Java注解与原理分析

Posted 2022-11-15

一、注解基础

注解即标注与解析，在Java的代码工程中，注解的使用几乎是无处不在，甚至多到被忽视；

无论是在JDK源码或者框架组件，都在使用注解能力完成各种识别和解析动作；在对系统功能封装时，也会依赖注解能力简化各种逻辑的重复实现；

基础接口

在Annotation的源码注释中有说明：所有的注解类型都需要继承该公共接口，本质上看注解是接口，但是代码并没有显式声明继承关系，可以直接查看字节码文件；

-- 1、声明注解
public @interface SystemLog 

-- 2、查看指令
javap -v SystemLog.class

-- 3、打印结果
Compiled from "SystemLog.java"
public interface com.base.test.SystemLog extends java.lang.annotation.Annotation

元注解

声明注解时使用，用来定义注解的作用目标，保留策略等；

@Documented
@Inherited
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.METHOD)
public @interface SystemLog  String model () default "" ; 

• Documented：是否被javadoc或类似工具记录在文档中；
• Inherited：标识注解是否可以被子类继承；
• Target：作用目标，在ElementType枚举中可以看到取值包括类、方法、属性等；
• Retention：保留策略，比如编译阶段是否丢弃，运行时保留；

此处声明一个SystemLog注解，作用范围是在方法上，并且在运行时保留，该注解通常用在服务运行时，结合AOP切面编程实现方法的日志采集；

二、注解原理

先来看一个简单的注解使用案例，再细致的分析其中原理，案例并不复杂，就是常见的标注与解析两个关键动作；

public class LogInfo 
    @SystemLog(model = "日志模块")
    public static void main(String[] args) 
        // 生成代理文件
        System.getProperties().put("sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles", "true");
        // 反射机制
        Method[] methods = LogInfo.class.getMethods();
        for (Method method:methods)
            SystemLog systemLog = method.getAnnotation(SystemLog.class) ;
            if (systemLog != null)
                // 动态代理：com.sun.proxy.$Proxy2
                System.out.println(systemLog.getClass().getName());
                System.out.println(systemLog.model());
            
        
    

这里涉及到两个核心概念：反射机制、动态代理；反射机制可以在程序运行时获取类的完整结构信息，代理模式给目标对象提供一个代理对象，由代理对象持有目标对象的引用；

案例中通过反射机制，在程序运行时进行注解的获取和解析，值得关注的是systemLog对象的类名，输出的是代理类信息；

案例执行完毕后，会在代码工程的目录下生成代理类，可以查看$Proxy2文件；

public final class $Proxy2 extends Proxy implements SystemLog 
    public final String model() throws  
        try 
            return (String)super.h.invoke(this, m3, (Object[])null);
         catch (RuntimeException | Error var2) 
            throw var2;
         catch (Throwable var3) 
            throw new UndeclaredThrowableException(var3);
        
    

在对SystemLog解析的过程中，实际上是在使用注解的代理类，$Proxy2继承了Proxy类并实现了SystemLog接口，并且重写了相关方法；有关反射和代理的逻辑，在之前的内容中有详说，此处不赘述；

值得一看是代理类中invoke方法调用，具体的处理逻辑在AnnotationInvocationHandler类的invoke方法中，会对注解原生方法和自定义方法做判断，并对原生方法提供实现；

三、常用注解

1、JDK注解

在JDK中有多个注解是经常使用的，例如Override、Deprecated、SuppressWarnings等；

• Override：判断方法是否为重写方法；
• Deprecated：标记过时的API，继续使用会警告；
• FunctionalInterface：检验是否为函数式接口；
• SuppressWarnings：代码的警告会静默处理；

这里注意FunctionalInterface注解，从1.8开始引入，检验是否为函数式接口，即接口只能有一个抽象方法，否则编译报错；

2、Lombok注解

在具体的看Lombok组件之前，需要先了解一个概念：代码编译；在open-jdk的描述文档中大致分为三个核心阶段；

第一步：读取命令行上指定的所有源文件，解析为语法树，进行符号表填充；

第二步：调用注解处理器，如果处理器生成任何新的源文件或类文件，编译会重新启动；

第三步：分析器创建的语法树被分析并转换为类文件；

更多细节说明可以参考openjdk文档中Compiler模块的内容，下面再回到Lombok组件上；

Lombok组件在代码工程中的使用非常频繁，通过注解的方式极大的简化Java中Bean对象的编写，提高了效率并且让源码显得简洁；

这里用一段简单的代码演示其效果，在IdKey的类中通过三个常用的Lombok注解，替代了类中很多基础方法的显式生成，查看编译后的文件实际是存在相关方法的；

@Data
@AllArgsConstructor
@NoArgsConstructor
public class IdKey 
    private Integer id ;
    private String key ;

