Java编译时注解处理器（APT）详解
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上篇文章我们使用注解+反射实现了一个仿ButterKnife功能的示例。考虑到反射是在运行时完成的，多少会影响程序性能。因此，ButterKnife本身并非基于注解+反射来实现的，而是用APT技术在编译时处理的。APT什么呢？接下来一起来看。
一、APT简介
1.什么是APT？
APT即为Annotation Processing Tool，它是javac的一个工具，中文意思为编译时注解处理器。APT可以用来在编译时扫描和处理注解。通过APT可以获取到注解和被注解对象的相关信息，在拿到这些信息后我们可以根据需求来自动的生成一些代码，省去了手动编写。注意，获取注解及生成代码都是在代码编译时候完成的，相比反射在运行时处理注解大大提高了程序性能。APT的核心是AbstractProcessor类，关于AbstractProcessor类后面会做详细说明。
2.哪里用到了APT？
APT技术被广泛的运用在Java框架中，包括Android项以及Java后台项目，除了上面我们提到的ButterKnife之外，像EventBus 、Dagger2以及阿里的ARouter路由框架等都运用到APT技术，因此要想了解以、探究这些第三方框架的实现原理，APT就是我们必须要掌握的。
3.如何在Android Studio中构建一个APT项目?
APT项目需要由至少两个Java Library模块组成，不知道什么是Java Library？没关系，手把手来叫你如何创建一个Java Library。
首先，新建一个Android项目，然后File–>New–>New Module,打开如上图所示的面板，选择Java Library即可。刚才说到一个APT项目至少应该由两个Java Library模块。那么这两个模块分别是什么作用呢？
1.首先需要一个Annotation模块，这个用来存放自定义的注解。
2. 另外需要一个Compiler模块，这个模块依赖Annotation模块。
3.项目的App模块和其它的业务模块都需要依赖Annotation模块，同时需要通过annotationProcessor依赖Compiler模块。
app模块的gradle中依赖关系如下：
implementation project(':annotation')
annotationProcessor project(':factory-compiler')
APT项目的模块的结构图如下所示：
为什么要强调上述两个模块一定要是Java Library？如果创建Android Library模块你会发现不能找到AbstractProcessor这个类，这是因为Android平台是基于OpenJDK的，而OpenJDK中不包含APT的相关代码。因此，在使用APT时，必须在Java Library中进行。
二、从一个例子开始认识APT
在学习Java基础的时候想必大家都写过简单工厂模式的例子，回想一下什么是简单工厂模式。接下来引入一个工厂模式的例子，首先定义一个形状的接口IShape，并为其添加 draw()方法：
public interface IShape {
void draw();
}
接下来定义几个形状实现IShape接口,并重写draw()方法：
public class Rectangle implements IShape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("Draw a Rectangle");
}
}
public class Triangle implements IShape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("Draw a Triangle");
}
}
public class Circle implements IShape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("Draw a circle");
}
}
接下来我们需要一个工厂类，这个类接收一个参数，根据我们传入的参数创建出对应的形状，代码如下：
public class ShapeFactory {
public Shape create(String id) {
if (id == null) {
throw new IllegalArgumentException("id is null!");
}
if ("Circle".equals(id)) {
return new Circle();
}
if ("Rectangle".equals(id)) {
return new Rectangle();
}
if ("Triangle".equals(id)) {
return new Triangle();
}
throw new IllegalArgumentException("Unknown id = " + id);
}
}
以上就是一个简单工厂模式的示例代码，想必大家都能够理解。
那么，现在问题来了，在项目开发过程中，我们随时可能会添加一个新的形状。此时就不得不修改工厂类来适配新添加的形状了。试想一下，每添加一个形状类都需要我们手动去更新Factory类，是不是影响了我们的开发效率？如果这个Factory类能够根据我们添加新的形状来同步更新Factory代码，岂不是就省了我们很多时间了吗？
应该怎么做才能满足上述需求呢？在第一节中已经提到了使用APT可以帮助我们自动生成代码。那么这个工厂类是不是可以使用APT技术来自动生成呢？我们唯一要做的事情就是新添加的形状类上加上一个注解，注解处理器就会在编译时根据注解信息自动生成ShapeFactory类的代码了，美哉，美哉！理想很丰满，但是，现实很骨感。虽然已经明确了要做什么，但是想要注解处理器帮我们生成代码，却还有很长的路要走。不过，不当紧，接下来我们将一步步实现注解处理器并让其自动生成Factory类。
三、使用APT处理注解
1.定义Factory注解
首先在annotation模块下添加一个Factory的注解，Factory注解的Target为ElementType，表示它可以注解类、接口或者枚举。Retention指定为RetentionPolicy.CLASS，表示该在字节码中有效。Factory注解添加两个成员，一个Class类型的type，用来表示注解的类的类型，相同的类型表示属于同一个工厂。令需一个String类型的id,用来表示注解的类的名称。Factory注解代码如下：
@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.CLASS)
public @interface Factory {
Class type();
String id();
}
接下来我们用@Factory去注解形状类，如下：
@Factory(id = "Rectangle", type = IShape.class)
public class Rectangle implements IShape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("Draw a Rectangle");
