关于注解的思考

关于注解的一点点思考

简介

Java注解是在JDK1.5被引入的技术,配合反射可以在运行期间处理注解,配合apt tool可以在编译器处理注解,在JDK1.6之后,apt tool被整合到了javac里面。

什么是注解

注解其实就是一种标记,常常用于代替冗余复杂的配置(XML、properties)又或者是编译器进行一些检查如JDK自带的Override、Deprecated等,但是它本身并不起任何作用,可以说有它没它都不影响程序的正常运行,注解的作用在于注解的处理程序,注解处理程序通过捕获被注解标记的代码然后进行一些处理,这就是注解工作的方式。

在java中,自定义一个注解非常简单,通过@interface就能定义一个注解,实现如下

public @interface PrintMsg {
}

写个测试类给他加上我们写的这个注解吧

@PrintMsg
public class AnnotationTest {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("annotation test OK!");
    }
}

我们发现写与不写这个注解的效果是相同的,这也印证了我们说的注解只是一种标记,有它没它并不影响程序的运行。

元注解

在实现这个注解功能之前,我们先了解一下元注解。

元注解:对注解进行注解,也就是对注解进行标记,元注解的背后处理逻辑由apt tool提供,对注解的行为做出一些限制,例如生命周期,作用范围等等。

@Retention

用于描述注解的生命周期,表示注解在什么范围有效,它有三个取值,如下表所示:

类型 作用
SOURCE 注解只在源码阶段保留,在编译器进行编译的时候这类注解被抹除,常见的@Override就属于这种注解
CLASS 注解在编译期保留,但是当Java虚拟机加载class文件时会被丢弃,这个也是@Retention的默认值。@Deprecated和@NonNull就属于这样的注解
RUNTIME 注解在运行期间仍然保留,在程序中可以通过反射获取,Spring中常见的@Controller、@Service等都属于这一类

@Target

用于描述注解作用的对象类型,这个就非常多了,如下表所示:

类型 作用的对象类型
TYPE 类、接口、枚举
FIELD 类属性
METHOD 方法
PARAMETER 参数类型
CONSTRUCTOR 构造方法
LOCAL_VARIABLE 局部变量
ANNOTATION_TYPE 注解
PACKAGE
TYPE_PARAMETER 1.8之后,泛型
TYPE_USE 1.8之后,除了PACKAGE之外任意类型

@Documented

将注解的元素加入Javadoc中

@Inherited

如果被这个注解标记了,被标记的类、接口会继承父类、接口的上面的注解

@Repeatable

表示该注解可以重复标记

注解的属性

除了元注解之外,我们还能给注解添加属性,注解中的属性以无参方法的形式定义,方法名为属性名,返回值为成员变量的类型,还是以上述注解为例:

首先给这个注解加亿点点细节,生命周期改为Runtime,使得运行期存在可以被我们获取

@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface PrintMsg {
    int count() default 1;
    String name() default "my name is PrintMsg";
}

@PrintMsg(count = 2020)
public class AnnotationTest {
    public static void main(String[] args) {
        //通过反射获取该注解
        PrintMsg annotation = AnnotationTest.class.getAnnotation(PrintMsg.class);
        System.out.println(annotation.count());
        System.out.println(annotation.name());
    }
}

输出如下:

2020
my name is PrintMsg

到这里就有两个疑问了:

  1. getAnnotation获取到的是什么?一个实例?注解是一个类?
  2. 我们明明调用的是count(),name(),但是为什么说是注解的属性?

等下聊

到底什么是注解?

按照注解的生命周期以及处理方式的不同,通常将注解分为运行时注解编译时注解

  • 运行时注解的本质是实现了Annotation接口的特殊接口,JDK在运行时为其创建代理类,注解方法的调用实际是通过AnnotationInvocationHandler的invoke方法,AnnotationInvocationHandler其中维护了一个Map,Map中存放的是方法名与返回值的映射,对注解中自定义方法的调用其实最后就是用方法名去查Map并且放回的一个过程
  • 编译时注解通过注解处理器来支持,而注解处理器的实际工作过程由JDK在编译期提供支持,有兴趣可以看看javac的源码

运行时注解原理详解

之前我们说注解是一种标记,只是针对注解的作用而言,而Java语言层面注解到底是什么呢?以JSL中的一段话开头

An annotation type declaration specifies a new annotation type, a special kind of interface type. To distinguish an annotation type declaration from a normal interface declaration, the keyword interface is preceded by an at-sign (@).

