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为了简写这行代码,我竟使用静态和动态编译技术
来源:cnblogs  作者:jtea  时间:2023/11/1 9:02:33  对本文有异议

背景

在我们系统中有这么一个需求,业务方会通过mq将一些用户信息传给我们,我们的服务处理完后,再将信息转发给子系统。mq的内容如下:

@Data
public class Person {
    
    //第一部分
    private Integer countryId;    
    private Integer companyId;
    private String uid;

    //第二部分
    private User userBaseInfo;
    private List<UserContact> contactList;
    private List<UserAddress> addressList;
    private UserEducation educationInfo;
    private UserProfession professionInfo;
    private List<Order> orderList;
    private List<Bill> billList;
    private List<UserMerchant> merchantList;
    private List<UserOperate> operateList;
    private BeneficialOwner beneficialOwnerInfo;
}    

主要分为两部分,第一部分是用户id,这部分用于唯一标识一个用户,不会改变。第二部分是一些基础信息,账单、订单、联系方式、地址等等,这部分信息内容经常增加。
后面业务新增了一个逻辑,会对第二部某些信息进行剔除,最后这部分信息如果还有,才转发到子系统。所以开发同学新增这么一个很长的条件判断:

public static boolean isNull(BizData bizData) {
    return CollectionUtils.isEmpty(bizData.getBillList()) && CollectionUtils.isEmpty(bizData.getOrderList()) && CollectionUtils.isEmpty(bizData.getAddressList()) && CollectionUtils.isEmpty(bizData.getContactList()) && bizData.getEducationInfo() == null && bizData.getProfessionInfo() == null && bizData.getUserBaseInfo() == null && CollectionUtils.isEmpty(bizData.getMerchantList()) && CollectionUtils.isEmpty(bizData.getOperateList()) && bizData.getBeneficialOwnerInfo() == null;
}

在review代码的时候,发现这里是一个“坑”,是一个会变化的点,以后新增信息,很可能会漏了来改这里,在我的开发过程中,最担心的就是遇到这些会变化点又写死逻辑的,过段时间我就会忘记,如果换个人接手,那更难以发现,容易出现bug。因为这个条件判断并不会自动随着我们新增字段而自动修改,完全靠人记忆,容易遗漏。

思考

那有没有办法做到新增信息不需要修改这里吗,也就是isNull方法可以自动动态判断属性是否为空呢?
首先我们都会想到反射,通过反射可以读取class所有字段,每次处理都反射判断一下字段值是否为空即可做到动态判断。但反射的性能太低了,对于我们来说这是个调用量非常大的方法,尽量做到不损失性能,所以反射不在本次考虑范围内。

既然有不变和变化的两部分,那么我们可以先将其分离,将不变的抽取到一个基类去。为了简化代码,第二部分我们只保留两个属性。

@Data
public class PersonBase {
    
    //第一部分
    private Integer countryId;    
    private Integer companyId;
    private String uid;
}

@Data
public class Person extend PersonBase {
    
    //第二部分...
    private User userBaseInfo;
    private List<UserContact> contactList;
}

要动态生成isNull方法,可以先从结果反推是怎么样的。可以有如下两种方式:
1、在原Person类新增一个isNull方法,这种方式的特点是我们可以直接通过对象直接调用方法,如:

@Data
public class Person extend PersonBase {
        
    private User userBaseInfo;
    private List<UserContact> contactList;

    public boolean isNull() {
        return this.userBaseInfo != null && this.contactList != null;
    }
}

2、动态新增一个类,动态新增一个isNull方法,参数是BizData。这种方式无法通过Preson对象调用方法,甚至无法直接通过生成类调用方法,因为动态类的名称我们都无法预知。如:

public class Person$Generated {
    
    public boolean isNull(BizData bizData) {
        return bizData.getUserBaseInfo() != null && bizData.getContactList() != null;
    }
}

这就是我们本篇要解决的问题,通过静态/动态编译技术生成代码。这里静态是指“编译期”,也就是类和方法在编译期间就存在了,动态是指“运行时”,意思编译期间类还不存在,等程序运行时才被加载,链接,初始化。
这两种方式大家实际都经常接触到,lombok可以帮我们生成getter/setter,本质就是在编译期为类新增方法,spring无处不在的动态代理就是运行时生成的类。

