Java 运行时动态编译源代码原理和实现

编译，一般来说就是将源代码转换成机器码的过程，比如在C语言中中，将C语言源代码编译成a.out,，但是在Java中的理解可能有点不同，编译指的是将java 源代码转换成class字节码的过程，而不是真正的机器码，这是因为中间隔着一个JVM。虽然对于编译的理解不同，但是编译的过程基本上都是相同的。但是我们熟悉的编译大都是点击一下Eclipse或者Intellij Idea的Run或者Build按钮，但是在点击后究竟发生什么？其实我没仔细了解过，只是知道这个程序运行起来了，但是如果你使用过javac命令去编译代码时，可能了解的就更深一些，据说印度的Java程序员最开始编程的时候使用的都是文本编辑器而不是IDE，这样更能接触底层的过程。
除了使用javac命令编译Java程序，从Java 1.6开始，我们也可以在程序运行时根据程序实际运行来构建一些类并进行编译，这需要JDK提供给我们一些可供调用的接口来完成编译工作。

一、编译源码需要啥？

那么问题来了，如果要了解运行时编译的过程和对应的接口，首先要明白的就是编译这个过程都会涉及哪些工具和要解决的问题？从我们熟悉的构建过程开始：

• 编译工具（编译器）：显然没有这个东西我们啥也干不了；
• 要编译的源代码文件：没有这个东西，到底编啥呢？
• 源代码、字节码文件的管理：其实这里靠的是文件系统的支持，包括文件的创建和管理；
• 编译过程中的选项：要编译的代码版本、目标，源代码位置，classpath和编码等等，见相关文章；
• 编译中编译器输出的诊断信息：告诉你编译成功还是失败，会有什么隐患提出警告信息；

按照这些信息，JDK也提供了可编程的接口对象上述信息，这些API全部放在javax.tools包下，对应上面的信息如下：

• 编译器：涉及到的接口和类如下：

  • JavaCompiler
  • JavaCompiler.CompilationTask
  • ToolProvider

  在上面的接口和类中，ToolProvider类似是一个工具箱，它可以提供JavaCompiler类的实例并返回，然后该实例可以获取JavaCompiler.CompilationTask实例，然后由JavaCompiler.CompilationTask实例来执行对应的编译任务，其实这个执行过程是一个并发的过程。

• 源代码文件：涉及到接口和类如下：

  • FileObject
  • ForwardingFileObject
  • JavaFileObject
  • JavaFileObject.Kind
  • ForwardingJavaFileObject
  • SimpleJavaFileObject

  上述后面的4个接口和类都是FileObject子接口或者实现类，FIleObject接口代表了对文件的一种抽象，可以包括普通的文件，也可以包括数据库中的数据库等，其中规定了一些操作，包括读写操作，读取信息，删除文件等操作。我们要用的其实是JavaFileObject接口，其中还增加了一些操作Java源文件和字节码文件特有的API，而SimpleJavaFileObject是JavaFileObject接口的实现类，但是其中你可以发现很多的接口其实就是直接返回一个值，或者抛出一个异常，并且该类的构造器由protected修饰的，所以要实现复杂的功能，需要我们必须扩展这个类。ForwardingFileObject、ForwardingJavaFileObject类似，其中都是包含了对应的FileObject和JavaFileObject，并将方法的执行委托给这些对象，它的目的其实就是为了提高扩展性。

• 文件的创建和管理：涉及接口和类如下：

  • JavaFileManager
  • JavaFileManager.Location
  • StandardJavaFileManager
  • ForwardingJavaFileManager
  • StandardLocation

  JavaFileManager用来创建JavaFileObject，包括从特定位置输出和输入一个JavaFileObject，ForwardingJavaFileManager也是出于委托的目的。而StandardJavaFileManager是JavaFileManager直接实现类，JavaFileManager.Location和StandardLocation描述的是JavaFileObject对象的位置，由JavaFileManager使用来决定在哪创建或者搜索文件。由于在javax.tools包下没有JavaFileManager对象的实现类，如果我们想要使用，可以自己实现该接口，也可以通过JavaCompiler类中的getStandardFileManager完成，如下：

