java注解處理器學習在編譯期修改語法樹教程
從需求說起
由于相關政策，最近公司安全部要求各系統(tǒng)在rpc接口調(diào)用的交互過程中把相應的參數(shù)及結果以相應的格式發(fā)送到安全部統(tǒng)一記錄，例如參數(shù)或結果含手機號和郵箱則格式如：“mail:axxx@126.com,phone:183xxxx1967”，其它系統(tǒng)信息等先忽略。
以便在數(shù)據(jù)泄露時可據(jù)此分析出數(shù)據(jù)的泄露源頭，以及若有黑客攻克有些接口時公司能有跡可循。
總體架構是各個接口把入?yún)⒑徒Y果打印日志，然后由統(tǒng)一的日志收集器收集日志通過mq發(fā)送到安全部。這樣每個系統(tǒng)只用在接口中添加參數(shù)和結果的打日志代碼。
添加打印日志代碼的方案
第一種方案，硬編碼
即直接在接口中編寫打印日志的代碼。這種工作量太大，公司各個部門，以往積累了眾多的項目，這樣改造的工作量太大。
第二種方案，AOP
利用aop框架，在切面類中打印日志?？梢允褂胹pring 支持的aop功能或其他aop框架。
這個方案應該來說改動及工作量都大大降低，公司也是采用的這種方案。但是其弊端也很明顯，
一、是對框架的依賴（如用spring aop的話則非spring項目則不適用）
二、就是不同的項目或接口，入?yún)⒒蚪Y果變量名不同，如手機號：有的叫mobilePhone, 有的叫telephone等；但打印日志時要統(tǒng)一打印，如：phone:183xxxx1967; 所以要在參數(shù)上加注解，以表明打印日志時的名稱。這個重復工作量也不小。
第三種方案，修改class文件
針對第二種方案的弊端，我設計出這第三種方案。
利用相關技術，直接修改class文件，在接口中添加打印日志的字節(jié)碼。例如Javassist，asm等技術。
通過調(diào)研，在編譯期通過修改語法樹來達到修改class文件的效果，這種對用戶來說完全透明，不依賴任何框架。針對弊端二則發(fā)明名稱分析模塊，讓程序自動分析出參數(shù)的含義，從而避免了手工添加注解的麻煩。
下面就具體說明第三種方案的實現(xiàn)：
利用JDK的注解處理器，可在編譯期間對注解處理，可以讀取、修改、添加抽象語法樹中的任意元素。
注解處理器是JDK1.6開始提供的功能，利用注解處理器可以干涉編譯器的行為，只要有足夠的創(chuàng)意，可以利用注解處理器實現(xiàn)許多原本只能在編碼中完成的事情。
注解處理器的用法：
1、實現(xiàn)AbstractProcessor
實現(xiàn)init和process方法
顧名思義，init是完成一些初始化工作；process完成具體的邏輯處理。后邊會有具體的例子說明。
2、添加注解
@SupportedAnnotationTypes 指定此注解處理器支持的注解，可用*指定所有注解
@SupportedSourceVersion 指定支持的java的版本
注解實例：
在process方法中可獲取到注解有@Safety的類和方法。
Set<? extends Element> set = roundEnv.getElementsAnnotatedWith(Safety.class);
然后可遍歷方法，獲取到方法的入?yún)?，分析入?yún)?，給方法的語法樹添加打印參數(shù)日志的代碼。對于方法的結果是同樣的道理。
關于對語法樹的操作，網(wǎng)上資料相對較少及較為片段，介紹起來篇幅略長，故放在最后面進行介紹。
名稱分析模塊的思想及設計
剩下的一個關鍵問題是如何把不同的參數(shù)名統(tǒng)一成打印日志時的名稱，例如參數(shù)名為mobilePhone或telephone，但要打印的是phone。如果在注解屬性中指定的話，通過注解可以獲取到，但是當接口或參數(shù)很多的情況下也是一件重復性的力氣活。
故我設計出一種不讓開發(fā)人員手動指定名稱的方案，既對老的項目修改的少，又減輕開發(fā)人員的工作量，對新項目的應用也是高效率的。
如圖：
詞庫存儲（可用類的靜態(tài)字段存儲）需要打印的日志名稱及其對應的詞根及單詞。如：
上圖紅框為打印日志時要打印的名稱。綠框中為詞根及單詞：如若業(yè)務參數(shù)有用postbox作為郵箱變量名的則也可把postbox加入到mail的詞庫中。
這樣當業(yè)務參數(shù)為mobilePhone或telephone時，名稱分析模塊能夠分析出參數(shù)名包含phone詞根，從而得到對應的打印日志名“phone”；這就要求業(yè)務參數(shù)的名義要有具體的含義，不能隨便字母組合沒有含義的詞語，這應該也是每個公司開發(fā)時的基本要求。
這里只是舉例一個簡單的可行性方案，名稱分析模塊也可利用AI技術，根據(jù)輸入的變量名利用智能技術分析出此變量名的含義。
語法樹的操作：
下面對語法樹的操作進行詳細的說明，這里需要提到三個類：
JavacTrees 提供了待處理的抽象語法樹TreeMaker 封裝了創(chuàng)建AST節(jié)點的一些方法Names 提供了創(chuàng)建標識符的方法
