Spring AOP切面编程实现原理

原创
2023/07/31 10:02
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1.概述

Spring AOPSpring框架中极为重要的核心功能,和Spring IOC并称为Spring的两大核心模块。顾名思义,AOP 即 Aspect Oriented Programming,翻译为面向切面编程。OOP面向对象编程是纵向地对一个事物的抽象,一个对象包括静态的属性信息、动态的方法信息等。而AOP是横向地对不同事物的抽象,属性与属性、方法与方法、对象与对象都可以组成一个切面,而用这种思维去设计编程的方式叫做面向切面编程。

Spring AOP 是利用 CGLIB 和 JDK 动态代理等方式来实现运行期动态方法增强,其目的是将与业务无关的代码单独抽离出来,使其逻辑不再与业务代码耦合,从而降低系统的耦合性,提高程序的可重用性和开发效率。因而 AOP 便成为了日志记录、监控管理、性能统计、异常处理、权限管理、统一认证等各个方面被广泛使用的技术。我们之所以能无感知地在Spring容器bean对象方法前后随意添加代码片段进行逻辑增强,是由于Spring 在运行期帮我们把切面中的代码逻辑动态“织入”到了bean对象方法内,所以说AOP本质上就是一个代理模式

对于代理模式和动态代理技术相关知识点不熟悉的,请先看看之前我总结的:浅析动态代理实现与原理,学习一下动态代理知识点,了解CGlib 和 JDK 两种不同动态代理实现方式原理与区别,并且上面说了Spring AOP就是动态代理技术实现的,只有了解动态代理技术,才能快速掌握今天主题AOP。

2.AOP切面编程示例

既然AOP切面编程的特点就是可以做到对某一个功能进行统一切面处理,对业务代码无侵入,降低耦合度。那么下面我们就根据日志记录这一功能进行实例讲解,对于AOP的编程实现可以基于XML配置,也可以基于注解开发,当下注解开发是主流,所以下面我们基于注解进行示例展示。

切面类

定义一个切面类,来进行日志记录的统一打印。

@Component  // bean组件
@Aspect // 切面类
public class LogAspect {

	// 切入点
	@Pointcut("execution(* com.shepherd.aop.service.*.*(..))")
	private void pt(){}

	/**
	 * 前置通知
	 */
    @Before("pt()")
	public  void beforePrintLog(){
		System.out.println("前置通知beforePrintLog方法开始记录日志了。。。");
	}

	/**
	 * 后置通知
	 */
	@AfterReturning("pt()")
	public  void afterReturningPrintLog(){
		System.out.println("后置通知afterReturningPrintLog方法开始记录日志了。。。");
	}
	/**
	 * 异常通知
	 */
    @AfterThrowing("pt()")
	public  void afterThrowingPrintLog(){
		System.out.println("异常通知afterThrowingPrintLog方法开始记录日志了。。。");
	}

	/**
	 * 最终通知
	 */
	@After("pt()")
	public  void afterPrintLog(){
		System.out.println("最终通知afterPrintLog方法开始记录日志了。。。");
	}

	/**
	 * 环绕通知
	 */
	@Around("pt()")
	public Object aroundPrintLog(ProceedingJoinPoint pjp){
		Object rtValue = null;
		try{
			Object[] args = pjp.getArgs();//得到方法执行所需的参数

			System.out.println("环绕通知aroundPrintLog方法开始记录日志了。。。前置");

			rtValue = pjp.proceed(args);//明确调用业务层方法(切入点方法)
      System.out.println(rtValue);

			System.out.println("环绕通知aroundPrintLog方法开始记录日志了。。。后置");
			return rtValue;
		}catch (Throwable t){
			System.out.println("环绕通知aroundPrintLog方法开始记录日志了。。。异常");
			throw new RuntimeException(t);
		}finally {
			System.out.println("环绕通知aroundPrintLog方法开始记录日志了。。。最终");
		}
	}
}