}
}
... 其他形状类代码类似不再贴出
**2.认识AbstractProcessor **
接下来，就到了我们本篇文章所要讲的核心了。没错，就是AbstractProcessor！我们先在factory-compiler模块下创建一个FactoryProcessor类继承AbstractProcessor ，并重写相应的方法，代码如下：
@AutoService(Processor.class)
public class FactoryProcessor extends AbstractProcessor {
@Override
public synchronized void init(ProcessingEnvironment processingEnvironment) {
super.init(processingEnvironment);
}
@Override
public Set getSupportedAnnotationTypes() {
return super.getSupportedAnnotationTypes();
}
@Override
public boolean process(Set set, RoundEnvironment roundEnvironment) {
return false;
}
@Override
public SourceVersion getSupportedSourceVersion() {
return super.getSupportedSourceVersion();
}
}
可以看到，在这个类上添加了@AutoService注解，它的作用是用来生成META-INF/services/javax.annotation.processing.Processor文件的，也就是我们在使用注解处理器的时候需要手动添加META-INF/services/javax.annotation.processing.Processor，而有了@AutoService后它会自动帮我们生成。AutoService是Google开发的一个库，使用时需要在factory-compiler中添加依赖，如下：
implementation 'com.google.auto.service:auto-service:1.0-rc4'
接下来我们将目光移到FactoryProcessor类内部，可以看到在这个类中重写了四个方法，我们由易到难依次来看：
(1) public SourceVersion getSupportedSourceVersion()
这个方法非常简单，只有一个返回值，用来指定当前正在使用的Java版本，通常return SourceVersion.latestSupported()即可。
(2) public Set
这个方法的返回值是一个Set集合，集合中指要处理的注解类型的名称(这里必须是完整的包名+类名，例如com.example.annotation.Factory)。由于在本例中只需要处理@Factory注解，因此Set集合中只需要添加@Factory的名称即可。
(3) public synchronized void init(ProcessingEnvironment processingEnvironment)
这个方法用于初始化处理器，方法中有一个ProcessingEnvironment类型的参数，ProcessingEnvironment是一个注解处理工具的集合。它包含了众多工具类。例如：
Filer可以用来编写新文件；
Messager可以用来打印错误信息；
Elements是一个可以处理Element的工具类。
在这里我们有必要认识一下什么是Element
在Java语言中，Element是一个接口，表示一个程序元素，它可以指代包、类、方法或者一个变量。Element已知的子接口有如下几种：
PackageElement 表示一个包程序元素。提供对有关包及其成员的信息的访问。
ExecutableElement 表示某个类或接口的方法、构造方法或初始化程序（静态或实例），包括注释类型元素。
TypeElement 表示一个类或接口程序元素。提供对有关类型及其成员的信息的访问。注意，枚举类型是一种类，而注解类型是一种接口。
VariableElement 表示一个字段、enum 常量、方法或构造方法参数、局部变量或异常参数。
接下来，我希望大家先来理解一个新的概念，即抛弃我们现有对Java类的理解，把Java类看作是一个结构化的文件。什么意思？就是把Java类看作一个类似XML或者JSON一样的东西。有了这个概念之后我们就可以很容易的理解什么是Element了。带着这个概念来看下面的代码：
package com.zhpan.mannotation.factory; // PackageElement
public class Circle { // TypeElement
private int i; // VariableElement
private Triangle triangle; // VariableElement
public Circle() {} // ExecuteableElement
public void draw( // ExecuteableElement
String s) // VariableElement
{
System.out.println(s);
}
@Override
public void draw() { // ExecuteableElement
System.out.println("Draw a circle");
}
}
现在明白了吗？不同类型Element其实就是映射了Java中不同的类元素！知晓这个概念后将对理解后边的代码有很大的帮助。
(4) public boolean process(Set set, RoundEnvironment roundEnvironment)
终于，到了FactoryProcessor类中最后一个也是最重要的一个方法了。先看这个方法的返回值，是一个boolean类型，返回值表示注解是否由当前Processor 处理。如果返回 true，则这些注解由此注解来处理，后续其它的 Processor 无需再处理它们；如果返回 false，则这些注解未在此Processor中处理并，那么后续 Processor 可以继续处理它们。
在这个方法的方法体中，我们可以校验被注解的对象是否合法、可以编写处理注解的代码，以及自动生成需要的java文件等。因此说这个方法是AbstractProcessor 中的最重要的一个方法。我们要处理的大部分逻辑都是在这个方法中完成。
了解上述四个方法之后我们便可以初步的来编写FactoryProcessor类的代码了，如下：
@AutoService(Processor.class)
public class FactoryProcessor extends AbstractProcessor {
private Types mTypeUtils;
private Messager mMessager;
private Filer mFiler;
private Elements mElementUtils;
private Map factoryClasses = new LinkedHashMap<>();
@Override