  JavaCompiler compiler = ToolProvider.getSystemJavaCompiler();
  DiagnosticCollector collector = new DiagnosticCollector<>();
  // 该JavaFileManager实例是com.sun.tools.javac.file.JavacFileManager
  JavaFileManager manager= compiler.getStandardFileManager(collector, null, null);

• 编译选项的管理：

  • OptionChecker

  这个接口基本上没有用过。

• 诊断信息的收集：涉及接口和类如下：

  • Diagnostic
  • DiagnosticListener
  • Diagnostic.Kind
  • DiagnosticCollector

  Diagnostic会输出编译过程中产生的问题，包括问题的信息和出现问题的定位信息，问题的类别则在Diagnostic.Kind中定义。DiagnosticListener则是从编译器中获取诊断信息，当出现诊断信息时则会调用其中的report方法，DiagnosticCollector则是进一步实现了DiagnosticListener，并将诊断信息收集到一个list中以便处理。

在Java源码运行时编译的时候还会遇到一个与普通编译不同的问题，就是类加载器的问题，由于这个问题过大，而且比较核心，将会专门写一篇文章介绍。

二、如何在运行时编译源代码？

好了说了这么多了，其实都是为了下面的实例作为铺垫，我们还是从上述的几个组件来说明。

1、准备编译器对象

这里只有一种方法，如下：

JavaCompiler compiler = ToolProvider.getSystemJavaCompiler();
// ......
// 在其他实例都已经准备完毕后, 构建编译任务, 其他实例的构建见如下
Boolean result = compiler.getTask(null, manager, collector, options,null,Arrays.asList(javaFileObject));

2、诊断信息的收集

// 初始化诊断收集器
DiagnosticCollector collector = new DiagnosticCollector<>();
// ......
// 编译完成之后，获取编译过程中的诊断信息
collector.getDiagnostics().forEach(item -> System.out.println(item.toString()))

在这个过程中可以通过Diagnostic实例获取编译过程中出错的行号、位置以及错误原因等信息。

3、源代码文件对象的构建

由于JDK提供的FileObject、ForwardingFileObject、JavaFileObject、ForwardingJavaFileObject、SimpleJavaFileObject都无法直接使用，所以我们需要根据需求自定义，此时我们要明白SimpleJavaFileObject类中的哪些方法是必须要覆盖的，可以看如下过程：

下面是调用compiler中的getTask方法时的调用栈，可以看出从main()方法中开始调用getTask方法开始，直到编译工作开始进行，首先读取源代码，调用com.sun.tools.javac.main包中的readSource()方法，源代码如下：

public CharSequence readSource(JavaFileObject filename) {
  try {
    inputFiles.add(filename);
    return filename.getCharContent(false);
  } catch (IOException e) {
    log.error("error.reading.file", filename, JavacFileManager.getMessage(e));
    return null;
  }
}

其中调用ClientCodeWrapper$WrappedFileObject对象中的filename.getCharContent(false)方法来读取要编译的源码，源代码如下：

public CharSequence getCharContent(boolean ignoreEncodingErrors) throws IOException {
  try {
    return clientFileObject.getCharContent(ignoreEncodingErrors);
  } catch (ClientCodeException e) {
    throw e;
  } catch (RuntimeException e) {
    throw new ClientCodeException(e);
  } catch (Error e) {
    throw new ClientCodeException(e);
  }
}

而其中的clientFileObject.getCharContent(ignoreEncodingErrors)，其实就是调用我们实现的自定义的JavaFIleObject对象，因此源代码文本是必须的，因此getCharContent方法是必须实现的，另外在编译器编译完成之后要将编译完成的字节码输出，如下图：

这时调用writeClass()输出字节码，通过打开一个输出流OutputStream来完成该过程，因此openOutputStream()这个方法也是必须实现的。因此该类的实现如下：

public static class MyJavaFileObject extends SimpleJavaFileObject {
    private String source;
    private ByteArrayOutputStream outPutStream;
    // 该构造器用来输入源代码
    public MyJavaFileObject(String name, String source) {
        // 1、先初始化父类，由于该URI是通过类名来完成的，必须以.java结尾。
        // 2、如果是一个真实的路径，比如是file:///test/demo/Hello.java则不需要特别加.java
        // 3、这里加的String:///并不是一个真正的URL的schema, 只是为了区分来源
        super(URI.create("String:///" + name + Kind.SOURCE.extension), Kind.SOURCE);
        this.source = source;
    }
    // 该构造器用来输出字节码
    public MyJavaFileObject(String name, Kind kind){
        super(URI.create("String:///" + name + kind.extension), kind);
        source = null;
    }