首先@Aspect表示该类是一个切面类,只要满足@Pointcut标注的切点表达式,就可以执行相应通知方法增强逻辑打印日志。同时我这里写了aop的所有通知:前置、后置、异常、最终、环绕,其实环绕通知就能实现其他四种通知效果了,但是我为了演示所有通知方式和通知方法执行顺序,就全写了,你可以观察一下执行结果。

业务方法

随便写一个业务方法:

public interface MyService {
	String doSomething();
}
@Service
public class MyServiceImpl implements MyService{

	@Override
	public String doSomething() {
		return "========>>> 业务方法执行成功啦!!! ========>>> ";
	}
}

配置类

声明一个配置类开启aop代理功能和bean组件扫描

@Configuration //配置类
@ComponentScan(basePackages = {"com.shepherd.aop"})   //扫描bean组件
@EnableAspectJAutoProxy   //开启aop切面功能
public class AopConfig {

	public static void main(String[] args) {
		AnnotationConfigApplicationContext ac = new AnnotationConfigApplicationContext(AopConfig.class);
		MyService myService = ac.getBean(MyService.class);
		myService.doSomething();

	}
}

通过以上步骤执行main方法结果如下:

环绕通知aroundPrintLog方法开始记录日志了。。。前置
前置通知beforePrintLog方法开始记录日志了。。。
后置通知afterReturningPrintLog方法开始记录日志了。。。
最终通知afterPrintLog方法开始记录日志了。。。
========>>> 业务方法执行成功啦!!! ========>>> 
环绕通知aroundPrintLog方法开始记录日志了。。。后置
环绕通知aroundPrintLog方法开始记录日志了。。。最终

Spring是需要手动添加@EnableAspectJAutoProxy注解进行aop功能集成的,而Spring Boot中使用自动装配的技术,可以不手动加这个注解就实现集成,因为在自动配置类AopAutoConfiguration中已经集成了@EnableAspectJAutoProxy

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3.AOP实现原理

首先来看看Spring是如何集成AspectJ AOP的,这时候目光应该定格在在注解@EnableAspectJAutoProxy

@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
@Import(AspectJAutoProxyRegistrar.class)
public @interface EnableAspectJAutoProxy {

	/**
	 * Indicate whether subclass-based (CGLIB) proxies are to be created as opposed
	 * to standard Java interface-based proxies. The default is {@code false}.
	 * 该属性指定是否通过CGLIB进行动态代理,spring默认是根据是否实现了接口来判断使用JDK还是CGLIB,
	 * 这也是两种代理主要区别,如果为ture,spring则不做判断直接使用CGLIB代理
	 */
	boolean proxyTargetClass() default false;

	/**
	 * Indicate that the proxy should be exposed by the AOP framework as a {@code ThreadLocal}
	 * for retrieval via the {@link org.springframework.aop.framework.AopContext} class.
	 * Off by default, i.e. no guarantees that {@code AopContext} access will work.
	 * @since 4.3.1
	 * 暴露aop代理,这样就可以借助ThreadLocal特性在AopContext在上下文中获取到,可用于解决内部方法调用 a()
	 * 调用this.b()时this不是增强代理对象问题,通过AopContext获取即可
	 */
	boolean exposeProxy() default false;

}

该注解核心代码:@Import(AspectJAutoProxyRegistrar.class),这也是Spring集成其他功能通用方式了,对于注解@Import不太熟悉的,可以看看我之前总结的:@Import使用及原理详解。来到AspectJAutoProxyRegistrar类:

class AspectJAutoProxyRegistrar implements ImportBeanDefinitionRegistrar {

	/**
	 * Register, escalate, and configure the AspectJ auto proxy creator based on the value
	 * of the @{@link EnableAspectJAutoProxy#proxyTargetClass()} attribute on the importing
	 * {@code @Configuration} class.
	 */
	@Override
	public void registerBeanDefinitions(
			AnnotationMetadata importingClassMetadata, BeanDefinitionRegistry registry) {

