简单介绍 Java 中的编译时注解

1. 前言

上一篇主要介绍了什么是 注解 (Annotation) 以及如何读取 运行时注解 中的数据, 同时用注解实现了简单的 ORM 功能. 这次介绍另一部分: 如何读取 编译时注解 ( RetentionPolicy.SOURCE )

2. 作用

编译时注解可以用来动态生成代码. 使用 SOURCE 类型注解的代码会在编译时被解析, 生成新的 java 文件, 然后和原来的 java 文件一起编译成字节码. 由于不使用反射功能, 编译时注解不会拖累性能, 因而被许多框架使用, 比如 Butter Knife, Dragger2 等.

3. 例子

1. 代码

还是从简单的例子开始看. 这里要做的是生成一个 java 类, 其拥有一个打印注解信息的方法.
先定义一个注解

package apt;
......
@Retention(RetentionPolicy.SOURCE) // 注解只在源码中保留
@Target(ElementType.TYPE) // 用于修饰类
public @interface Hello {
    String name() default "";
}

使用注解的类

package apt;
@Hello(name = "world")
public class Player {
}

不使用注解的类, 用于对比

package apt;
public class Ignored {
}

上一篇说过, 注解没有行为, 只有数据, 需要对应的处理器才能发挥作用. javac 提供了解析编译时注解的注解处理器 ( Annotation Processor ). 对于自定义的注解, 需要手动实现它的注解处理器.下面来看一个简单的注解处理器实现.

package apt;

import javax.annotation.processing.*;
import javax.lang.model.SourceVersion;
import javax.lang.model.element.Element;
import javax.lang.model.element.TypeElement;
import javax.tools.JavaFileObject;
import java.io.IOException;
import java.io.Writer;
import java.util.Set;

/**
 * Created by away on 2017/6/12.
 */
@SupportedSourceVersion(SourceVersion.RELEASE_8) // 源码级别, 这里的环境是 jdk 1.8
@SupportedAnnotationTypes("apt.Hello") // 处理的注解类型, 这里需要处理的是 apt 包下的 Hello 注解(这里也可以不用注解, 改成重写父类中对应的两个方法)
public class HelloProcessor extends AbstractProcessor {

    // 计数器, 用于计算 process() 方法运行了几次
    private int count = 1;

    // 用于写文件
    private Filer filer;

    @Override
    public synchronized void init(ProcessingEnvironment processingEnv) {
        super.init(processingEnv);
        filer = processingEnv.getFiler();
    }

    // 处理编译时注解的方法
    @Override
    public boolean process(Set<? extends TypeElement> annotations, RoundEnvironment roundEnv) {
        System.out.println("start process, count = " + count++);
        // 获得所有类
        Set<? extends Element> rootElements = roundEnv.getRootElements();
        System.out.println("all class:");

        for (Element rootElement : rootElements) {
            System.out.println("  " + rootElement.getSimpleName());
        }

        // 获得有注解的元素, 这里 Hello 只能修饰类, 所以只有类
        Set<? extends Element> elementsAnnotatedWith = roundEnv.getElementsAnnotatedWith(Hello.class);
        System.out.println("annotated class:");
        for (Element element : elementsAnnotatedWith) {
            String className = element.getSimpleName().toString();
            System.out.println("  " + className);

            String output = element.getAnnotation(Hello.class).name();
            // 产生的动态类的名字
            String newClassName = className + "_New";
            // 写 java 文件
            createFile(newClassName, output);
        }
        return true;
    }

    private void createFile(String className, String output) {
        StringBuilder cls = new StringBuilder();
        cls.append("package apt;\n\npublic class ")
                .append(className)
                .append(" {\n  public static void main(String[] args) {\n")
                .append("    System.out.println(\"")
                .append(output)
                .append("\");\n  }\n}");
        try {
            JavaFileObject sourceFile = filer.createSourceFile("apt." + className);
            Writer writer = sourceFile.openWriter();
            writer.write(cls.toString());
            writer.flush();
            writer.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

代码的逻辑很简单:

获得所有标有注解的类
取出注解中的信息
生成新的 java 文件

这里只需要知道, 自定义注解处理器要继承 AbstractProcessor 类, 并重写 process 方法.

2. 运行

此时项目目录如下, 这里 out 目录为手动创建

out
- production
  - apt
src
- apt

在命令行中进入项目根目录, 即 src 文件夹的上一层.

首先编译注解处理器: javac -encoding UTF-8 -d out\production\ src\apt\HelloProcessor.java src\apt\Hello.java

接着执行注解处理器: javac -encoding UTF-8 -cp out\production\ -processor apt.HelloProcessor -d out\production -s src\ src\apt\*.java

得到如下输出

start process, count = 1
all class:
  Hello
  HelloProcessor
  Ignored
  Player
annotated class:
  Player
start process, count = 2
all class:
  Player_New
annotated class:
start process, count = 3
all class:
annotated class:

这时 src/apt 目录下会出现新的 Player_New.java 文件, 内容如下

package apt;

public class Player_New {
  public static void main(String[] args) {
    System.out.println("world");
  }
}

执行 java -cp out\production\elevator apt.Player_New
得到输出 world.