简单来说就是,注解只不过是在interface前面加了@符号的特殊接口,那么不妨以PrintMsg.class开始来看看,通过javap反编译的到信息如下:

public interface com.hustdj.jdkStudy.annotation.PrintMsg extends java.lang.annotation.Annotation
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: (0x2601) ACC_PUBLIC, ACC_INTERFACE, ACC_ABSTRACT, ACC_ANNOTATION
  this_class: #1                          // com/hustdj/jdkStudy/annotation/PrintMsg
  super_class: #3                         // java/lang/Object
  interfaces: 1, fields: 0, methods: 2, attributes: 2
Constant pool:
   #1 = Class              #2             // com/hustdj/jdkStudy/annotation/PrintMsg
   #2 = Utf8               com/hustdj/jdkStudy/annotation/PrintMsg
   #3 = Class              #4             // java/lang/Object
   #4 = Utf8               java/lang/Object
   #5 = Class              #6             // java/lang/annotation/Annotation
   #6 = Utf8               java/lang/annotation/Annotation
   #7 = Utf8               count
   #8 = Utf8               ()I
   #9 = Utf8               AnnotationDefault
  #10 = Integer            1
  #11 = Utf8               name
  #12 = Utf8               ()Ljava/lang/String;
  #13 = Utf8               my name is PrintMsg
  #14 = Utf8               SourceFile
  #15 = Utf8               PrintMsg.java
  #16 = Utf8               RuntimeVisibleAnnotations
  #17 = Utf8               Ljava/lang/annotation/Retention;
  #18 = Utf8               value
  #19 = Utf8               Ljava/lang/annotation/RetentionPolicy;
  #20 = Utf8               RUNTIME
{
  public abstract int count();
    descriptor: ()I
    flags: (0x0401) ACC_PUBLIC, ACC_ABSTRACT
    AnnotationDefault:
      default_value: I#10

  public abstract java.lang.String name();
    descriptor: ()Ljava/lang/String;
    flags: (0x0401) ACC_PUBLIC, ACC_ABSTRACT
    AnnotationDefault:
      default_value: s#13
}
SourceFile: "PrintMsg.java"
RuntimeVisibleAnnotations:
  0: #17(#18=e#19.#20)

从第一行就不难看出,注解是一个继承自Annotation接口的接口,它并不是一个类,那么getAnnotation()拿到的到底是什么呢?不难想到,通过动态代理生成了代理类,是这样的嘛?通过启动参数-Dsun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles=true或者在上述代码中添加:

System.getProperties().put("sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles","true");将通过JDK的proxyGenerator生成的代理类保存下来在com.sun.proxy文件夹下面找到这个class文件,通过javap反编译结果如下:

public final class com.sun.proxy.$Proxy1 extends java.lang.reflect.Proxy implements com.hustdj.jdkStudy.annotation.PrintMsg

可以看出JDK通过动态代理实现了一个类继承我们自定义的PrintMsg接口,由于这个方法字节码太长了,看起来头疼,利用idea自带的反编译直接在idea中打开该class文件如下:

public final class $Proxy1 extends Proxy
    implements PrintMsg
{

    public $Proxy1(InvocationHandler invocationhandler)
    {
        super(invocationhandler);
    }

    public final boolean equals(Object obj)
    {
        try
        {
            return ((Boolean)super.h.invoke(this, m1, new Object[] {
                obj
            })).booleanValue();
        }
        catch(Error _ex) { }
        catch(Throwable throwable)
        {
            throw new UndeclaredThrowableException(throwable);
        }
    }

    public final String name()
    {
        try
        {
            return (String)super.h.invoke(this, m3, null);
        }
        catch(Error _ex) { }
        catch(Throwable throwable)
        {
            throw new UndeclaredThrowableException(throwable);
        }
    }

    public final String toString()
    {
        try
        {
            return (String)super.h.invoke(this, m2, null);
        }
        catch(Error _ex) { }
        catch(Throwable throwable)
        {
            throw new UndeclaredThrowableException(throwable);
        }
    }

    public final int count()
    {
        try
        {
            return ((Integer)super.h.invoke(this, m4, null)).intValue();
        }
        catch(Error _ex) { }
        catch(Throwable throwable)
        {
            throw new UndeclaredThrowableException(throwable);
        }
    }

    public final Class annotationType()
    {
        try
        {
            return (Class)super.h.invoke(this, m5, null);
        }
        catch(Error _ex) { }
        catch(Throwable throwable)
        {
            throw new UndeclaredThrowableException(throwable);
        }
    }

    public final int hashCode()
    {
        try
        {
            return ((Integer)super.h.invoke(this, m0, null)).intValue();
        }
        catch(Error _ex) { }
        catch(Throwable throwable)
        {
            throw new UndeclaredThrowableException(throwable);
        }
    }