    // 重点 重点 重点   注入AspectJAnnotationAutoProxyCreator
		AopConfigUtils.registerAspectJAnnotationAutoProxyCreatorIfNecessary(registry);

    // 根据@EnableAspectJAutoProxy注解属性进行代理方式和是否暴露aop代理等设置
		AnnotationAttributes enableAspectJAutoProxy =
				AnnotationConfigUtils.attributesFor(importingClassMetadata, EnableAspectJAutoProxy.class);
		if (enableAspectJAutoProxy != null) {
			if (enableAspectJAutoProxy.getBoolean("proxyTargetClass")) {
				AopConfigUtils.forceAutoProxyCreatorToUseClassProxying(registry);
			}
			if (enableAspectJAutoProxy.getBoolean("exposeProxy")) {
				AopConfigUtils.forceAutoProxyCreatorToExposeProxy(registry);
			}
		}
	}

}

可以看到这里@import就是作用就是将AnnotationAwareAspectJAutoProxyCreator注册到容器当中,这个类是Spring AOP的关键

创建代理对象的时机就在创建一个Bean的时候,而创建代理对象的关键工作其实是由AnnotationAwareAspectJAutoProxyCreator 完成的。从上面类图可以看出它本质上是一种BeanPostProcessor。对BeanPostProcessor后置处理器不了解的,可以查看之前总结的:后置处理器PostProcessor,这是Spring核心扩展点。 所以它的执行是在完成原始 Bean 构建后的初始化Bean(initializeBean)过程中进行代理对象生成的,最终放到Spring容器中,我们可以看下它的postProcessAfterInitialization 方法,该方法在其上级父类中AbstractAutoProxyCreator实现的:

/**
	 * Create a proxy with the configured interceptors if the bean is
	 * identified as one to proxy by the subclass.
	 * @see #getAdvicesAndAdvisorsForBean
	 */
	@Override
	public Object postProcessAfterInitialization(@Nullable Object bean, String beanName) {
		if (bean != null) {
			Object cacheKey = getCacheKey(bean.getClass(), beanName);
			if (this.earlyProxyReferences.remove(cacheKey) != bean) {
				return wrapIfNecessary(bean, beanName, cacheKey);
			}
		}
		return bean;
	}

可以看到只有当earlyProxyReferences集合中不存在cacheKey的时候,才会执行wrapIfNecessary方法。Spring AOP对象生成的时机有两个:一个是提前AOP,提前AOP的对象会被放入到earlyProxyReferences集合当中,Spring循环依赖解决方案中如果某个bean有循环依赖,同时需要代理增强,那么就会提前生成aop代理对象放入earlyProxyReferences中,关于循环依赖解决方案详解,请看之前总结的:Spring循环依赖解决方案 若没有提前,AOP会在Bean的生命周期的最后执行postProcessAfterInitialization的时候进行AOP动态代理。

进入#wrapIfNecessary()方法,核心逻辑:

	protected Object wrapIfNecessary(Object bean, String beanName, Object cacheKey) {

		.......
		
		// Create proxy if we have advice.
		Object[] specificInterceptors = getAdvicesAndAdvisorsForBean(bean.getClass(), beanName, null);
		if (specificInterceptors != DO_NOT_PROXY) {
			this.advisedBeans.put(cacheKey, Boolean.TRUE);
			Object proxy = createProxy(
					bean.getClass(), beanName, specificInterceptors, new SingletonTargetSource(bean));
			this.proxyTypes.put(cacheKey, proxy.getClass());
			return proxy;
		}

		this.advisedBeans.put(cacheKey, Boolean.FALSE);
		return bean;
	}

#getAdvicesAndAdvisorsForBean()遍历Spring容器中所有的bean,判断bean上是否加了@Aspect注解,对加了该注解的类再判断其拥有的所有方法,对于加了通知注解的方法构建出Advisor通知对象放入候选通知链当中。接着基于当前加载的Bean通过切点表达式筛选通知,添加ExposeInvocationInterceptor拦截器,最后对通知链进行排序,得到最终的通知链。得到完整的advice通知链信息后,紧接着通过#createProxy()生成代理对象

	protected Object createProxy(Class<?> beanClass, @Nullable String beanName,
			@Nullable Object[] specificInterceptors, TargetSource targetSource) {

		if (this.beanFactory instanceof ConfigurableListableBeanFactory) {
			AutoProxyUtils.exposeTargetClass((ConfigurableListableBeanFactory) this.beanFactory, beanName, beanClass);
		}

