【Spring技术原理】Aspectj和LoadTimeWeaving的动态代理技术实现指南

2021-10-25 20:41:08

前提介绍

当我们聊到Spring框架的项目实际开发中，用的强大的功能之一就是（面向切面编程）的这门AOP技术。如果使用得当，它的最大的作用就是侵入性比较少并且简化我们的工作任务（节省大量的重复性编码），最为重要的一点是，它可以让我们在不改变原有代码的情况下，织入我们的逻辑，尤其是在我们没有源代码的时候，而且当我们恢复之前的逻辑的时候，只需要去掉代理就可以了。

AOP的动态代理

Spring AOP的常规的实现方式为cglib和jdk动态代理。两者均可实现，只是性能上略有差异，此处不再详述。

  1. 无论是JDK的动态代理和Cglib实现的Spring代理机制都有一些的局限性，那就是生成的代理对象在内部调用方法时，AOP功能无效，因为毕竟不是代理对象的调用而是this的调用。
  2. 他们都只能对public、protected类型的成员方法生效。

当然，也是有变通的方案解决，比如将bean当做属性注入到自身，然后所有方法调用都通过这个属性来调用。或者通过AopContext.currentProxy的方式去获取代理对象。但是这些解决方案，在开发过程中开发者很容易因为疏忽导致出现问题。

所以，如果需要一种更加强大和易用的aop实现方案，那就是字节码编织技术aspectj。通过修改字节码，可以实现对所有方法进行切面，包括(final、private、static类型的方法)，功能强大。并且spring支持aspectj方式的aop。

AOP技术类型

在介绍强大的Aspectj的技术之前，我们先进行对AOP技术实现基础进行分类，通过为目标类织入切面的方式，实现对目标类功能的增强。按切面被织如到目标类中的时间划分

  • 编译时：使用特殊的编译器在编译期将切面织入目标类,这种比较少见,因为需要特殊的编译器的支持。例如，AspectJ编译器，很少有到，目前我还没有用到。
  • 加载时：通过字节码编辑技术在类加载期将切面织入目标类中,它的核心思想是：在目标类的class文件被JVM加载前,通过自定义类加载器或者类文件转换器将横切逻辑织入到目标类的class文件中，然后将修改后class文件交给JVM加载。这种织入方式可以简称为LTW(LoadTimeWeaving)，AspectJ的LoadTimeWeaving (LTW)
  • 运行时：运行期通过为目标类生成动态代理的方式实现AOP就属于运行期织入，这也是Spring AOP中的默认实现,并且提供了两种创建动态代理的方式：JDK自带的针对接口的动态代理和使用CGLib动态创建子类的方式创建动态代理。

这里我们介绍是Spring整合AspectJ的LTW机制。属于动态加载织入。

LTW可以解决的问题

  • 非spring管理的类依赖注入和切面不生效的问题。
  • 调用类内方法切面不生效的问题。
  • AOP 切面织入方式

LTW的原理

类加载期通过字节码编辑技术将切面织入目标类，这种方式叫做LTW（Load Time Weaving）。

使用JDK5 新增的 java.lang.instrument包，在类加载时对字节码进行转换，从而实现 AOP功能。

JDK的代理功能让代理器访问到JVM的底层组件,借此向JVM注册类文件转换器，在类加载时对类文件的字节码进行转换ClassFileTransformer接口。具体方向可以研究一下java agent技术即可。

Spring中实现LTW

  • Spring中默认通过运行期生成动态代理的方式实现切面的织入，实现AOP功能，但是Spring也可以使用LTW技术来实现AOP，并且提供了细粒度的控制，单个ClassLoader范围内实施类文件转换。

  • Spring中的org.springframework.instrument.classloading.LoadTimeWeaver接口定义了为类加载器添加ClassFileTransfomer的抽象