可在init方法中對這三個類初始化，以便在process方法中利用它們對語法樹進行操作。如圖：
AST(抽象語法樹)是一種用來描述程序代碼語法結構的樹形表示方式，語法樹的每一個節(jié)點都代表著程序代碼中的一個語法結構，例如包、類型、修飾符、運算符、接口、返回值，甚至代碼注釋等都可以是一個語法結構。
JCTree的介紹
JCTree是語法樹元素的基類。
如上圖，它包含兩個屬性，
字段type表示語法結構的類型
字段pos用于指明當前語法樹節(jié)點（JCTree）在語法樹中的位置，因此我們不能直接用new關鍵字來創(chuàng)建語法樹節(jié)點，即使創(chuàng)建了也沒有意義，而要用TreeMaker來進行操作。
重點介紹幾個JCTree的子類：
JCStatement：聲明語法樹節(jié)點，常見的子類如下 JCBlock：語句塊JCReturn：return語句JCClassDecl：類定義JCVariableDecl：字段/變量定義JCIf： if語句
2.JCMethodDecl：方法定義語法樹節(jié)點
3.JCModifiers：訪問標志語法樹節(jié)點
4.JCExpression：表達式語法樹節(jié)點，常見的子類如下
JCAssign：賦值語句JCAssignOp：+=JCIdent：標識符，可以是變量，類型，關鍵字等等JCLiteral: 字面量表達式，如123， “string”等JCBinary：二元操作符
JCTree的子類很多，大部分可以從字面上看出其意義
如上圖，在jdk1.8.0_65里JCTree有58個子類。
下面具體介紹對語法樹的操作。
TreeMaker
TreeMaker創(chuàng)建語法樹節(jié)點的所有方法，創(chuàng)建時會為創(chuàng)建出來的JCTree設置pos字段，所以必須用上下文相關的TreeMaker對象來創(chuàng)建語法樹節(jié)點，而不能直接new語法樹節(jié)點。
TreeMaker.Modifiers
該方法用于創(chuàng)建訪問標志語法樹節(jié)點(JCModifiers)，源碼如下：
public JCModifiers Modifiers(long flags, List<JCAnnotation> annotations) {
JCModifiers tree = new JCModifiers(flags, annotations);
boolean noFlags = (flags & Flags.StandardFlags) == 0;
tree.pos = (noFlags && annotations.isEmpty()) ? Position.NOPOS : pos;
return tree;
}
public JCModifiers Modifiers(long flags) {
return Modifiers(flags, List.<JCAnnotation>nil());
}參數(shù)解釋：
flags：訪問標志
annotations：注解列表
其中flags可以用枚舉類型com.sun.tools.javac.code.Flags，且支持相加（Flags的值按二進制設計），如圖：
用法示例：treeMaker.Modifiers(Flags.PUBLIC + Flags.STATIC + Flags.FINAL);
TreeMaker.ClassDef
該方法用于創(chuàng)建類定義語法樹節(jié)點（JCClassDef），源碼如下：
public JCClassDecl ClassDef(JCModifiers mods,
Name name,
List<JCTypeParameter> typarams,
JCTree extending,
List<JCExpression> implementing,
List<JCTree> defs)
{
JCClassDecl tree = new JCClassDecl(mods,
name,
typarams,
extending,
implementing,
defs,
null);
tree.pos = pos;
return tree;
}參數(shù)解釋：
mods：訪問標志
name：方法名
restype：返回類型
typarams：泛型參數(shù)列表
params：參數(shù)列表
thrown：異常聲明列表
body：方法體
defaultValue：默認方法（可能是interface中的那個default）
m：方法符號
mtype：方法類型。包含多種類型，泛型參數(shù)類型、方法參數(shù)類型，異常參數(shù)類型、返回參數(shù)類型
TreeMaker.MethodDef
用于創(chuàng)建方法定義語法樹節(jié)點（JCMethodDecl），源碼如下：
public JCMethodDecl MethodDef(JCModifiers mods,
Name name,
JCExpression restype,
List<JCTypeParameter> typarams,