动态编译

我们先来看动态编译,因为动态编译我们都比较熟,也比较简单,在spring中随处可见,例如我们熟悉的动态代理类就是动态生成的。
我们编写的java代码会先经过编译称为字节码,字节码再由jvm加载运行,所以动态生成类就是要编写相应的字节码。
但由于java字节码太复杂了,需要熟悉各种字节码指令,一般我们不会直接编写字节码代码,会借助字节码框架或工具来生成。例如查看简单的hello world类的字节码,idea -> view -> show bytecode。

public class HelloWorld {

	public static void main(String[] args) {
		System.out.println("hello world");
	}
}

ASM 介绍

ASM是一个通用的 Java 字节码操作和分析框架。它可用于直接以二进制形式修改现有类或动态生成类。ASM 提供了一些常见的字节码转换和分析算法,可以从中构建自定义的复杂转换和代码分析工具。ASM 提供与其他 Java 字节码框架类似的功能,但重点关注性能。因为它的设计和实现尽可能小且尽可能快,所以它非常适合在动态系统中使用(但当然也可以以静态方式使用,例如在编译器中)。

接下来我们用asm来生成hello world,如下:

public class HelloWorldGenerator {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建一个ClassWriter,用于生成字节码
        ClassWriter cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS | ClassWriter.COMPUTE_FRAMES);
        
        // 定义类的头部信息
        cw.visit(Opcodes.V1_8, Opcodes.ACC_PUBLIC, "HelloWorld", null, "java/lang/Object", null);

        // 生成默认构造函数
        MethodVisitor constructor = cw.visitMethod(Opcodes.ACC_PUBLIC, "<init>", "()V", null, null);
        constructor.visitCode();
        constructor.visitVarInsn(Opcodes.ALOAD, 0);
        constructor.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESPECIAL, "java/lang/Object", "<init>", "()V", false);
        constructor.visitInsn(Opcodes.RETURN);
        constructor.visitMaxs(1, 1);
        constructor.visitEnd();

        // 生成main方法
        MethodVisitor mainMethod = cw.visitMethod(Opcodes.ACC_PUBLIC + Opcodes.ACC_STATIC, "main", "([Ljava/lang/String;)V", null, null);
        mainMethod.visitCode();

        // 打印"Hello, World!"到控制台
        mainMethod.visitFieldInsn(Opcodes.GETSTATIC, "java/lang/System", "out", "Ljava/io/PrintStream;");
        mainMethod.visitLdcInsn("Hello, World!");
        mainMethod.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println", "(Ljava/lang/String;)V", false);

        mainMethod.visitInsn(Opcodes.RETURN);
        mainMethod.visitMaxs(2, 2);
        mainMethod.visitEnd();

        // 完成类的生成
        cw.visitEnd();

        // 将生成的字节码写入一个类文件
        byte[] code = cw.toByteArray();
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader();
        Class<?> helloWorldClass = classLoader.defineClass("HelloWorld", code);
        
        // 创建一个实例并运行main方法
        helloWorldClass.getDeclaredMethod("main", String[].class).invoke(null, (Object) new String[0]);
    }

    // 自定义ClassLoader用于加载生成的类
    private static class MyClassLoader extends ClassLoader {
        public Class<?> defineClass(String name, byte[] b) {
            return defineClass(name, b, 0, b.length);
        }
    }
}

上面的代码我是用chatgpt生成的,只需要输入:“帮我用java asm字节码框架生成一个hello world,并注释每行代码写明它的作用。”
相比直接编写字节码指令,asm将其封装成各种类和方法,方便我们理解和编写,实际上asm还是比较底层的框架,所以许多框架会再它的基础上继续封装,如cglib,byte buddy等。
可以看到生成的结果和我们自己编写的是一样的。

实现

接下来我们就用asm来动态生成上面的isNull方法,由于目标类是动态生成的,类名我们都不知道,但我们最终是要调用它的isNull方法,这怎么办呢?
我们可以定义一个接口,然后动态生成的类实现它,最终通过接口来调用它,这就是接口的好处之一,我们可以不关注具体类是谁,内部怎么实现。