  • Spring的LTW支持AspectJ定义的切面，既可以是直接使用AspectJ语法定义的切面，也可以是使用@AspectJ注解，通过java类定义的切面。

  • Spring LTW通过读取classpath下META-INF/aop.xml文件,获取切面类和要被切面织入的目标类的相关信息,通过LoadTimeWeaver在ClassLoader加载类文件时将切面织入目标类中。

【Spring技术原理】Aspectj和LoadTimeWeaving的动态代理技术实现指南

  1. Spring中可以通过LoadTimeWeaver将Spring提供的ClassFileTransformer注册到ClassLoader中。

  2. 在类加载期,注册的ClassFileTransformer读取类路径下META-INF/aop.xml文件中定义的切面类和目标类信息，在目标类的class文件真正被VM加载前织入切面信息,生成新的Class文件字节码,然后交给VM加载。

  3. 因而之后创建的目标类的实例,就已经实现了AOP功能。

maven依赖和插件

spring-AOP 和 aspectJ

spring的maven配置
		<dependency>
			<groupId>org.springframework</groupId>
			<artifactId>spring-core</artifactId>
			<version>5.2.5</version>
		</dependency>
		<dependency>
			<groupId>org.springframework</groupId>
			<artifactId>spring-context</artifactId>
			<version>5.2.5</version>
		</dependency>
		<dependency>
			<groupId>org.springframework</groupId>
			<artifactId>spring-aop</artifactId>
			<version>5.2.5</version>
		</dependency>
		<dependency>
			<groupId>org.springframework</groupId>
			<artifactId>spring-aspects</artifactId>
			<version>5.2.5</version>
		</dependency>
		<dependency>
			<groupId>org.springframework</groupId>
			<artifactId>spring-instrument</artifactId>
			<version>5.2.5</version>
		</dependency>
springboot的配置
<dependencies>
 <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-aop</artifactId>
            <version>2.3.1.RELEASE</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework</groupId>
            <artifactId>spring-aspects</artifactId>
            <version>5.2.7.RELEASE</version>
        </dependency>
	<dependency>
			<groupId>org.springframework</groupId>
			<artifactId>spring-instrument</artifactId>
            <version>5.2.7.RELEASE</version>
		</dependency>
</dependencies>

其中都会有maven aspectjWeaver包

 <dependency>
    <groupId>aspectj</groupId>
    <artifactId>aspectjweaver</artifactId>
    <version>1.5.3</version>
</dependency>

spring全注解方式

@Configuration
//开启Aspectj运行时编织
@EnableLoadTimeWeaving(aspectjWeaving = AspectJWeaving.ENABLED)
//开启非spring容器bean的依赖注入支持
@EnableSpringConfigured
@ComponentScan(basePackages = "demo")
public class AppConfig extends WebMvcConfigurationSupport {}

springboot全注解方式

@SpringBootApplication
@EnableLoadTimeWeaving
@EnableSpringConfigured
@EnableAsync(mode = AdviceMode.ASPECTJ)

切面类

@Aspect
//让spring可以将依赖注入到切面对象中
@Configurable
public class SampleAspectj {
	@Autowired
	private RestBean rbean;
	@Around(value = "@annotation(rpc) ")
	public void aop(ProceedingJoinPoint joinPoint,Rpc rpc) {
		rbean.rwar();
	}
}

对象切点类

@Configurable
public class TestOriginObject {
	
	// 依赖注入
    @Autowired
    public TestService testService;

	// spring 的切面
    @Async
    public void print() {
        System.out.println("TestOriginObject print thread " + Thread.currentThread().toString());
    }

	// 自定义的切面
    @Rpc
    public void print1() {
        System.out.println("TestOriginObject print1");
    }
}