List<JCVariableDecl> params,
List<JCExpression> thrown,
JCBlock body,
JCExpression defaultValue)
{
JCMethodDecl tree = new JCMethodDecl(mods,
name,
restype,
typarams,
params,
thrown,
body,
defaultValue,
null);
tree.pos = pos;
return tree;
}參數(shù)解釋：
mods：訪問標志
name：方法名
restype：返回類型
typarams：泛型參數(shù)列表
params：參數(shù)列表
thrown：異常聲明列表
body：方法體
defaultValue：默認方法（可能是interface中的那個default）
m：方法符號
mtype：方法類型。包含多種類型，泛型參數(shù)類型、方法參數(shù)類型，異常參數(shù)類型、返回參數(shù)類型
TreeMaker.VarDef
用于創(chuàng)建字段/變量定義語法樹節(jié)點（JCVariableDecl），源碼如下：
public JCVariableDecl VarDef(JCModifiers mods, Name name, JCExpression vartype, JCExpression init) {
JCVariableDecl tree = new JCVariableDecl(mods, name, vartype, init, null);
tree.pos = pos;
return tree;
}參數(shù)解釋：
mods：訪問標志
vartype：類型
init：初始化語句
v：變量符號
TreeMaker.Ident
用于創(chuàng)建標識符語法樹節(jié)點（JCIdent），源碼如下：
public JCIdent Ident(Name name) {
JCIdent tree = new JCIdent(name, null);
tree.pos = pos;
return tree;
}
public JCIdent Ident(Symbol sym) {
return (JCIdent)new JCIdent((sym.name != names.empty)
? sym.name
: sym.flatName(), sym)
.setPos(pos)
.setType(sym.type);
}
public JCExpression Ident(JCVariableDecl param) {
return Ident(param.sym);
}TreeMaker.Return
用于創(chuàng)建return語句語法樹節(jié)點（JCReturn）
TreeMaker.NewClass
用于創(chuàng)建new語句語法樹節(jié)點（JCNewClass），源碼如下：
public JCNewClass NewClass(JCExpression encl,
List<JCExpression> typeargs,
JCExpression clazz,
List<JCExpression> args,
JCClassDecl def)
{
JCNewClass tree = new JCNewClass(encl, typeargs, clazz, args, def);
tree.pos = pos;
return tree;
}參數(shù)解釋：
encl：不太明白此參數(shù)含義
typeargs：參數(shù)類型列表
clazz：待創(chuàng)建對象的類型
args：參數(shù)列表
def：類定義
TreeMaker.Select
用于創(chuàng)建域訪問/方法訪問（當是方法訪問時，常和方法的調(diào)用TreeMaker.Apply一起使用語法樹節(jié)點（JCFieldAccess）
public JCFieldAccess Select(JCExpression selected,
Name selector)
{
JCFieldAccess tree = new JCFieldAccess(selected, selector, null);
tree.pos = pos;
return tree;
}
public JCExpression Select(JCExpression base,
Symbol sym) {
return new JCFieldAccess(base, sym.name, sym).setPos(pos).setType(sym.type);
}參數(shù)解釋：
selected：.運算符左邊的表達式
selector：.運算符右邊的名字
TreeMaker.Apply
用于創(chuàng)建方法調(diào)用語法樹節(jié)點（JCMethodInvocation），源碼如下：
public JCMethodInvocation Apply(List<JCExpression> typeargs,