    // new 一个代理工厂对象
		ProxyFactory proxyFactory = new ProxyFactory();
		proxyFactory.copyFrom(this);

    // 判断使用JDK代理还是CGLIB代理
		if (proxyFactory.isProxyTargetClass()) {
			// Explicit handling of JDK proxy targets (for introduction advice scenarios)
			if (Proxy.isProxyClass(beanClass)) {
				// Must allow for introductions; can't just set interfaces to the proxy's interfaces only.
				for (Class<?> ifc : beanClass.getInterfaces()) {
					proxyFactory.addInterface(ifc);
				}
			}
		}
		else {
			// No proxyTargetClass flag enforced, let's apply our default checks...
			if (shouldProxyTargetClass(beanClass, beanName)) {
				proxyFactory.setProxyTargetClass(true);
			}
			else {
				evaluateProxyInterfaces(beanClass, proxyFactory);
			}
		}

    // 构建advisor通知链
		Advisor[] advisors = buildAdvisors(beanName, specificInterceptors);
	  // 将通知链放入代理工厂
    proxyFactory.addAdvisors(advisors);
    // 将被代理的目标类放入到代理工程中
		proxyFactory.setTargetSource(targetSource);
		customizeProxyFactory(proxyFactory);

		proxyFactory.setFrozen(this.freezeProxy);
		if (advisorsPreFiltered()) {
			proxyFactory.setPreFiltered(true);
		}
    // 基于代理工厂获取代理对象返回
		return proxyFactory.getProxy(getProxyClassLoader());
	}

#proxyFactory.getProxy(getProxyClassLoader())

public Object getProxy(@Nullable ClassLoader classLoader) {
		return createAopProxy().getProxy(classLoader);
	}

#createAopProxy()

	@Override
	public AopProxy createAopProxy(AdvisedSupport config) throws AopConfigException {
		if (config.isOptimize() || config.isProxyTargetClass() || hasNoUserSuppliedProxyInterfaces(config)) {
			Class<?> targetClass = config.getTargetClass();
			if (targetClass == null) {
				throw new AopConfigException("TargetSource cannot determine target class: " +
						"Either an interface or a target is required for proxy creation.");
			}
			if (targetClass.isInterface() || Proxy.isProxyClass(targetClass)) {
				return new JdkDynamicAopProxy(config);
			}
			return new ObjenesisCglibAopProxy(config);
		}
		else {
			return new JdkDynamicAopProxy(config);
		}
	}

AOP的代理方式有两种,一种是CGLIB代理,使用ObjenesisCglibAopProxy来创建代理对象,另一种是JDK动态代理,使用JdkDynamicAopProxy来创建代理对象,最终通过对应的AopProxy#getProxy()生成代理对象,来看看JdkDynamicAopProxy的:

	@Override
	public Object getProxy() {
		return getProxy(ClassUtils.getDefaultClassLoader());
	}

	@Override
	public Object getProxy(@Nullable ClassLoader classLoader) {
		if (logger.isTraceEnabled()) {
			logger.trace("Creating JDK dynamic proxy: " + this.advised.getTargetSource());
		}
		Class<?>[] proxiedInterfaces = AopProxyUtils.completeProxiedInterfaces(this.advised, true);
		findDefinedEqualsAndHashCodeMethods(proxiedInterfaces);
		return Proxy.newProxyInstance(classLoader, proxiedInterfaces, this);
	}

Proxy.newProxyInstance(classLoader, proxiedInterfaces, this)这不就是JDK动态代理技术实现模板代码嘛。到这里aop代理对象就已经生成放到Spring容器中。

接下来我们就来看看AOP是怎么执行增强方法的,也就是如何执行aspect切面的通知方法的?还是以JDK实现的动态代理JdkDynamicAopProxy为例,其实现了InvocationHandler来实现动态代理,意味着调用代理对象的方法会调用JdkDynamicAopProxy中的invoke()方法,核心逻辑如下:

	@Override
	@Nullable
	public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
		Object oldProxy = null;
		boolean setProxyContext = false;

		TargetSource targetSource = this.advised.targetSource;
		Object target = null;

		try {
      
			.......