    @Override
    public CharSequence getCharContent(boolean ignoreEncodingErrors){
        if(source == null){
            throw new IllegalArgumentException("source == null");
        }
        return source;
    }

    @Override
    public OutputStream openOutputStream() throws IOException {
        outPutStream = new ByteArrayOutputStream();
        return outPutStream;
    }

    // 获取编译成功的字节码byte[]
    public byte[] getCompiledBytes(){
        return outPutStream.toByteArray();
    }
}

4、文件管理器对象的构建

文件管理对象显然也是不能直接使用JDK提供的接口，因为只有ForwardingJavaFileManager是一个类，其他的都是接口，而且在ForwardingJavaFileManager中构造器又是protected，所以如果想定制化使用的话，需要实现接口或者继承类，如果只是简单使用，可以如下：

JavaCompiler compiler = ToolProvider.getSystemJavaCompiler();
DiagnosticCollector collector = new DiagnosticCollector<>();
// 该JavaFileManager实例是com.sun.tools.javac.file.JavacFileManager
JavaFileManager manager= compiler.getStandardFileManager(collector, null, null);

但是compiler.getStandardFileManager()返回的是com.sun.tools.javac.file.JavacFileManager实例，这个不是公开的类，所以我们无法直接使用，只能通过这种调用返回实例。

但是我们课也可以构造自己的FileManager，为了更好的构建，需要理解JavaFileManager在内存中编译时的使用过程，如下：

1. 在编译过程中，首先是编译器会遍历JavaFileManager对象，获取指定位置的所有符合要求的JavaFileObject对象，甚至可以递归遍历，这时调用的是list()方法，该方法会扫面所有涉及的到的包，包括一个类和它实现的接口和继承的类：

   

2. 之后根据获取到的JavaFileObject对象，获取它的二进制表示的名称，通过调用inferBinaryName()方法；

3. 之后是输出编译类，而类的表示为JavaFileObject对象，注意此时的JavaFileObject.Kind为CLASS，调用的方法是getJavaFileForOutput()，注意该方法的调用是在JavaFileObject中openOutputStream()方法之前，如下图：

   

既然了解了上述的流程，我们自定义的文件管理器如下：

private static Map fileObjects = new ConcurrentHashMap<>();
// 这里继承类，不实现接口是为了避免实现过多的方法
public static class MyJavaFileManager extends ForwardingJavaFileManager<JavaFileManager> {
        protected MyJavaFileManager(JavaFileManager fileManager) {
            super(fileManager);
        }

        @Override
        public JavaFileObject getJavaFileForInput(Location location, String className, JavaFileObject.Kind kind) throws IOException {
            JavaFileObject javaFileObject = fileObjects.get(className);
            if(javaFileObject == null){
                super.getJavaFileForInput(location, className, kind);
            }
            return javaFileObject;
        }

        @Override
        public JavaFileObject getJavaFileForOutput(Location location, String qualifiedClassName, JavaFileObject.Kind kind, FileObject sibling) throws IOException {
            JavaFileObject javaFileObject = new MyJavaFileObject(qualifiedClassName, kind);
            fileObjects.put(qualifiedClassName, javaFileObject);
            return javaFileObject;
        }
}

5、编译选项的选择

在使用javac命令的时候，可以添加很多的选项，在实现API完成编译的时候也可以提供参数，比如编译目标，输出路径以及类路径等等，如下：

List options = new ArrayList<>();
options.add("-target");
options.add("1.8");
options.add("-d");
options.add("/");
// 省略......
compiler.getTask(null, javaFileManager, collector, options, null, Arrays.asList(javaFileObject));