    public static void main(String[] args) 
        IdKey idKey01 = new IdKey(1,"cicada") ;
        System.out.println(idKey01);
        idKey01.setId(2);
        idKey01.setKey("smile");
        System.out.println(idKey01);
    

这里需要了解JDK中注解处理器的相关源码，AbstractProcessor作为超类，编译器在编译时会去检查该类的子类，子类中最核心的是process方法；

-- 1、Lombok处理器
@SupportedAnnotationTypes("*")
public class LombokProcessor extends AbstractProcessor 
    private JavacTransformer transformer;
    @Override
    public boolean process(Set<? extends TypeElement> annotations, RoundEnvironment roundEnv) 
         transformer.transform(prio, javacProcessingEnv.getContext(), cusForThisRound, cleanup);
    


-- 2、AST抽象树
public class JavacTransformer 
    public void transform(long priority, Context context, List<JCTree.JCCompilationUnit> compilationUnits,
                          CleanupRegistry cleanup) 
        JavacAST ast = new JavacAST(messager, context, unit, cleanup);
        ast.traverse(new AnnotationVisitor(priority));
        handlers.callASTVisitors(ast, priority);
    


-- 3、注解处理抽象类
public abstract class JavacAnnotationHandler<T extends Annotation> 
    public abstract void handle(AnnotationValues<T> annotation, JCAnnotation ast, JavacNode annotationNode);


-- 4、Getter注解处理
public class HandleGetter extends JavacAnnotationHandler<Getter> 
    @Override 
    public void handle(AnnotationValues<Getter> annotation, JCTree.JCAnnotation ast, JavacNode annotationNode) 
        JavacNode node = annotationNode.up();
        List<JCTree.JCAnnotation> onMethod = unboxAndRemoveAnnotationParameter(ast, "onMethod", "@Getter(onMethod", annotationNode);
        switch (node.getKind()) 
            case FIELD:
                createGetterForFields(level, fields, annotationNode, true, lazy, onMethod);
                break;
        
    

IdKey类从简洁的源码编译为复杂的字节码文件，通过注解对结构处理时关联一个核心概念，叫AST抽象树，会涉及到很多语法、词法的解析逻辑；

四、自定义注解

在系统开发中通过自定义注解可以处理各种麻烦的重复逻辑，其最明显的好处就是可以大量的消除冗余的代码块；

1、同步控制

代码中可能存在很多方法是限制重复请求的，加锁处理是很常用的手段，此时完全可以通过注解结合AOP切面编程简化代码的复杂程度；

@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.METHOD)
public @interface SyncLock 
    String lockKey();           // 锁的Key
    int time () default 3000 ;  // 有效时间
    int retryNum () default 3 ; // 重试次数

通过注解标记在方法上，可以极大简化同步锁的编码步骤，只是在读取KEY的时候需要设计好解析规则，结合反射原理进行获取即可；

基于相同的原理，也适应与日志采集、系统告警等功能，在之前的内容中都有详细的总结；

2、类型引擎

在数据处理的逻辑中，经常有这样一种场景，同一份数据要动态推送到多种数据源中存储，比如常见的mysql表和ES索引双写模式，这就需要对实体对象做不同的解析逻辑；

@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.FIELD)
public @interface BizType 
    EsIndexEnum esIndexEnum () ;        // ES索引解析适配
    MySqlTableEnum mySqlTableEnum () ;  // MySQL表解析适配
    ExcelEnum excelEnum () ;            // Excel解析适配

首先声明一个类型解析的注解，可以标记在实体对象的字段属性上，然后根据各种数据源的类型枚举，去适配不同解析工厂的执行逻辑，比如常用数据类型、格式、或者完全自定义。

五、参考源码

编程文档：
https://gitee.com/cicadasmile/butte-java-note

应用仓库：
https://gitee.com/cicadasmile/butte-flyer-parent