如定义接口如下:

public interface NullChecker<T> {

	/**
	 * 参数固定为origin
	 *
	 * @param origin 名称必须为origin
	 */
	Boolean isNull(T origin);
}

这是个泛型接口,也就是所有类型都可以这么用。isNull方法参数名称必须为origin,因为在生成字节码时写死了这个名称。
接下来编写核心的生成方法,如下:

public class ClassByteGenerator implements Opcodes {

	public static byte[] generate(Class originClass) {

		ClassWriter classWriter = new ClassWriter(0);
		MethodVisitor methodVisitor;

		//将.路径替换为/
		String originClassPath = originClass.getPackage().getName().replace(".", "/") + "/" + originClass.getSimpleName();
		//动态生成类的名称:原类$ASMGenerated
		String generateClassName = originClass.getSimpleName() + "$ASMGenerated";
		String generateClassPatch = ClassByteGenerator.class.getPackage().getName().replace(".", "/") + "/" + generateClassName;
		String nullCheckerClassPath = NullChecker.class.getPackage().getName().replace(".", "/") + "/" + NullChecker.class.getSimpleName();
		classWriter.visit(V1_8, ACC_PUBLIC | ACC_SUPER, generateClassPatch, null, "java/lang/Object", new String[]{nullCheckerClassPath});

		classWriter.visitSource(generateClassName + ".java", null);

		{
			methodVisitor = classWriter.visitMethod(ACC_PUBLIC, "<init>", "()V", null, null);
			methodVisitor.visitCode();
			Label label0 = new Label();
			methodVisitor.visitLabel(label0);
			methodVisitor.visitLineNumber(7, label0);
			methodVisitor.visitVarInsn(ALOAD, 0);
			methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESPECIAL, "java/lang/Object", "<init>", "()V", false);
			methodVisitor.visitInsn(RETURN);
			Label label1 = new Label();
			methodVisitor.visitLabel(label1);
			methodVisitor.visitLocalVariable("this", "L" + generateClassPatch + ";", null, label0, label1, 0);
			methodVisitor.visitMaxs(1, 1);
			methodVisitor.visitEnd();
		}
		{
			methodVisitor = classWriter.visitMethod(ACC_PUBLIC, "isNull", "(L" + originClassPath + ";)Ljava/lang/Boolean;", null, null);
			methodVisitor.visitParameter("origin", 0);
			methodVisitor.visitCode();

			Label label0 = new Label();
			methodVisitor.visitLabel(label0);
			methodVisitor.visitVarInsn(ALOAD, 1);
			Label label1 = new Label();

			int index = 0;
			//过滤掉基类的
			PropertyDescriptor[] propertyDescriptors = Arrays.stream(BeanUtils.getPropertyDescriptors(originClass))
					.filter(p -> p.getReadMethod().getDeclaringClass() == originClass)
					.toArray(PropertyDescriptor[]::new);
			for (PropertyDescriptor pd : propertyDescriptors) {
				String descriptor = "()" + Type.getDescriptor(pd.getPropertyType());
				if (index == 0) {
					methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, originClassPath, pd.getReadMethod().getName(), descriptor, false);
				} else if (index > 0 && index < propertyDescriptors.length - 1) {
					methodVisitor.visitJumpInsn(IFNULL, label1);
					methodVisitor.visitVarInsn(ALOAD, 1);
					methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, originClassPath, pd.getReadMethod().getName(), descriptor, false);
				} else {
					methodVisitor.visitJumpInsn(IFNULL, label1);
					methodVisitor.visitVarInsn(ALOAD, 1);
					methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, originClassPath, pd.getReadMethod().getName(), descriptor, false);
					methodVisitor.visitJumpInsn(IFNULL, label1);
					methodVisitor.visitInsn(ICONST_1);
				}
				index++;
			}

