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# 第24讲 | 有哪些方法可以在运行时动态生成一个Java类？
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在开始今天的学习前，我建议你先复习一下[专栏第6讲](http://time.geekbang.org/column/article/7489)有关动态代理的内容。作为Java基础模块中的内容，考虑到不同基础的同学以及一个循序渐进的学习过程，我当时并没有在源码层面介绍动态代理的实现技术，仅进行了相应的技术比较。但是，有了[上一讲](http://time.geekbang.org/column/article/9946)的类加载的学习基础后，我想是时候该进行深入分析了。
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今天我要问你的问题是，有哪些方法可以在运行时动态生成一个Java类？
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## 典型回答
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我们可以从常见的Java类来源分析，通常的开发过程是，开发者编写Java代码，调用javac编译成class文件，然后通过类加载机制载入JVM，就成为应用运行时可以使用的Java类了。
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从上面过程得到启发，其中一个直接的方式是从源码入手，可以利用Java程序生成一段源码，然后保存到文件等，下面就只需要解决编译问题了。
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有一种笨办法，直接用ProcessBuilder之类启动javac进程，并指定上面生成的文件作为输入，进行编译。最后，再利用类加载器，在运行时加载即可。
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前面的方法，本质上还是在当前程序进程之外编译的，那么还有没有不这么low的办法呢？
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你可以考虑使用Java Compiler API，这是JDK提供的标准API，里面提供了与javac对等的编译器功能，具体请参考[java.compiler](https://docs.oracle.com/javase/9/docs/api/javax/tools/package-summary.html)相关文档。
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进一步思考，我们一直围绕Java源码编译成为JVM可以理解的字节码，换句话说，只要是符合JVM规范的字节码，不管它是如何生成的，是不是都可以被JVM加载呢？我们能不能直接生成相应的字节码，然后交给类加载器去加载呢？
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当然也可以，不过直接去写字节码难度太大，通常我们可以利用Java字节码操纵工具和类库来实现，比如在[专栏第6讲](http://time.geekbang.org/column/article/7489)中提到的[ASM](https://asm.ow2.io/)、[Javassist](http://www.javassist.org/)、cglib等。
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## 考点分析
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虽然曾经被视为黑魔法，但在当前复杂多变的开发环境中，在运行时动态生成逻辑并不是什么罕见的场景。重新审视我们谈到的动态代理，本质上不就是在特定的时机，去修改已有类型实现，或者创建新的类型。
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明白了基本思路后，我还是围绕类加载机制进行展开，面试过程中面试官很可能从技术原理或实践的角度考察：
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* 字节码和类加载到底是怎么无缝进行转换的？发生在整个类加载过程的哪一步？
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* 如何利用字节码操纵技术，实现基本的动态代理逻辑？
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* 除了动态代理，字节码操纵技术还有那些应用场景？
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## 知识扩展
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首先，我们来理解一下，类从字节码到Class对象的转换，在类加载过程中，这一步是通过下面的方法提供的功能，或者defineClass的其他本地对等实现。
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protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len,
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ProtectionDomain protectionDomain)
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protected final Class<?> defineClass(String name, java.nio.ByteBuffer b,
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ProtectionDomain protectionDomain)
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```
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我这里只选取了最基础的两个典型的defineClass实现，Java重载了几个不同的方法。
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可以看出，只要能够生成出规范的字节码，不管是作为byte数组的形式，还是放到ByteBuffer里，都可以平滑地完成字节码到Java对象的转换过程。
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JDK提供的defineClass方法，最终都是本地代码实现的。
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static native Class<?> defineClass1(ClassLoader loader, String name, byte[] b, int off, int len,
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ProtectionDomain pd, String source);
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static native Class<?> defineClass2(ClassLoader loader, String name, java.nio.ByteBuffer b,
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int off, int len, ProtectionDomain pd,
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String source);
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更进一步，我们来看看JDK dynamic proxy的[实现代码](http://hg.openjdk.java.net/jdk/jdk/file/29169633327c/src/java.base/share/classes/java/lang/reflect/Proxy.java)。你会发现，对应逻辑是实现在ProxyBuilder这个静态内部类中，ProxyGenerator生成字节码，并以byte数组的形式保存，然后通过调用Unsafe提供的defineClass入口。
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byte[] proxyClassFile = ProxyGenerator.generateProxyClass(
