动态类的实例
        IDBQuery bytecodeProxy = (IDBQuery) pc.newInstance();
        return bytecodeProxy;
    }

　　在以上代码中，使用CtField.make()方法和CtNewMethod.make()方法在运行时生成代理类的字段和方法。这些逻辑由Javassist的CtClass对象处理，将Java代码转换为对应的字节码，并生成动态代理类的实例。

　　在Java中，动态代理类的生成主要涉及对ClassLoader的使用。这里CGLIB为例，简要阐述动态类的加载过程。使用CGLIB生成动态代理，首先需要生成Enhancer类实例，并指定用于处理代理业务的回调类。在Enhancer.create()方法中，会使用DefaultGeneratorStrategy.Generate()方法生成动态代理类的字节码，并保存在byte数组中。接着使用ReflectUtils.defineClass()方法，通过反射，调用ClassLoader.defindeClass()方法，将字节码装载到ClassLoader中，完成类的加载。最后使用ReflectUtils.newInstance()方法，通过反射，生成动态类的实例，并返回该实例。无论使用何种方法生成动态代理，虽然实现细节不同，但主要逻辑如下图所示。

 

 

　　 前文介绍的几种动态代理的生成方法，性能有一定差异。为了能更好地测试他们的性能，去掉

DBQuery类中的sleep()代码，并使用以下方法测试：

 public static final int CIRCLE = 30000000;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        IDBQuer d = null;
        long begin = System.currentTimeMillis();
        d = createJdkProxy(); //测试JDK动态代理
        System.out.println("createJdkProxy:" + (System.currentTimeMillis() - begin));
        System.out.println("JdkProxy class:" + d.getClass().getName());
        begin = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < CIRCLE; i++) {
            d.request();
        }
        System.out.println("callJdkProxy:" + (System.currentTimeMillis() - begin));
        begin = System.currentTimeMillis();
        d = createCglibProxy(); //测试CGLIB动态代理
        System.out.println("createCglibProxy:" + (System.currentTimeMillis() - begin));
        System.out.println("CglibProxy class:" + d.getClass().getName());
        begin = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < CIRCLE; i++) {
            d.request();
        }
        System.out.println("callCglibProxy:" + (System.currentTimeMillis() - begin);
        begin = System.currentTimeMillis();
        d = createJavassistDynProxy(); //测试Javassist动态代理
        System.out.println("createJavassistDynProxy:" + d.getClass().getName()));
        begin = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < CIRCLE; i++) {
            d.request();
        }
        System.out.println("callJavassistDynProxy:" + (System.currentTimeMillis() - begin));
        begin = System.currentTimeMillis();
        d = createJavassistBytecodeDynamicProxy(); //测试Javassist动态代理
        System.out.println("createJavassistBytecodeDynamicProxy:" + (System.currentTimeMillis() - begin));
        System.out.println("JavassstBytecodeDynamicProxy class:" + d.getClass().getName());
        begin = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < CIRCLE; i++) {
            d.request();
        }
        System.out.println("callJavassistBytecodeDynamicProxy:" + System.currentTimeMillis() - begin);
    }

以上代码分别生成了4中代理，并对生成的代理类进行高频率调用，最后输出各个代理类的创建耗时，动态类类名和方法调用耗时。结果如下：

 

 

 　　可以看到，JDK的动态创建过程最快，这是因为在这个内置实现中defineClass()方法被定义为native实现，故性能高于其他的几种实现。但在代理类的函数调用性能上，JDK的动态代理就不如CGLIB和Javassist的基于动态代码的代理，而Javassist的基于代理工程的代理实现，代理的性能质量最差，甚至不如JDK的实现。在实际开发应用中，代理类的方法调用频率通常要远远高于代理类的实际生成频率（相同类的重复生成会使用cache），故动态代理对象的方法调用性能应该作为性能的主要关注点。

　　五、Hibernate中代理模式的应用

　　用代理模式实现延时加载的一个经典应用在Hibernate框架中。当Hibernate加载实体bean时，并不会一次性将数据库所有的数据都装载。默认情况下，它会采去延时加载的机制，以提高系统的性能。Hibernate中的延时加载主要有两种：一是属性的延时加载，二是关联表的延时加载。这里以属性的延时加载为例，简单阐述Hibernate是如何使用动态代理的。

　　假定有用户模型：

public class User implements java.io.Serializable {
    private Integer id;
    private String name;
    private int age;
    //省略getter 和 setter 
}

使用以下代码，通过Hibernate加载一条User信息：

    public static void main(String[] args) throws SecurityException, NoSuchFieldException, IllegalArgumentException, IllegalAccessException {
        //从数据库载入ID为1的用户
        User u = (User) HibernateSessionFactory.getSession().load(User.class, 1);
        //打印类名称
        System.out.println("Super Class Name:" + u.getClass().getSuperclass().getName());
        //实现的所有接口
        Class[] ins = u.getClass().getInterfaces();
        for (Class cls : ins) {
            System.out.println("interface:" + cls.getName());
        }
        System.out.println(u.getName());
    }

　　以上代码中，在session.load()方法后，首先输出类User的类名、它的超类、User实现的接口，最后输出调用User的getName()方法取得数据库数据。这段代码的输出如下（Hibernate3.2.6）:

 

 

 　　仔细观察这段输出，可以看到，session的载入类并不是之前定义的User 类，而是名叫javatuning.ch2.proxy.hibernate.User$$EnhancerByCGLIB$$96d498be 的类。从名称上可以推测，它是使用了CGLIB的Enhancer类生成的动态类。该类的父类才是应用程序定义的User 类。

　　此外，它实现类HibernateProxy接口。由此可见，Hibernate使用一个动态代理子类替代用户定义的类。这样，在载入对象是，就不必初始化对象的所有信息，通过代理，拦截所有的getter方法，可以在真正使用对象数据时，采取数据库加载实际的数据，从而提升系统性能。由这段输出的顺序来看，也正是这样，在getName()被调用之前，Hibernate从未输出过一条SQL语句。这表示：User 对象被加载时，根本没有访问数据库，而在getName()方法被调用时，才真正完成了数据库操作。