			Label label2 = new Label();
			methodVisitor.visitJumpInsn(GOTO, label2);
			methodVisitor.visitLabel(label1);
			methodVisitor.visitFrame(Opcodes.F_SAME, 0, null, 0, null);
			methodVisitor.visitInsn(ICONST_0);
			methodVisitor.visitLabel(label2);
			methodVisitor.visitFrame(Opcodes.F_SAME1, 0, null, 1, new Object[]{Opcodes.INTEGER});
			methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "java/lang/Boolean", "valueOf", "(Z)Ljava/lang/Boolean;", false);
			methodVisitor.visitInsn(ARETURN);
			Label label3 = new Label();
			methodVisitor.visitLabel(label3);
			methodVisitor.visitLocalVariable("this", "L" + generateClassPatch + ";", null, label0, label3, 0);
			methodVisitor.visitLocalVariable("origin", "L" + originClassPath + ";", null, label0, label3, 1);
			methodVisitor.visitMaxs(1, 2);
			methodVisitor.visitEnd();
		}

		{
			methodVisitor = classWriter.visitMethod(ACC_PUBLIC | ACC_BRIDGE | ACC_SYNTHETIC, "isNull", "(Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/Boolean;", null, null);
			methodVisitor.visitParameter("origin", ACC_SYNTHETIC);
			methodVisitor.visitCode();
			Label label0 = new Label();
			methodVisitor.visitLabel(label0);
			methodVisitor.visitLineNumber(7, label0);
			methodVisitor.visitVarInsn(ALOAD, 0);
			methodVisitor.visitVarInsn(ALOAD, 1);
			methodVisitor.visitTypeInsn(CHECKCAST, originClassPath);
			methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, generateClassPatch, "isNull", "(L" + originClassPath + ";)Ljava/lang/Boolean;", false);
			methodVisitor.visitInsn(ARETURN);
			Label label1 = new Label();
			methodVisitor.visitLabel(label1);
			methodVisitor.visitLocalVariable("this", "L" + generateClassPatch + ";", null, label0, label1, 0);
			methodVisitor.visitMaxs(2, 2);
			methodVisitor.visitEnd();
		}
		classWriter.visitEnd();

		return classWriter.toByteArray();
	}
}

代码有点长,可能你会想还是用chatgpt生成,但这种逻辑性比较强的它就无能为力了。不过我们还有工具可以生成它,我使用的是ASM Bytecode Viewer,idea中安装插件即可。
首先将要实现的结果用代码写出来,然后右键使用ASM Bytecode Viewer,就可以看到对应的asm代码。当然实际我们是要遍历类的所有字段,就是for循环遍历属性的那一部分,这需要自己写,也不难,在插件生成代码后稍微调整下即可。

public class MyPersonGenerated implements NullChecker<Person> {

	@Override
	public Boolean isNull(Person person) {
		return person.getUserBaseInfo() != null && person.getContactList() != null;
	}
}

八股文背多了就知道类生命周期是:加载 -> 链接(验证,准备,解析) -> 初始化 -> 使用 -> 卸载。所以首先要使用ClassLoader将动态类加载到jvm,我们可以定义一个类继承抽象类ClassLoader,调用它的defineClass。

public class MyClassLoader extends ClassLoader {

	public Class<?> defineClass(byte[] b) {
		return super.defineClass(null, b, 0, b.length);
	}
}

使用如下,当然实际情况中我们会将生成的NullChecker赋值给一个全局变量缓存,不用每次都newInstance创建。

MyClassLoader myClassLoader = new MyClassLoader();
byte[] bytes = ClassByteGenerator.generate(Person.class);
Class<?> personNullCheckerCls = myClassLoader.defineClass(bytes);
NullChecker personNullChecker = (NullChecker) personNullCheckerCls.newInstance();
boolean result = o.isNull(person);

也可以将生成类的字节保存到文件,然后拖到idea观察结果,如下:

try (FileOutputStream fos = new FileOutputStream("./Person$ASMGenerated.class")) {
	fos.write(bytes); // 将字节数组写入.class文件
} catch (IOException e) {
	throw e;
}

静态编译

看完动态编译我们再看静态编译。java代码编译和执行的整个过程包含三个主要机制:1.java源码编译机制 2.类加载机制 3.类执行机制。其中java源码编译由3个过程组成:1.分析和输入到符号表 2.注解处理 3.语义分析和生成class文件。如下:

在介绍mapstruct这篇时我们也有提到,其中主要就是在源码编译的注解处理阶段,可以插入我们的自定义代码。

例如我们新建工程,定义如下注解,它标识的类就会对应生成一个含isNull方法的类。其中RetentionPolicy.SOURCE表示在源码阶段生效,在运行时是读不到这个注解的,lombok的注解也是这个道理。

@Retention(RetentionPolicy.SOURCE)
@Target(ElementType.TYPE)
public @interface GenerateIsNullMethod {
	String value() default "";
}

接着编写注解处理器,在发现GenerateIsNullMethod注解时,进入处理逻辑。

@SupportedAnnotationTypes("com.example.mapstruct.processor.GenerateIsNullMethod")
@SupportedSourceVersion(SourceVersion.RELEASE_8)
@AutoService(Processor.class)
public class IsNullAnnotationProcessor extends AbstractProcessor {

	private ProcessingEnvironment processingEnv;

	@Override
	public synchronized void init(ProcessingEnvironment processingEnv) {
		super.init(processingEnv);
		this.processingEnv = processingEnv;
	}

	@Override
	public boolean process(Set<? extends TypeElement> annotations, RoundEnvironment roundEnv) {
		processingEnv.getMessager().printMessage(Diagnostic.Kind.WARNING, "GenerateIsNullMethod start===");
		Set<? extends Element> set = roundEnv.getElementsAnnotatedWith(GenerateIsNullMethod.class);
		for (Element classElement : set) {
			generateIsNullMethod(classElement);
		}
		return true;
	}

	private void generateIsNullMethod(Element classElement) {
		//javapoet只能创建新的文件,不能修改https://github.com/square/javapoet/issues/505
		String packageName = processingEnv.getElementUtils().getPackageOf(classElement).toString();
		String className = classElement.getSimpleName().toString();
		String newClassName = className + "Ext";

		MethodSpec.Builder p = MethodSpec.methodBuilder("isNull")
				.addModifiers(Modifier.PUBLIC)
				.addModifiers(Modifier.STATIC)
				.addParameter(ClassName.bestGuess(packageName + "." + className), "p")
				.returns(Boolean.class);
		String statement = "return ";
		for (Element ee : classElement.getEnclosedElements()) {
			if (ee.getKind().isField()) {
				String eeName = ee.getSimpleName().toString();
				statement += "p.get" + eeName.substring(0, 1).toUpperCase() + eeName.substring(1, ee.getSimpleName().length()) + "()" + " != null && ";
			}
		}
		statement = statement.substring(0, statement.length() - 4);
		processingEnv.getMessager().printMessage(Diagnostic.Kind.WARNING, statement + "===");
		MethodSpec isNullMethod = p.addStatement(statement).build();

		TypeSpec updatedClass = TypeSpec.classBuilder(newClassName)
				.addModifiers(Modifier.PUBLIC)
				.addMethod(isNullMethod)
				.build();

		JavaFile javaFile = JavaFile.builder(packageName, updatedClass)
				.build();
		try {
			javaFile.writeTo(processingEnv.getFiler());
		} catch (IOException e) {
			processingEnv.getMessager().printMessage(Diagnostic.Kind.ERROR, "Failed to generate isNull method: " + e.getMessage());
		}
	}
}

@AutoService是google一个工具包,帮我们在META-INF/services路径下生成配置,注解处理器才会生效。
这里生成代码使用到了javapoet工具,用于生成.java源文件。
其它的就都是在生成代码了,需要注意的是,既然是在编译期,那就不要想用运行时的东西,例如反射,都还没到那个阶段。
导入这个工程使用GenerateIsNullMethod标记Person类,编译后就可以观察到生成一个PersonExt的类,它的isNull方法会判断Person参数每个属性是否为空。
这里我并没有像lombok一样在原类上新增方法,而是新增一个Ext类,因为那样做要解析语法树,比较复杂,我没有实现,有兴趣的可以参考lombok自己实现一下。

总结

本篇介绍了如何使用静态/动态编译生成代码,这种方式在许多框架、工具都非常常见,只是我们平时比较少接触到。
通过学习我们可以更好了解平时使用的技术的原理,知其然知其所以然,以后遇到类似的场景也能想到用这类解决方案来实现。

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