    private static Method m1;
    private static Method m3;
    private static Method m2;
    private static Method m4;
    private static Method m5;
    private static Method m0;

    static 
    {
        try
        {
            m1 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("equals", new Class[] {
                Class.forName("java.lang.Object")
            });
            m3 = Class.forName("com.hustdj.jdkStudy.annotation.PrintMsg").getMethod("name", new Class[0]);
            m2 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("toString", new Class[0]);
            m4 = Class.forName("com.hustdj.jdkStudy.annotation.PrintMsg").getMethod("count", new Class[0]);
            m5 = Class.forName("com.hustdj.jdkStudy.annotation.PrintMsg").getMethod("annotationType", new Class[0]);
            m0 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("hashCode", new Class[0]);
        }
        catch(NoSuchMethodException nosuchmethodexception)
        {
            throw new NoSuchMethodError(nosuchmethodexception.getMessage());
        }
        catch(ClassNotFoundException classnotfoundexception)
        {
            throw new NoClassDefFoundError(classnotfoundexception.getMessage());
        }
    }
}
小结

至此就解决了第一个疑问了,所谓的注解其实就是一个实现了Annotation的接口,而我们通过反射获取到的实际上是通过JDK动态代理生成的代理类,这个类实现了我们的注解接口

AnnotationInvocationHandler

那么问题又来了,具体是如何调用的呢?

$Proxy1的count方法为例

public final int count()
{
    try
    {
        return ((Integer)super.h.invoke(this, m4, null)).intValue();
    }
    catch(Error _ex) { }
    catch(Throwable throwable)
    {
        throw new UndeclaredThrowableException(throwable);
    }
}

跟进super

public class Proxy implements java.io.Serializable {
    protected InvocationHandler h;
}

这个InvocationHandler是谁呢?通过在Proxy(InvocationHandler h)方法上打断点追踪结果如下:

关于注解的思考

原来我们对于count方法的调用传递给了AnnotationInvocationHandler

看看它的invoke逻辑

public Object invoke(Object var1, Method var2, Object[] var3) {
    //var4-方法名
    String var4 = var2.getName();
    Class[] var5 = var2.getParameterTypes();
    if (var4.equals("equals") && var5.length == 1 && var5[0] == Object.class) {
        return this.equalsImpl(var3[0]);
    } else if (var5.length != 0) {
        throw new AssertionError("Too many parameters for an annotation method");
    } else {
        byte var7 = -1;
        switch(var4.hashCode()) {
            case -1776922004:
                if (var4.equals("toString")) {
                    var7 = 0;
                }
                break;
            case 147696667:
                if (var4.equals("hashCode")) {
                    var7 = 1;
                }
                break;
            case 1444986633:
                if (var4.equals("annotationType")) {
                    var7 = 2;
                }
        }

        switch(var7) {
            case 0:
                return this.toStringImpl();
            case 1:
                return this.hashCodeImpl();
            case 2:
                return this.type;
            default:
                //因为我们是count方法,走这个分支
                Object var6 = this.memberValues.get(var4);
                if (var6 == null) {
                    throw new IncompleteAnnotationException(this.type, var4);
                } else if (var6 instanceof ExceptionProxy) {
                    throw ((ExceptionProxy)var6).generateException();
                } else {
                    if (var6.getClass().isArray() && Array.getLength(var6) != 0) {
                        var6 = this.cloneArray(var6);
                    }
					//返回var6
                    return var6;
                }
        }
    }
}

这个memberValues是啥?

private final Map<String, Object> memberValues;

他是一个map,存放的是方法名(String)与值的键值对

这里以count()方法的invoke执行为例

关于注解的思考

可以看到它走了default的分支,从上面的map中取到了,我们所定义的2020,那这个memberValues是什么时候解析出来的呢?

通过查看方法调用栈,我们发现在下图这个时候countname还没有赋值

关于注解的思考

在方法中加入断点重新调试得到如下结果

关于注解的思考

2020出现了,再跟进parseMemberValue方法中,再次重新调试

关于注解的思考

再跟进parseConst方法

关于注解的思考

康康javap反编译的字节码中的常量池吧

#71 = Integer            2020

好巧啊,正好是2020!!