public synchronized void init(ProcessingEnvironment processingEnvironment) {
super.init(processingEnvironment);
mTypeUtils = processingEnvironment.getTypeUtils();
mMessager = processingEnvironment.getMessager();
mFiler = processingEnvironment.getFiler();
mElementUtils = processingEnvironment.getElementUtils();
}
@Override
public Set getSupportedAnnotationTypes() {
Set annotations = new LinkedHashSet<>();
annotations.add(Factory.class.getCanonicalName());
return annotations;
}
@Override
public boolean process(Set set, RoundEnvironment roundEnvironment) {
// 扫描所有被@Factory注解的元素
for (Element annotatedElement : roundEnv.getElementsAnnotatedWith(Factory.class)) {
}
return false;
}
@Override
public SourceVersion getSupportedSourceVersion() {
return SourceVersion.latestSupported();
}
}
上述FactoryProcessor 代码中在process方法中通过roundEnv.getElementsAnnotatedWith(Factory.class)方法已经拿到了被注解的元素的集合。正常情况下，这个集合中应该包含的是所有被Factory注解的Shape类的元素，也就是一个TypeElement。但在编写程序代码时可能有新来的同事不太了解@Factory的用途而误把@Factory用在接口或者抽象类上，这是不符合我们的标准的。因此，需要在process方法中判断被@Factory注解的元素是否是一个类，如果不是一个类元素，那么就抛出异常，终止编译。代码如下：
@Override
public boolean process(Set annotations, RoundEnvironment roundEnv) {
// 通过RoundEnvironment获取到所有被@Factory注解的对象
for (Element annotatedElement : roundEnv.getElementsAnnotatedWith(Factory.class)) {
if (annotatedElement.getKind() != ElementKind.CLASS) {
throw new ProcessingException(annotatedElement, "Only classes can be annotated with @%s",
Factory.class.getSimpleName());
}
TypeElement typeElement = (TypeElement) annotatedElement;
FactoryAnnotatedClass annotatedClass = new FactoryAnnotatedClass(typeElement);
...
}
return true;
}
基于面向对象的思想，我们可以将annotatedElement中包含的信息封装成一个对象，方便后续使用，因此，另外可以另外声明一个FactoryAnnotatedClass来解析并存放annotatedElement的相关信息。FactoryAnnotatedClass代码如下：
public class FactoryAnnotatedClass {
private TypeElement mAnnotatedClassElement;
private String mQualifiedSuperClassName;
private String mSimpleTypeName;
private String mId;
public FactoryAnnotatedClass(TypeElement classElement) {
this.mAnnotatedClassElement = classElement;
Factory annotation = classElement.getAnnotation(Factory.class);
mId = annotation.id();
if (mId.length() == 0) {
throw new IllegalArgumentException(
String.format("id() in @%s for class %s is null or empty! that's not allowed",
Factory.class.getSimpleName(), classElement.getQualifiedName().toString()));
}
// Get the full QualifiedTypeName
try { // 该类已经被编译
Class clazz = annotation.type();
mQualifiedSuperClassName = clazz.getCanonicalName();
mSimpleTypeName = clazz.getSimpleName();
} catch (MirroredTypeException mte) {// 该类未被编译
DeclaredType classTypeMirror = (DeclaredType) mte.getTypeMirror();
TypeElement classTypeElement = (TypeElement) classTypeMirror.asElement();
mQualifiedSuperClassName = classTypeElement.getQualifiedName().toString();
mSimpleTypeName = classTypeElement.getSimpleName().toString();
}
}
// ...省去getter
}
为了生成合乎要求的ShapeFactory类，在生成ShapeFactory代码前需要对被Factory注解的元素进行一系列的校验，只有通过校验，符合要求了才可以生成ShapeFactory代码。根据需求，我们列出如下规则：
1.只有类才能被@Factory注解。因为在ShapeFactory中我们需要实例化Shape对象，虽然@Factory注解声明了Target为ElementType.TYPE，但接口和枚举并不符合我们的要求。
2.被@Factory注解的类中需要有public的构造方法，这样才能实例化对象。
3.被注解的类必须是type指定的类的子类
4.id需要为String类型，并且需要在相同type组中唯一
