Lombok实现原理

Posted 2022-12-30 xinyuan_java

序言

在写Java代码的时候，最烦写setter/getter方法，自从有了Lombok插件不用再写那些方法之后，感觉再也回不去了，那你们是否好奇过Lombok是怎么把setter/getter方法给你加上去的呢？有的同学说我们Java引入Lombok之后会污染依赖包，那我们可不可以自己写一个工具来代替Lombok呢？

知识点

• Java编译过程

• 了解Lombok原理

• 了解插入式注解处理器

分析

序言提到的问题其实都是同一个问题，就是如何去获取和修改Java源代码？

要回答这个问题，我们需要回答这几个问题：

1. Java编译器是如何解析Java源代码的？

2. 编译器编译源代码都有哪些步骤？

3. 我们在编译器工作的时候，怎么才能去增加内容或者是进行代码分析？

希望大家看完本文能够自己写一个简易的Lombok工具。

回答

如何解析源代码

其实从我们的代码到被编译，中间隔了一个数据结构，叫做AST（抽象树）。具体的形式，可以查看下面的图片。右边的便是AST的数据结构了。



代码编译都有哪些步骤

整个编译过程大致如下：



图片来自openjdk

1.初始化插入注解处理器

2.解析与填充符号表过程

a.词法分析、语法分析。将源代码的字符流转变为标记集合，构造出抽象语法树。

b.填充符号表。产生符号地址和符号信息。

3.插入式注解处理器的注解处理过程：插入式注解处理器的执行阶段。后面我会给大家带来两个此方面的实用实战例子。

4.分析与字节码生成过程

a.标注检查。对语法的静态信息检查。

b.数据流及控制流分析。对程序动态运行过程进行检查。

c.解语法糖。将简化代码编写的语法糖还原为原有的形式。

d.字节码生成。将前面各个步骤所生成的信息转化成为字节码。

我们知道了上面的理论之后，接下来我们进行实战。带着大家一起去修改AST（抽象树）。添加自己的代码。

实战

如何自己实现一个自动添加Setter/Getter的工具

首先，我们创建一个自己的注解。

@Retention(RetentionPolicy.SOURCE) // 注解只在源码中保留@Target(ElementType.TYPE) // 用于修饰类public @interface MySetterGetter 

创建一个需要生成setter/getter方法的实体类

@MySetterGetter  // 打上我们的注解public class Test     private String wzj;

接下来就来看一看如何来生成我们想要的字符串。

整体代码如下：

@SupportedAnnotationTypes("com.study.practice.nameChecker.MySetterGetter")
@SupportedSourceVersion(SourceVersion.RELEASE_8)
public class MySetterGetterProcessor extends AbstractProcessor 
    // 主要是输出信息
    private Messager messager;
    private JavacTrees javacTrees;

    private TreeMaker treeMaker;
    private Names names;
    @Override
    public synchronized void init(ProcessingEnvironment processingEnv) 
        super.init(processingEnv);
        this.messager = processingEnv.getMessager();
        this.javacTrees = JavacTrees.instance(processingEnv);
        Context context = ((JavacProcessingEnvironment)processingEnv).getContext();
        this.treeMaker = TreeMaker.instance(context);
        this.names = Names.instance(context);
    

    @Override
    public boolean process(Set<? extends TypeElement> annotations, RoundEnvironment roundEnv) 
        // 拿到被注解标注的所有的类
        Set<? extends Element> elementsAnnotatedWith = roundEnv.getElementsAnnotatedWith(MySetterGetter.class);
        elementsAnnotatedWith.forEach(element -> 
            // 得到类的抽象树结构
            JCTree tree = javacTrees.getTree(element);
            // 遍历类，对类进行修改
            tree.accept(new TreeTranslator()
                @Override
                public void visitClassDef(JCTree.JCClassDecl jcClassDecl) 
                    List<JCTree.JCVariableDecl> jcVariableDeclList = List.nil();
                    // 在抽象树中找出所有的变量
                    for(JCTree jcTree: jcClassDecl.defs)
                        if (jcTree.getKind().equals(Tree.Kind.VARIABLE))
                            JCTree.JCVariableDecl jcVariableDecl = (JCTree.JCVariableDecl)jcTree;
                            jcVariableDeclList = jcVariableDeclList.append(jcVariableDecl);
                        
                    
                    
                    // 对于变量进行生成方法的操作
                    for (JCTree.JCVariableDecl jcVariableDecl : jcVariableDeclList) 
                        messager.printMessage(Diagnostic.Kind.NOTE, jcVariableDecl.getName() + " has been processed");
                        jcClassDecl.defs = jcClassDecl.defs.prepend(makeSetterMethodDecl(jcVariableDecl));

                        jcClassDecl.defs = jcClassDecl.defs.prepend(makeGetterMethodDecl(jcVariableDecl));
                    


        // 生成返回对象
        JCTree.JCExpression methodType = treeMaker.Type(new Type.JCVoidType());

        return treeMaker.MethodDef(treeMaker.Modifiers(Flags.PUBLIC), getNewSetterMethodName(jcVariableDecl.getName()), methodType, List.nil(), parameters, List.nil(), block, null);
    