@Component
public class TestService {

    @Async
    @Profile
    public void asyncPrint() {
        System.out.println("TestService print thread " + Thread.currentThread().toString());
    }

    public void print() {
        asyncPrint();
    }
	
	private static void test04() {
        log.info("------------test04-----------");
    }

	private void test03() {
        log.info("------------test03-----------");
    }

    public void test02() {
        log.info("------------test02-----------");
    }
}

aop.xml配置

放到/src/main/resources/META-INF目录下

<!DOCTYPE aspectj PUBLIC "-//AspectJ//DTD//EN" "https://www.eclipse.org/aspectj/dtd/aspectj.dtd">
<aspectj>
    <weaver options="-showWeaveInfo -XnoInline -Xset:weaveJavaxPackages=true -Xlint:ignore -verbose -XmessageHandlerClass:org.springframework.aop.aspectj.AspectJWeaverMessageHandler">
        <!-- 只对指定包下的类进行编织 -->
        <include within="demo..*"/>
    </weaver>
    <aspects>
        <!-- 使用指定的切面类进行编织 -->
        <aspect name="test.SampleAspectj"/>
    </aspects>
</aspectj>


@SpringBootApplication
@EnableLoadTimeWeaving
@EnableSpringConfigured
@EnableAsync(mode = AdviceMode.ASPECTJ)
public class AppApplication {
    public static void main(String[] args) {
        // 初始化 spring context
        ApplicationContext context = SpringApplication.run(AppApplication.class, args);
        // 创建 POJO，此时 TestService 会被注入到 POJO 中
        TestOriginObject pojo = new TestOriginObject();
        System.out.println("inject bean " + pojo.testService);
        TestService testService = context.getBean(TestService.class);
        // 正常调用切面
        testService.asyncPrint();
        // 切面的内部调用
        testService.print();
        // 非 spring 管理的类切面调用，spring 定义的切面
        pojo.print();
        // 非 spring 管理的类切面调用，自定义的切面
        pojo.print1();
		
		testService.test02();
	    testService.test03();
	    testService.test04();
    }
}
说明
  • @EnableLoadTimeWeaving 为开启 LTW，或使用 context:load-time-weaver/
  • @Configurable 必须和 @EnableSpringConfigured （或 context:spring-configured/） 配合使用
  • @Configurable 可指明在构造函数前或后注入
  • @EnableAsync 或 @EnableCaching 必须使用 ASPECTJ 模式

@EnableAspectJAutoProxy 也会启动运行时代理植入方式。

启动 VM 参数

-javaagent:path\spring-instrument-5.1.6.RELEASE.jar
-javaagent:path\aspectjweaver-1.9.2.jar

可以采用Maven方式进行打包进入执行

<build>
 <plugins>
 <plugin>
 <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
 <artifactId>maven-surefire-plugin</artifactId>
 <configuration>
 <argLine>
 -javaagent:"${settings.localRepository}/org/aspectj/aspectjweaver/${aspectj.version}/aspectjweaver-${aspectj.version}.jar"
 -javaagent:"${settings.localRepository}/org/springframework/spring-instrument/${spring.version}/spring-instrument-${spring.version}.jar"
 <!-- -Dspring.profiles.active=test-->
 </argLine>
 </configuration>
 </plugin>
 <plugin>
 <groupId>org.springframework.boot</groupId>
 <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
 <configuration>
 <agent>
 ${settings.localRepository}/org/aspectj/aspectjweaver/${aspectj.version}/aspectjweaver-${aspectj.version}.jar
 </agent>
 <agent>
 ${settings.localRepository}/org/springframework/spring-instrument/${spring.version}/spring-instrument-${spring.version}.jar
 </agent>
 </configuration>
	 </plugin>
 </plugins>
</build>

LTW 官方文档

public class Run {
	public static void main(String[] args) {
		//关键代码，用于在程序中开启agent
		//通过bytebuddy拿到当前jvm的Instrumentation实例
		Instrumentation instrumentation = ByteBuddyAgent.install();
		//激活Aspectj的代理对象
		Agent.agentmain("", instrumentation);
		//激活spring代理对象
		InstrumentationSavingAgent.agentmain("", instrumentation);
		//启动spring容器
		//...
	}
}
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