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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
2023-10-31 10:20:39基础资料围观250次
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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