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proxyName, interfaces.toArray(EMPTY_CLASS_ARRAY), accessFlags);
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try {
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Class<?> pc = UNSAFE.defineClass(proxyName, proxyClassFile,
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0, proxyClassFile.length,
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loader, null);
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reverseProxyCache.sub(pc).putIfAbsent(loader, Boolean.TRUE);
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return pc;
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} catch (ClassFormatError e) {
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// 如果出现ClassFormatError，很可能是输入参数有问题，比如，ProxyGenerator有bug
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}
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前面理顺了二进制的字节码信息到Class对象的转换过程，似乎我们还没有分析如何生成自己需要的字节码，接下来一起来看看相关的字节码操纵逻辑。
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JDK内部动态代理的逻辑，可以参考[java.lang.reflect.ProxyGenerator](http://hg.openjdk.java.net/jdk/jdk/file/29169633327c/src/java.base/share/classes/java/lang/reflect/ProxyGenerator.java)的内部实现。我觉得可以认为这是种另类的字节码操纵技术，其利用了[DataOutputStrem](https://docs.oracle.com/javase/9/docs/api/java/io/DataOutputStream.html)提供的能力，配合hard-coded的各种JVM指令实现方法，生成所需的字节码数组。你可以参考下面的示例代码。
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private void codeLocalLoadStore(int lvar, int opcode, int opcode_0,
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DataOutputStream out)
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throws IOException
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{
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assert lvar >= 0 && lvar <= 0xFFFF;
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// 根据变量数值，以不同格式，dump操作码
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if (lvar <= 3) {
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out.writeByte(opcode_0 + lvar);
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} else if (lvar <= 0xFF) {
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out.writeByte(opcode);
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out.writeByte(lvar & 0xFF);
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} else {
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// 使用宽指令修饰符，如果变量索引不能用无符号byte
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out.writeByte(opc_wide);
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out.writeByte(opcode);
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out.writeShort(lvar & 0xFFFF);
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}
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}
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这种实现方式的好处是没有太多依赖关系，简单实用，但是前提是你需要懂各种[JVM指令](https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-6.html#jvms-6.5)，知道怎么处理那些偏移地址等，实际门槛非常高，所以并不适合大多数的普通开发场景。
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幸好，Java社区专家提供了各种从底层到更高抽象水平的字节码操作类库，我们不需要什么都自己从头做。JDK内部就集成了ASM类库，虽然并未作为公共API暴露出来，但是它广泛应用在，如[java.lang.instrumentation](https://docs.oracle.com/javase/9/docs/api/java/lang/instrument/package-summary.html) API底层实现，或者[Lambda Call Site](https://docs.oracle.com/javase/9/docs/api/java/lang/invoke/CallSite.html)生成的内部逻辑中，这些代码的实现我就不在这里展开了，如果你确实有兴趣或有需要，可以参考类似LamdaForm的字节码生成逻辑：[java.lang.invoke.InvokerBytecodeGenerator](http://hg.openjdk.java.net/jdk/jdk/file/29169633327c/src/java.base/share/classes/java/lang/invoke/InvokerBytecodeGenerator.java)[。](http://hg.openjdk.java.net/jdk/jdk/file/29169633327c/src/java.base/share/classes/java/lang/invoke/InvokerBytecodeGenerator.java)
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从相对实用的角度思考一下，实现一个简单的动态代理，都要做什么？如何使用字节码操纵技术，走通这个过程呢？
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对于一个普通的Java动态代理，其实现过程可以简化成为：
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* 提供一个基础的接口，作为被调用类型（com.mycorp.HelloImpl）和代理类之间的统一入口，如com.mycorp.Hello。
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* 实现[InvocationHandler](https://docs.oracle.com/javase/9/docs/api/java/lang/reflect/InvocationHandler.html)，对代理对象方法的调用，会被分派到其invoke方法来真正实现动作。