5.具有相同type的注解类会被生成在同一个工厂类中
根据上面的规则，我们来一步步完成校验，如下代码：
private void checkValidClass(FactoryAnnotatedClass item) throws ProcessingException {
TypeElement classElement = item.getTypeElement();
if (!classElement.getModifiers().contains(Modifier.PUBLIC)) {
throw new ProcessingException(classElement, "The class %s is not public.",
classElement.getQualifiedName().toString());
}
// 如果是抽象方法则抛出异常终止编译
if (classElement.getModifiers().contains(Modifier.ABSTRACT)) {
throw new ProcessingException(classElement,
"The class %s is abstract. You can't annotate abstract classes with @%",
classElement.getQualifiedName().toString(), Factory.class.getSimpleName());
}
// 这个类必须是在@Factory.type()中指定的类的子类，否则抛出异常终止编译
TypeElement superClassElement = mElementUtils.getTypeElement(item.getQualifiedFactoryGroupName());
if (superClassElement.getKind() == ElementKind.INTERFACE) {
// 检查被注解类是否实现或继承了@Factory.type()所指定的类型，此处均为IShape
if (!classElement.getInterfaces().contains(superClassElement.asType())) {
throw new ProcessingException(classElement,
"The class %s annotated with @%s must implement the interface %s",
classElement.getQualifiedName().toString(), Factory.class.getSimpleName(),
item.getQualifiedFactoryGroupName());
}
} else {
TypeElement currentClass = classElement;
while (true) {
TypeMirror superClassType = currentClass.getSuperclass();
if (superClassType.getKind() == TypeKind.NONE) {
// 向上遍历父类，直到Object也没获取到所需父类，终止编译抛出异常
throw new ProcessingException(classElement,
"The class %s annotated with @%s must inherit from %s",
classElement.getQualifiedName().toString(), Factory.class.getSimpleName(),
item.getQualifiedFactoryGroupName());
}
if (superClassType.toString().equals(item.getQualifiedFactoryGroupName())) {
// 校验通过，终止遍历
break;
}
currentClass = (TypeElement) mTypeUtils.asElement(superClassType);
}
}
// 检查是否由public的无参构造方法
for (Element enclosed : classElement.getEnclosedElements()) {
if (enclosed.getKind() == ElementKind.CONSTRUCTOR) {
ExecutableElement constructorElement = (ExecutableElement) enclosed;
if (constructorElement.getParameters().size() == 0 &&
constructorElement.getModifiers().contains(Modifier.PUBLIC)) {
// 存在public的无参构造方法，检查结束
return;
}
}
}
// 为检测到public的无参构造方法，抛出异常，终止编译
throw new ProcessingException(classElement,
"The class %s must provide an public empty default constructor",
classElement.getQualifiedName().toString());
}
如果通过上述校验，那么说明被@Factory注解的类是符合我们的要求的，接下来就可以处理注解信息来生成所需代码了。但是本着面向对象的思想，我们还需声明FactoryGroupedClasses来存放FactoryAnnotatedClass，并且在这个类中完成了ShapeFactory类的代码生成。FactoryGroupedClasses 代码如下：
public class FactoryGroupedClasses {
private static final String SUFFIX = "Factory";
private String qualifiedClassName;
private Map itemsMap = new LinkedHashMap<>();
public FactoryGroupedClasses(String qualifiedClassName) {
this.qualifiedClassName = qualifiedClassName;
}
public void add(FactoryAnnotatedClass toInsert) {
FactoryAnnotatedClass factoryAnnotatedClass = itemsMap.get(toInsert.getId());
if (factoryAnnotatedClass != null) {
throw new IdAlreadyUsedException(factoryAnnotatedClass);
}
itemsMap.put(toInsert.getId(), toInsert);
}
public void generateCode(Elements elementUtils, Filer filer) throws IOException {
// Generate java file
...
