APT 实现Lombok注解功能

时间:2022-09-29 政采云技术团队人气:0

1 背景

在开发中我们常常会用到类似 lombok 、mapstruct 或者 mybatisplus 的框架，只要加入几个注解即可生成对应的方法，既然被很多框架使用，了解其中的原理还是非常有必要的。

2 生成字节码原理

2.1 APT(Annotation Processing Tool )注解处理器

基于 JSR 269（Pluggable Annotation Processing API）规范，提供插入式注解处理接口，Java 6 开始支持，它的主要功能是在 Java 编译期对源码进行处理, 通过这些规范插件，可以读取、修改、添加抽象语法树中的任意元素。

如上图 Javac 在编器期间，如果使用注解处理器对语法树进行了修改，编译器将回到解析及填充符号表的过程重新处理，直至处理完成，再对语法树进行修改。

2.2 AbstractProcessor 注解处理器的使用

创建一个注解处理器分为如下几步：

创建注解类：比如 @Data 类
创建 AbstractProcessor 的继承类， APT 的核心类
修改生成字节码
SPI配置: 在 META-INF\services 创建名为 javax.annotation.processing.Processor 配置文件添加 SPI 实现

2.3 APT 、 AOP、 JavaAgent 优缺点

在我们日常开发中，如果需要做一些埋点，AOP 并非唯一选择，APT 在有些场景下也可以使用的，支持静态方法和私有方法，同时稳定性也比较好，覆盖的场景比较全。

2.4 lombok 原理

1 APT(Annotation Processing Tool )注解处理器 2 javac api处理AST(抽象语法树)

大致原理如下图所示：

如想具体分析 lombok 的实现，可以从 Processor 和AnnotationProcessor 这两个类的 process 方法入手，通过 lombok.javac.JavacAnnotationHandler 处理器找到对应的注解实现。

3 自己实现Lombok

3.1 创建Data注解

@Documented
@Retention(RetentionPolicy.SOURCE)
@Target({ElementType.TYPE})
public @interface Data {
}

该 Data 注解只能在编译期的时候获取到，在运行期是无法获取到的。

3.2 自定义注解处理器

通过实现Processor 接口可以自定义注解处理器，这里我们采用更简单的方法通过继承AbstractProcessor 类实现自定义注解处理器, 实现抽象方法 process 处理我们想要的功能。

3.2.1 APT简单介绍

@SupportedAnnotationTypes({"com.nicky.lombok.annotation.Data"})
@SupportedSourceVersion(SourceVersion.RELEASE_8)
public class DataProcessor extends AbstractProcessor {
   @Override
    public synchronized void init(ProcessingEnvironment processingEnv) {
    }
    @Override
    public boolean process(Set<? extends TypeElement> annotations, RoundEnvironment roundEnv) {
    }
}

@SupportedAnnotationTypes 注解表示哪些注解需要注解处理器处理，可以多个注解校验 @SupportedSourceVersion 注解用于指定jdk使用版本

如果不使用注解也可以在重写父类方法

Set<String> getSupportedAnnotationTypes() 
SourceVersion getSupportedSourceVersion
...

init 方法

主要是用于初始化上下文等信息

process方法

具体处理注解的业务方法

3.2.2 具体实现

1 重写init方法

  /**
     * 抽象语法树
     */
    private JavacTrees trees;
    /**
     * AST
     */
    private TreeMaker treeMaker;
    /**
     * 标识符
     */
    private Names names;
    /**
     * 日志处理
     */
    private Messager messager;
    private Filer filer;
    public synchronized void init(ProcessingEnvironment processingEnvironment) {
        super.init(processingEnvironment);
        this.trees = JavacTrees.instance(processingEnv);
        Context context = ((JavacProcessingEnvironment)processingEnv).getContext();
        this.treeMaker = TreeMaker.instance(context);
        messager = processingEnvironment.getMessager();
        this.names = Names.instance(context);
        filer = processingEnvironment.getFiler();
    }

基本成员变量说明：

1 JavacTrees 这个是当前的java语法树变量
2 TreeMaker 这个是创建或修改方法的AST变量
3 Names 这个是获取变量用的
4 Messager 这个是打印日志的变量
5 Filer 做一些过滤使用的

注: 使用AST语法需要使用本地包 tools.jar 包

    <dependency>
            <groupId>com.sun</groupId>
            <artifactId>tools</artifactId>
            <version>1.8</version>
            <scope>system</scope>
            <systemPath>${java.home}/../lib/tools.jar</systemPath>
        </dependency>