			Object retVal;

			if (this.advised.exposeProxy) {
				// Make invocation available if necessary.
        // 暴露aop代理对象
				oldProxy = AopContext.setCurrentProxy(proxy);
				setProxyContext = true;
			}

			// Get as late as possible to minimize the time we "own" the target,
			// in case it comes from a pool.
			target = targetSource.getTarget();
			Class<?> targetClass = (target != null ? target.getClass() : null);

			// Get the interception chain for this method.
      // 根据切面通知,获取方法的拦截链
			List<Object> chain = this.advised.getInterceptorsAndDynamicInterceptionAdvice(method, targetClass);

			// Check whether we have any advice. If we don't, we can fallback on direct
			// reflective invocation of the target, and avoid creating a MethodInvocation.
			// 拦截链为空,直接反射调用目标方法
      if (chain.isEmpty()) {
				// We can skip creating a MethodInvocation: just invoke the target directly
				// Note that the final invoker must be an InvokerInterceptor so we know it does
				// nothing but a reflective operation on the target, and no hot swapping or fancy proxying.
				Object[] argsToUse = AopProxyUtils.adaptArgumentsIfNecessary(method, args);
				retVal = AopUtils.invokeJoinpointUsingReflection(target, method, argsToUse);
			}
			else {
        // 如果不为空,那么会构建一个MethodInvocation对象,调用该对象的proceed()方法执行拦截器链以及目标方法
				// We need to create a method invocation...
				MethodInvocation invocation =
						new ReflectiveMethodInvocation(proxy, target, method, args, targetClass, chain);
				// Proceed to the joinpoint through the interceptor chain.
				retVal = invocation.proceed();
			}

			// Massage return value if necessary.
			Class<?> returnType = method.getReturnType();
			if (retVal != null && retVal == target &&
					returnType != Object.class && returnType.isInstance(proxy) &&
					!RawTargetAccess.class.isAssignableFrom(method.getDeclaringClass())) {
				// Special case: it returned "this" and the return type of the method
				// is type-compatible. Note that we can't help if the target sets
				// a reference to itself in another returned object.
				retVal = proxy;
			}
			else if (retVal == null && returnType != Void.TYPE && returnType.isPrimitive()) {
				throw new AopInvocationException(
						"Null return value from advice does not match primitive return type for: " + method);
			}
			return retVal;
		}
		finally {
			if (target != null && !targetSource.isStatic()) {
				// Must have come from TargetSource.
				targetSource.releaseTarget(target);
			}
			if (setProxyContext) {
				// Restore old proxy.
				AopContext.setCurrentProxy(oldProxy);
			}
		}
	}

4.总结

基于以上全部就是今天要讲解的Spring AOP相关知识点啦,AOP作为Spring框架的核心模块,在很多场景都有应用到,如Spring的事务控制就是通过aop实现的。采用横向抽取机制,取代了传统纵向继承体系重复性代码,将日志记录,性能统计,安全控制,事务处理,异常处理等代码从业务逻辑代码中划分出来,通过对这些行为的分离,我们希望可以将它们独立到非指导业务逻辑的方法中,进而改变这些行为的时候不影响业务逻辑的代码,从而做到保证开发者在不修改源代码的前提下,为系统中不同的业务组件添加某些通用功能,同时AOP切面编程便于减少系统的重复代码,降低模块间的耦合度,有利于系统未来的可拓展性和可维护性。

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