6、其他问题

• 想将编译完成的字节码输出为文件，也不需要上面自定义JavaFileManager，直接使用JavaCompiler提供的即可，而且在自定义的JavaFileObject中也不需要实现OpenOutStream这种方法，代替要提供options.add(“-d”)，options.add(“/”)等编译选项；如果不输出为文件按照上述的例子即可；
• StandardLocation中的元素可以代替真实的路径位置，但是不会输出为文件，可以为一个内存中的文件；
• 在编译完成之后要将字节码文件加载进来，因此就要涉及到类加载机制，由于这也是一个很大的话题，所以后面会专门总结一篇，但是在这里还是要说明一下，由于上面编译时没有额外的依赖包，所以不用考虑加载依赖文件的问题，但是当如果有这样的需求时，我们可以利用类加载的委托机制，将依赖文件的加载全部交给父加载器去做即可。

三、完整的例子

public class App {
    private static Map fileObjects = new ConcurrentHashMap<>();
    public static void main( String[] args ) throws IOException {
        String code = "public class Man {\n" +
                "\tpublic void hello(){\n" +
                "\t\tSystem.out.println(\"hello world\");\n" +
                "\t}\n" +
                "}";

        JavaCompiler compiler = ToolProvider.getSystemJavaCompiler();
        DiagnosticCollector collector = new DiagnosticCollector<>();
        JavaFileManager javaFileManager = new MyJavaFileManager(compiler.getStandardFileManager(collector, null, null));

        List options = new ArrayList<>();
        options.add("-target");
        options.add("1.8");

        Pattern CLASS_PATTERN = Pattern.compile("class\\s+([$_a-zA-Z][$_a-zA-Z0-9]*)\\s*");
        Matcher matcher = CLASS_PATTERN.matcher(code);
        String cls;
        if(matcher.find()){
            cls = matcher.group(1);
        } else{
            throw new IllegalArgumentException("No such class name in " + code);
        }

        JavaFileObject javaFileObject = new MyJavaFileObject(cls, code);
        Boolean result = compiler.getTask(null, javaFileManager, collector, options, null, Arrays.asList(javaFileObject)).call();

        ClassLoader classloader = new MyClassLoader();

        Class clazz = null;
        try {
            clazz  = classloader.loadClass(cls);
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        Method method = null;
        try {
            method = clazz.getMethod("hello");
        } catch (NoSuchMethodException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        try {
            method.invoke(clazz.newInstance());
        } catch (IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InvocationTargetException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InstantiationException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static class MyClassLoader extends ClassLoader {

        @Override
        protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
            JavaFileObject fileObject = fileObjects.get(name);
            if(fileObject != null){
                byte[] bytes = ((MyJavaFileObject)fileObject).getCompiledBytes();
                return defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);
            }
            try{
                return ClassLoader.getSystemClassLoader().loadClass(name);
            } catch (Exception e){
                return super.findClass(name);
            }
        }
    }

    public static class MyJavaFileObject extends SimpleJavaFileObject {
        private String source;
        private ByteArrayOutputStream outPutStream;


        public MyJavaFileObject(String name, String source) {
            super(URI.create("String:///" + name + Kind.SOURCE.extension), Kind.SOURCE);
            this.source = source;
        }

        public MyJavaFileObject(String name, Kind kind){
            super(URI.create("String:///" + name + kind.extension), kind);
            source = null;
        }

        @Override
        public CharSequence getCharContent(boolean ignoreEncodingErrors){
            if(source == null){
                throw new IllegalArgumentException("source == null");
            }
            return source;
        }

        @Override
        public OutputStream openOutputStream() throws IOException {
            outPutStream = new ByteArrayOutputStream();
            return outPutStream;
        }

        public byte[] getCompiledBytes(){
            return outPutStream.toByteArray();
        }
    }

    public static class MyJavaFileManager extends ForwardingJavaFileManager<JavaFileManager> {
        protected MyJavaFileManager(JavaFileManager fileManager) {
            super(fileManager);
        }

        @Override
        public JavaFileObject getJavaFileForInput(Location location, String className, JavaFileObject.Kind kind) throws IOException {
            JavaFileObject javaFileObject = fileObjects.get(className);
            if(javaFileObject == null){
                super.getJavaFileForInput(location, className, kind);
            }
            return javaFileObject;
        }

        @Override
        public JavaFileObject getJavaFileForOutput(Location location, String qualifiedClassName, JavaFileObject.Kind kind, FileObject sibling) throws IOException {
            JavaFileObject javaFileObject = new MyJavaFileObject(qualifiedClassName, kind);
            fileObjects.put(qualifiedClassName, javaFileObject);
            return javaFileObject;
        }
    }
}

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