到这里, 编译时注解便处理成功了. 我们定义了一个极其简单的注解处理器, 读取了注解信息, 并生成了新的 java 类来打印该信息.

这里可能会报一个错误

编译器 (1.8.0_131) 中出现异常错误。如果在 Bug Database (http://bugs.java.com) 中没有找到该错误, 请通过 Java Bug 报告页 (http://bugreport.java.com) 建立该 Java 编译器 Bug。请在报告中附上您的程序和以下诊断信息。谢谢。
java.lang.IllegalStateException: endPosTable already set
...
...

这时把产生的 Player_New.java 文件删去重新执行注解处理器就好了

3. javac

这里稍微解释一下 javac 命令, IDE 用多了, 写的时候都忘得差不多了 (:зゝ∠)
javac 用于启动 java 编译器, 格式为 javac <options> <source files>, 其中 <options> 的格式为 -xx xxxx, 都是配对出现的, 用于指定一些信息.

这里 <options> 的位置并没有讲究, 只要在 javac 后面就行了, 在两个 xxx.java 之间出现也是可以的, 比如: javac -d out\production\ src\apt\HelloProcessor.java -encoding UTF-8 src\apt\Hello.java 正常执行.

一些 <option>

-cp <路径>
- 和 -classpath <路径> 一样, 用于指定查找用户类文件和注释处理程序的位置
-d <目录>
- 指定放置生成的类文件的位置
-s <目录>
- 指定放置生成的源文件的位置
-processorpath <路径>
- 指定查找注释处理程序的位置
- 不写的话会使用 -cp 的位置
-processor <class1>[,<class2>,<class3>...]
- 要运行的注释处理程序的名称; 绕过默认的搜索进程

4. 问题

到这里应该会有一些问题, 比如

AbstractProcessor, Elememt 分别是什么
process 为什么执行了 3 次
运行注解处理器的时候会启动 jvm 吗

这里先说一下第三个问题. javac 运行注解处理器的时候, 会开一个完整的 java 虚拟机执行代码, 所以自定义的注解处理器是可以使用各种类库的.
接下来讲一下一些基本概念, 用来回答上面两个问题.

4.概念

1. AbstractProcessor

这是处理器的API，所有的处理器都是基于 AbstractProcessor, 它实现了接口 Processor
接口
- void init(ProcessingEnvironment processingEnv);
  - 会被注解处理工具调用, ProcessingEnvironment 提供了一些实用的工具类 Elements, Types 和 Filer.
- boolean process(Set<? extends TypeElement> annotations, RoundEnvironment roundEnv);
  - 相当于 main 函数, 是注解处理器的入口. 输入参数 RoundEnviroment 可以查询出包含特定注解的被注解元素
- SourceVersion getSupportedSourceVersion();
  - 用来指定使用的 java 版本
- Set<String> getSupportedAnnotationTypes();
  - 指定这个注解处理器是注册给哪个注解的, 这里需要用注解的全称, 比如上面的 apt.Hello
- 最后两个也可以用注解的形式实现, 例子中的代码就是这么做的

2. Element

程序的元素, 例如包, 类或者方法. 每个 Element 代表一个静态的, 语言级别的构件. 可以参考下面的代码理解

package com.example;    // PackageElement

public class Foo {        // TypeElement
    private int a;      // VariableElement
    private Foo other;  // VariableElement
    public Foo () {}    // ExecuteableElement
    public void setA (  // ExecuteableElement
                     int newA   // TypeElement
                     ) {}
}

由此可见 roundEnv.getElementsAnnotatedWith(xxx.class) 得到的并不一定是类, 也可能是方法, 成员变量等, 只是例子中用的注解只能用于修饰类.

3. 注解处理器的执行

javadoc 中对此的描述如下

Annotation processing happens in a sequence of rounds. On each round, a processor may be asked to process a subset of the annotations found on the source and class files produced by a prior round. The inputs to the first round of processing are the initial inputs to a run of the tool; these initial inputs can be regarded as the output of a virtual zeroth round of processing.

概况来说, 就是 process() 方法会被调用多次, 直到没有新的类产生为止.
因为新生成的文件中也可能包含 @Hello 注解，它们会继续被 HelloProcessor 处理.

Round	input	output
1	Hello.java HelloProcessor.java Ignored.java Player.java	Player_New.java
2	Player_New.java	-
3	-	-

下一篇会开始分析 Butter Knife 的源码.

简单介绍 Java 中的编译时注解

1. 前言

2. 作用

3. 例子

1. 代码

2. 运行

3. javac

4. 问题

4.概念

1. AbstractProcessor

2. Element

3. 注解处理器的执行

沉吟至今

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