2 重写process方法

 @Override
    public boolean process(Set<? extends TypeElement> annotations, RoundEnvironment roundEnv) {
        Set<? extends Element> annotation = roundEnv.getElementsAnnotatedWith(Data.class);
        annotation.stream().map(element -> trees.getTree(element)).forEach(tree -> tree.accept(new TreeTranslator() {
            @Override
            public void visitClassDef(JCClassDecl jcClass) {
                //过滤属性
                Map<Name, JCVariableDecl> treeMap =
                    jcClass.defs.stream().filter(k -> k.getKind().equals(Tree.Kind.VARIABLE))
                        .map(tree -> (JCVariableDecl)tree)
                        .collect(Collectors.toMap(JCVariableDecl::getName, Function.identity()));
                //处理变量
                treeMap.forEach((k, jcVariable) -> {
                    messager.printMessage(Diagnostic.Kind.NOTE, String.format("fields:%s", k));
                    try {
                        //增加get方法
                        jcClass.defs = jcClass.defs.prepend(generateGetterMethod(jcVariable));
                        //增加set方法
                        jcClass.defs = jcClass.defs.prepend(generateSetterMethod(jcVariable));
                    } catch (Exception e) {
                        messager.printMessage(Diagnostic.Kind.ERROR, Throwables.getStackTraceAsString(e));
                    }
                });
                //增加toString方法
                jcClass.defs = jcClass.defs.prepend(generateToStringBuilderMethod());
                super.visitClassDef(jcClass);
            }
            @Override
            public void visitMethodDef(JCMethodDecl jcMethod) {
                //打印所有方法
                messager.printMessage(Diagnostic.Kind.NOTE, jcMethod.toString());
                //修改方法
                if ("getTest".equals(jcMethod.getName().toString())) {
                    result = treeMaker
                        .MethodDef(jcMethod.getModifiers(), getNameFromString("testMethod"), jcMethod.restype,
                            jcMethod.getTypeParameters(), jcMethod.getParameters(), jcMethod.getThrows(),
                            jcMethod.getBody(), jcMethod.defaultValue);
                }
                super.visitMethodDef(jcMethod);
            }
        }));
        return true;
    }

上面逻辑分别实现了getter方法 setter方法 toString方法

大致逻辑:

1 过滤包含Data的 Element 变量 2 根据 Element 获取AST语法树 3 创建语法翻译器重写 visitClassDef 和 visitMethodDef 方法 4 过滤变量生成 get方法 set方法和 toString方法

3 get方法实现

  private JCMethodDecl generateGetterMethod(JCVariableDecl jcVariable) {
        //修改方法级别
        JCModifiers jcModifiers = treeMaker.Modifiers(Flags.PUBLIC);
        //添加方法名称
        Name methodName = handleMethodSignature(jcVariable.getName(), "get");
        //添加方法内容
        ListBuffer<JCStatement> jcStatements = new ListBuffer<>();
        jcStatements.append(
            treeMaker.Return(treeMaker.Select(treeMaker.Ident(getNameFromString("this")), jcVariable.getName())));
        JCBlock jcBlock = treeMaker.Block(0, jcStatements.toList());
        //添加返回值类型
        JCExpression returnType = jcVariable.vartype;
        //参数类型
        List<JCTypeParameter> typeParameters = List.nil();
        //参数变量
        List<JCVariableDecl> parameters = List.nil();
        //声明异常
        List<JCExpression> throwsClauses = List.nil();
        //构建方法
        return treeMaker
            .MethodDef(jcModifiers, methodName, returnType, typeParameters, parameters, throwsClauses, jcBlock, null);
    }

4 set方法实现

    private JCMethodDecl generateSetterMethod(JCVariableDecl jcVariable) throws ReflectiveOperationException {
        //修改方法级别
        JCModifiers modifiers = treeMaker.Modifiers(Flags.PUBLIC);
        //添加方法名称
        Name variableName = jcVariable.getName();
        Name methodName = handleMethodSignature(variableName, "set");
        //设置方法体
        ListBuffer<JCStatement> jcStatements = new ListBuffer<>();
        jcStatements.append(treeMaker.Exec(treeMaker
            .Assign(treeMaker.Select(treeMaker.Ident(getNameFromString("this")), variableName),
                treeMaker.Ident(variableName))));
        //定义方法体
        JCBlock jcBlock = treeMaker.Block(0, jcStatements.toList());
        //添加返回值类型
        JCExpression returnType =
            treeMaker.Type((Type)(Class.forName("com.sun.tools.javac.code.Type$JCVoidType").newInstance()));
        List<JCTypeParameter> typeParameters = List.nil();
        //定义参数
        JCVariableDecl variableDecl = treeMaker
            .VarDef(treeMaker.Modifiers(Flags.PARAMETER, List.nil()), jcVariable.name, jcVariable.vartype, null);
        List<JCVariableDecl> parameters = List.of(variableDecl);
        //声明异常
        List<JCExpression> throwsClauses = List.nil();
        return treeMaker
            .MethodDef(modifiers, methodName, returnType, typeParameters, parameters, throwsClauses, jcBlock, null);
    }