    /**
     * 生成 getter 方法
     * @param jcVariableDecl
     * @return
     */
    private JCTree.JCMethodDecl makeGetterMethodDecl(JCTree.JCVariableDecl jcVariableDecl)
        ListBuffer<JCTree.JCStatement> statements = new ListBuffer<>();
        // 生成表达式
        JCTree.JCReturn aReturn = treeMaker.Return(treeMaker.Ident(jcVariableDecl.getName()));
        statements.append(aReturn);
        JCTree.JCBlock block = treeMaker.Block(0, statements.toList());
        // 无入参
        // 生成返回对象
        JCTree.JCExpression returnType = treeMaker.Type(jcVariableDecl.getType().type);
        return treeMaker.MethodDef(treeMaker.Modifiers(Flags.PUBLIC), getNewGetterMethodName(jcVariableDecl.getName()), returnType, List.nil(), List.nil(), List.nil(), block, null);
    
    /**
     * 拼装Setter方法名称字符串
     * @param name
     * @return
     */
    private Name getNewSetterMethodName(Name name) 
        String s = name.toString();
        return names.fromString("set" + s.substring(0,1).toUpperCase() + s.substring(1, name.length()));
    
    /**
     * 拼装 Getter 方法名称的字符串
     * @param name
     * @return
     */
    private Name getNewGetterMethodName(Name name) 
        String s = name.toString();
        return names.fromString("get" + s.substring(0,1).toUpperCase() + s.substring(1, name.length()));
    
    /**
     * 生成表达式
     * @param lhs
     * @param rhs
     * @return
     */
    private JCTree.JCExpressionStatement makeAssignment(JCTree.JCExpression lhs, JCTree.JCExpression rhs) 
        return treeMaker.Exec(
                treeMaker.Assign(lhs, rhs)
        );
    

代码有点多，我们逐一拆解说明：

下面这是整个代码结构的脑图，后面的讲解会基于这个顺序。



a. 注解

@SupportedAnnotationTypes 表示我们需要监听的注解，比如我们之前定义的 @MySetterGetter。

@SupportedSourceVersion 表示我们想要对什么版本的Java源代码进行处理。

b. 父类

AbstractProcessor是本次的核心类，编译器在编译的时候会扫描此类的子类。其中有一个子类必须实现的核心方法 public boolean process(Set<? extends TypeElement> annotations, RoundEnvironment roundEnv)，此方法如果是返回为true就说明编译的那个类抽象树的结构又变化，需要重新进行词法分析和语法分析（可以查看上面提到的那个编译流程图）。如果返回的是false就说明没有变化。

c. process方法

主要的操作逻辑是：

1.拿到所有被我们MySetterGetter标注的类。

2.遍历所有的类，生成类的抽象树结构。

3.对类进行操作：

a.找到类中所有的变量。

b.对变量进行生成Set和Get方法。

4.返回 true，说明类结构变了，需要重新解析。如果是false说明没有变，不用重新解析。

d. 操作JCTree树

主要是在操作抽象树，可以查看文末附件中的文章进行学习。

e. 方法名称拼接

这一块儿和字符串拼接没啥区别，用过反射的同学应该也都清楚这个操作了。

到此为止，我们就已经介绍完了Lombok的原理。怎么样是不是很简单。接下来，就让我们把它运行起来，投入到实战之中。

f. 运行

最后来看一下如何正确的运行这个我们写的工具。

1. 环境

我的系统环境是 macOs Monterey；

java版本是

openjdk version "1.8.0_302"OpenJDK Runtime Environment (Temurin)(build 1.8.0_302-b08)OpenJDK 64-Bit Server VM (Temurin)(build 25.302-b08, mixed mode)

2. 编译processor

在你存放 MySetterGetter 和 MySetterGetterProcessor 两个类的目录下进行编译。

javac -cp $JAVA_HOME/lib/tools.jar MySetterGetter.java MySetterGetterProcessor.java

执行成功后会出现这三个class文件。



3. 声明插入式注解处理器

1.在你的工程的resources下面创建一个包，名称为：META-INFO.services

2.然后创建一个文件，名称为：javax.annotation.processing.Processor

3.将你的注解处理器的地址填入，我的配置是这样的：

com.study.practice.nameChecker.MySetterGetterProcessor

4. 用我们的工具去编译目标类

比如我们本次是要编译那个test.java。

它的内容再回顾一下：

@MySetterGetter  // 打上我们的注解public class Test     private String wzj;

然后我们就去编译它（注意类前面的路径。这个你们得换成自己的工程目录。）

javac -processor com.study.practice.nameChecker.MySetterGetterProcessor com/study/practice/nameChecker/Test.java

执行之后如果没有修改我的代码的话会打印这几个字符串：

process 1process 2注: wzj has been processedprocess 1

最后会生成Test.class文件。



5. 成果

最后的class文件解析出来就是这个样子的。如下图所示：

看到Setter/Getter方法就说明我们已经大功告成了！是不是很简单。

到此为止，我们就学会了如何自己写一个属于自己的简易Lombok的插件了。