因此发现最后是从ConstantPool中根据偏移量来获取值的,至此另一个疑问也解决了,我们在注解中设置的方法,最终在调用的时候,是从一个以<方法名,属性值>为键值对的map中获取属性值,定义成方法只是为了在反射调用作为参数而已,所以也可以将它看成属性吧。

总结

运行时注解的产生作用的步骤如下:

  1. 对annotation的反射调用使得动态代理创建实现该注解的一个类
  2. 代理背后真正的处理对象为AnnotationInvocationHandler,这个类内部维护了一个map,这个map的键值对形式为<注解中定义的方法名,对应的属性名>
  3. 任何对annotation的自定义方法的调用(抛开动态代理类继承自object的方法),最终都会实际调用AnnotatiInvocationHandler的invoke方法,并且该invoke方法对于这类方法的处理很简单,拿到传递进来的方法名,然后去查map
  4. map中memeberValues的初始化是在AnnotationParser中完成的,是勤快的,在方法调用前就会初始化好,缓存在map里面
  5. AnnotationParser最终是通过ConstantPool对象从常量池中拿到对应的数据的,再往下ConstantPool对象就不深入了

编译时注解初探

由于编译时注解的很多处理逻辑内化在Javac中,这里不做过多探讨,仅对《深入理解JVM》中的知识点进行梳理和总结。

在JDK5中,Java语言提供了对于注解的支持,此时的注解只在程序运行时发挥作用,但是在JDK6中,JDK新加入了一组插入式注解处理器的标准API,这组API使得我们对于注解的处理可以提前至编译期,从而影响到前端编译器的工作!!常用的Lombok就是通过注解处理器来实现的

自定义简单注解处理器

实现自己的注解处理器,首先需要继承抽象类javax.annotation.processing.AbstractProcessor,只有process()方法需要我们实现,process()方法如下:

//返回值表示是否修改Element元素
public abstract boolean process(Set<? extends TypeElement> annotations,
                                RoundEnvironment roundEnv);
  • annotations:这个注解处理器处理的注解集合
  • roundEnv:当前round的抽象语法树结点,每一个结点都为一个Element,一共有18种Element包含了Java中 的所有元素:
    • PACKAGE(包)
    • ENUM(枚举)
    • CLASS(类)
    • ANNOTATION_TYPE(注解)
    • INTERFACE(接口)
    • ENUM_CONSTANT(枚举常量)
    • FIELD(字段)
    • PARAMETER(参数)
    • LOCAL_VARIABLE(本地变量)
    • EXCEPTION_PARAMETER(异常)
    • METHOD(方法)
    • CONSTRUCTOR(构造方法)
    • STATIC_INIT(静态代码块)
    • INSTANCE_INIT(实例代码块)
    • TYPE_PARAMETER(参数化类型,泛型尖括号中的)
    • RESOURCE_VARIABLE(资源变量,try-resource)
    • MODULE(模块)
    • OTHER(其他)

此外还有一个重要的实例变量processingEnv,它提供了上下文环境,需要创建新的代码,向编译器输出信息,获取其他工具类都可以通过它

实现一个简单的编译器注解处理器也非常简单,继承AbstractProcessor实现process()方法,在process()方法中实现自己的处理逻辑即可,此外需要两个注解配合一下:

  • @SupportedAnnotationTypes:该注解处理器处理什么注解
  • @SupportedSourceVersion:注解处理器支持的语言版本

实例

@SupportedAnnotationTypes("com.hustdj.jdkStudy.annotation.PrintMsg")
@SupportedSourceVersion(SourceVersion.RELEASE_8)
public class PrintNameProcessor extends AbstractProcessor {

    @Override
    public boolean process(Set<? extends TypeElement> annotations, RoundEnvironment roundEnv) {
        Messager messager = processingEnv.getMessager();
        for (Element element : roundEnv.getRootElements()) {
            messager.printMessage(Diagnostic.Kind.NOTE,"my name is "+element.toString());
        }
        //不修改语法树,返回false
        return false;
    }
}

输出如下:

G:\ideaIU\ideaProjects\cookcode\src\main\java>javac com\hustdj\jdkStudy\annotation\PrintMsg.java

G:\ideaIU\ideaProjects\cookcode\src\main\java>javac com\hustdj\jdkStudy\annotation\PrintNameProcessor.java

G:\ideaIU\ideaProjects\cookcode\src\main\java>javac -processor com.hustdj.jdkStudy.annotation.PrintNameProcessor com\hustdj\jdkStudy\annotation\AnnotationTest.java
警告: 来自注释处理程序 'com.hustdj.jdkStudy.annotation.PrintNameProcessor' 的受支持 source 版本 'RELEASE_8' 低于 -source '1.9'
注: my name is com.hustdj.jdkStudy.annotation.AnnotationTest
1 个警告

参考资料

https://blog.csdn.net/lylwo317/article/details/52163304

https://www.zhihu.com/question/24401191

https://juejin.cn/post/6844903879524483085#heading-4
《深入理解Java虚拟机》

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