}
}
接下来将所有的FactoryGroupedClasses都添加到集合中去
private Map factoryClasses = new LinkedHashMap<>();
// ...
FactoryGroupedClasses factoryClass = factoryClasses.get(annotatedClass.getQualifiedFactoryGroupName());
if (factoryClass == null) {
String qualifiedGroupName = annotatedClass.getQualifiedFactoryGroupName();
factoryClass = new FactoryGroupedClasses(qualifiedGroupName);
factoryClasses.put(qualifiedGroupName, factoryClass);
}
factoryClass.add(annotatedClass);
// ...
OK!到目前为止，所有的准备工作都已经完成了。接下来就是根据注解信息来生成ShapeFactory类了，有没有很兴奋？遍历factoryClasses集合,并调用FactoryGroupedClasses类的generateCode()方法来生成代码了：
for (FactoryGroupedClasses factoryClass : factoryClasses.values()) {
factoryClass.generateCode(mElementUtils, mFiler);
}
可是，当我们去掉用generateCode(mElementUtils, mFiler)方法的时候…纳尼？还是一个空方法，我们还没由实现呢！笑哭?..
四、认识JavaPoet并用其生成ShapeFactory类
到此为止，我们唯一剩余的需求就是生成ShapeFactory类了。上一节中我们在FactoryProcessor类的init(ProcessingEnvironment processingEnvironment)方法中通过processingEnvironment拿到了Filer，并且我们也提到通过Filer可以用来编写文件，即可以通过Filer来生成我们所需要的ShapeFactory类。但是，直接使用Filer需要我们手动拼接类的代码，很可能一不小心写错了一个字母就致使所生成的类是无效的。因此，我们需要来认识一下JavaPoet这个库。 JavaPoet是square公司的一个开源框架JavaPoet，由Jake Wharton大神所编写。JavaPoet可以用对象的方式来帮助我们生成类代码，也就是我们能只要把要生成的类文件包装成一个对象，JavaPoet便可以自动帮我们生成类文件了。关于这个库的使用就不详细在这里讲解了，有需要了解的可以到github查看，使用起来很简单。
好了，步入正题，使用JavaPoet构建并自动生成ShapeFactory类的代码如下：
public void generateCode(Elements elementUtils, Filer filer) throws IOException {
TypeElement superClassName = elementUtils.getTypeElement(qualifiedClassName);
String factoryClassName = superClassName.getSimpleName() + SUFFIX;
String qualifiedFactoryClassName = qualifiedClassName + SUFFIX;
PackageElement pkg = elementUtils.getPackageOf(superClassName);
String packageName = pkg.isUnnamed() ? null : pkg.getQualifiedName().toString();
MethodSpec.Builder method = MethodSpec.methodBuilder("create")
.addModifiers(Modifier.PUBLIC)
.addParameter(String.class, "id")
.returns(TypeName.get(superClassName.asType()));
method.beginControlFlow("if (id == null)")
.addStatement("throw new IllegalArgumentException($S)", "id is null!")
.endControlFlow();
for (FactoryAnnotatedClass item : itemsMap.values()) {
method.beginControlFlow("if ($S.equals(id))", item.getId())
.addStatement("return new $L()", item.getTypeElement().getQualifiedName().toString())
.endControlFlow();
}
method.addStatement("throw new IllegalArgumentException($S + id)", "Unknown id = ");
TypeSpec typeSpec = TypeSpec
.classBuilder(factoryClassName)
.addModifiers(Modifier.PUBLIC)
.addMethod(method.build())
.build();
JavaFile.builder(packageName, typeSpec).build().writeTo(filer);
}
好了，现在项目已经可以帮我们自动来生成需要的Java文件啦。接下来验证一下，Build一下项目，切换到project模式下，在app–>build–>generated–>source–>apt–>debug–>(package)–>factory下面就可以看到ShapeFactory类，如下图：
这个类并非是我们自己编写的，而是通过使用APT的一系列骚操作自动生成的。现在可以再添加一个形状类实现IShape并附加@Factory注解，再次编译后都自动会生成到ShapeFactory中！
到此为止，本篇文章就告一段落了。相信看完本篇文章一定大有所获，因为掌握了APT技术之后，再去研究使用APT的第三方框架源码，一定会游刃有余，事半功倍。
由于本篇文章结构比较复杂且代码也较多，项目的源码已经放在文章末尾，可作参考。
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参考资料
Java注解处理器
JDK文档AbstractProcessor
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