5 toString方法实现

  private JCMethodDecl generateToStringBuilderMethod() {
        //修改方法级别
        JCModifiers modifiers = treeMaker.Modifiers(Flags.PUBLIC);
        //添加方法名称
        Name methodName = getNameFromString("toString");
        //设置调用方法函数类型和调用函数
        JCExpressionStatement statement = treeMaker.Exec(treeMaker.Apply(List.of(memberAccess("java.lang.Object")),
            memberAccess("com.nicky.lombok.adapter.AdapterFactory.builderStyleAdapter"),
            List.of(treeMaker.Ident(getNameFromString("this")))));
        ListBuffer<JCStatement> jcStatements = new ListBuffer<>();
        jcStatements.append(treeMaker.Return(statement.getExpression()));
        //设置方法体
        JCBlock jcBlock = treeMaker.Block(0, jcStatements.toList());
        //添加返回值类型
        JCExpression returnType = memberAccess("java.lang.String");
        //参数类型
        List<JCTypeParameter> typeParameters = List.nil();
        //参数变量
        List<JCVariableDecl> parameters = List.nil();
        //声明异常
        List<JCExpression> throwsClauses = List.nil();
        return treeMaker
            .MethodDef(modifiers, methodName, returnType, typeParameters, parameters, throwsClauses, jcBlock, null);
    }
 private JCExpression memberAccess(String components) {
        String[] componentArray = components.split("\\.");
        JCExpression expr = treeMaker.Ident(getNameFromString(componentArray[0]));
        for (int i = 1; i < componentArray.length; i++) {
            expr = treeMaker.Select(expr, getNameFromString(componentArray[i]));
        }
        return expr;
    }
    private Name handleMethodSignature(Name name, String prefix) {
        return names.fromString(prefix + CaseFormat.LOWER_CAMEL.to(CaseFormat.UPPER_CAMEL, name.toString()));
    }
    private Name getNameFromString(String s) {
        return names.fromString(s);
    }

最后是通过 SPI 的方式加载注解处理器，spi 可以用 java 自带的方式，具体用法可以参考我的文章：框架基础之SPI机制 , 这里我们使用 google 封装的 auto-service 框架来实现。

在pom文件中引入

        <dependency>
            <groupId>com.google.auto.service</groupId>
            <artifactId>auto-service</artifactId>
            <version>1.0-rc4</version>
            <optional>true</optional>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>com.google.auto</groupId>
            <artifactId>auto-common</artifactId>
            <version>0.10</version>
            <optional>true</optional>
        </dependency>

然后在添加AutoService注解

@SupportedAnnotationTypes({"com.nicky.lombok.annotation.Data"})
@SupportedSourceVersion(SourceVersion.RELEASE_8)
@AutoService(Processor.class)
public class DataProcessor extends AbstractProcessor {
}

最后就是 mvn clean install 打包到本地仓库作为一个公共包

[INFO] Installing /Users/chenxing/Documents/sourcecode/id-generator-spring-boot-starter/lombok-enchance/target/java-feature.jar to /Users/chenxing/m2repository/com/nicky/lombok-enchance/1.0.4/lombok-enchance-1.0.4.jar
[INFO] Installing /Users/chenxing/Documents/sourcecode/id-generator-spring-boot-starter/lombok-enchance/pom.xml to /Users/chenxing/m2repository/com/nicky/lombok-enchance/1.0.4/lombok-enchance-1.0.4.pom
[INFO] ------------------------------------------------------------------------
[INFO] BUILD SUCCESS
[INFO] ------------------------------------------------------------------------
[INFO] Total time: 2.372 s
[INFO] Finished at: 2022-09-03T10:44:27+08:00
[INFO] ------------------------------------------------------------------------
➜  lombok-enchance git:(master) ✗

我们测试下，我们的注解处理器是否按所想的那样，实现了相应功能。

在项目中引入本地依赖例如我的仓库依赖坐标：

        <dependency>
            <groupId>com.nicky</groupId>
            <artifactId>lombok-enchance</artifactId>
            <version>1.0.4</version>
        </dependency>

给LombokTest 类添加 @Data 注解

@Data
public class LombokTest {
    private String name;
    private int age;
    public LombokTest(String name) {
        this.name = name;
    }
    public static void main(String[] args) {
        LombokTest lombokTest = new LombokTest("nicky");
        lombokTest.age = 18;
        System.out.println(lombokTest.toString());
    }
}

我们编译上面的类，查看 class文件是否生成了getField() setField() toString() 方法

public class LombokTest {
    private java.lang.String name;
    private int age;
    public java.lang.String toString() { /* compiled code */ }
    public void setName(java.lang.String name) { /* compiled code */ }
    public java.lang.String getName() { /* compiled code */ }
    public void setAge(int age) { /* compiled code */ }
    public int getAge() { /* compiled code */ }
    public LombokTest(java.lang.String name) { /* compiled code */ }
    public static void main(java.lang.String[] args) { /* compiled code */ }
}

成功啦

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