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* 通过Proxy类，调用其newProxyInstance方法，生成一个实现了相应基础接口的代理类实例，可以看下面的方法签名。
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public static Object newProxyInstance(ClassLoader loader,
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Class<?>[] interfaces,
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InvocationHandler h)
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我们分析一下，动态代码生成是具体发生在什么阶段呢？
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不错，就是在newProxyInstance生成代理类实例的时候。我选取了JDK自己采用的ASM作为示例，一起来看看用ASM实现的简要过程，请参考下面的示例代码片段。
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第一步，生成对应的类，其实和我们去写Java代码很类似，只不过改为用ASM方法和指定参数，代替了我们书写的源码。
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ClassWriter cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_FRAMES);
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cw.visit(V1_8, // 指定Java版本
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ACC_PUBLIC, // 说明是public类型
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"com/mycorp/HelloProxy", // 指定包和类的名称
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null, // 签名，null表示不是泛型
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"java/lang/Object", // 指定父类
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new String[]{ "com/mycorp/Hello" }); // 指定需要实现的接口
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更进一步，我们可以按照需要为代理对象实例，生成需要的方法和逻辑。
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MethodVisitor mv = cw.visitMethod(
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ACC_PUBLIC, // 声明公共方法
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"sayHello", // 方法名称
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"()Ljava/lang/Object;", // 描述符
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null, // 签名，null表示不是泛型
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null); // 可能抛出的异常，如果有，则指定字符串数组
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mv.visitCode();
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// 省略代码逻辑实现细节
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cw.visitEnd(); // 结束类字节码生成
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上面的代码虽然有些晦涩，但总体还是能多少理解其用意，不同的visitX方法提供了创建类型，创建各种方法等逻辑。ASM API，广泛的使用了[Visitor](https://en.wikipedia.org/wiki/Visitor_pattern)模式，如果你熟悉这个模式，就会知道它所针对的场景是将算法和对象结构解耦，非常适合字节码操纵的场合，因为我们大部分情况都是依赖于特定结构修改或者添加新的方法、变量或者类型等。
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按照前面的分析，字节码操作最后大都应该是生成byte数组，ClassWriter提供了一个简便的方法。
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cw.toByteArray();
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然后，就可以进入我们熟知的类加载过程了，我就不再赘述了，如果你对ASM的具体用法感兴趣，可以参考这个[教程](http://www.baeldung.com/java-asm)。
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最后一个问题，字节码操纵技术，除了动态代理，还可以应用在什么地方？
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这个技术似乎离我们日常开发遥远，但其实已经深入到各个方面，也许很多你现在正在使用的框架、工具就应用该技术，下面是我能想到的几个常见领域。
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* 各种Mock框架
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* ORM框架
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* IOC容器
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* 部分Profiler工具，或者运行时诊断工具等
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* 生成形式化代码的工具
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甚至可以认为，字节码操纵技术是工具和基础框架必不可少的部分，大大减少了开发者的负担。
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今天我们探讨了更加深入的类加载和字节码操作方面技术。为了理解底层的原理，我选取的例子是比较偏底层的、能力全面的类库，如果实际项目中需要进行基础的字节码操作，可以考虑使用更加高层次视角的类库，例如[Byte Buddy](http://bytebuddy.net/#/)等。
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## 一课一练
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关于今天我们讨论的题目你做到心中有数了吗？试想，假如我们有这样一个需求，需要添加某个功能，例如对某类型资源如网络通信的消耗进行统计，重点要求是，不开启时必须是**零开销，而不是低开销，**可以利用我们今天谈到的或者相关的技术实现吗？
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请你在留言区写写你对这个问题的思考，我会选出经过认真思考的留言，送给你一份学习奖励礼券，欢迎你与我一起讨论。
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你的朋友是不是也在准备面试呢？你可以“请朋友读”，把今天的题目分享给好友，或许你能帮到他。
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