JCExpression fn,
List<JCExpression> args)
{
JCMethodInvocation tree = new JCMethodInvocation(typeargs, fn, args);
tree.pos = pos;
return tree;
}參數(shù)解釋：
typeargs：參數(shù)類型列表
fn：調(diào)用語句
args：參數(shù)列表
TreeMaker.Assign
用于創(chuàng)建賦值語句語法樹節(jié)點（JCAssign），源碼如下：
public JCAssign Assign(JCExpression lhs, JCExpression rhs) {
JCAssign tree = new JCAssign(lhs, rhs);
tree.pos = pos;
return tree;
}參數(shù)解釋：
lhs：賦值語句左邊表達式
rhs：賦值語句右邊表達式
TreeMaker.Exec
用于創(chuàng)建可執(zhí)行語句語法樹節(jié)點（JCExpressionStatement），源碼如下：
public JCExpressionStatement Exec(JCExpression expr) {
JCExpressionStatement tree = new JCExpressionStatement(expr);
tree.pos = pos;
return tree;
}TreeMaker.Block
用于創(chuàng)建組合語句語法樹節(jié)點（JCBlock），源碼如下：
public JCBlock Block(long flags, List<JCStatement> stats) {
JCBlock tree = new JCBlock(flags, stats);
tree.pos = pos;
return tree;
}參數(shù)解釋：
flags：訪問標志
stats：語句列表
用法實例：
下面來介紹一下實例來加深對API用法的理解：
1、根據(jù)字符串獲取Name，（利用Names的fromString靜態(tài)方法）
private Name getNameFromString(String s) { return names.fromString(s); }
2、創(chuàng)建變量語句
private JCTree.JCVariableDecl makeVarDef(JCTree.JCModifiers modifiers, String name, JCTree.JCExpression vartype, JCTree.JCExpression init) {
return treeMaker.VarDef(
modifiers,
getNameFromString(name), //名字
vartype, //類型
init //初始化語句
);
}3、創(chuàng)建 域/方法 的多級訪問, 方法的標識只能是最后一個
例如： java.lang.System.out.println
private JCTree.JCExpression memberAccess(String components) {
String[] componentArray = components.split("\\.");
JCTree.JCExpression expr = treeMaker.Ident(getNameFromString(componentArray[0]));
for (int i = 1; i < componentArray.length; i++) {
expr = treeMaker.Select(expr, getNameFromString(componentArray[i]));
}
return expr;
}4、聲明變量并賦值（利用以上包裝的方法）
JCTree.JCVariableDecl var = makeVarDef(treeMaker.Modifiers(0), "xiao", memberAccess("java.lang.String"), treeMaker.Literal("methodName"));生成語句為：String xiao = "methodName";
5、給變量賦值
private JCTree.JCExpressionStatement makeAssignment(JCTree.JCExpression lhs, JCTree.JCExpression rhs) {
return treeMaker.Exec(
treeMaker.Assign(
lhs,
rhs
)
);
}
makeAssignment(treeMaker.Ident(getNameFromString("xiao")), treeMaker.Literal("assignment test"));生成的賦值語句為：xiao = "assignment test";
6、兩個字符串字面量相加并賦值
treeMaker.Exec(
treeMaker.Assign(treeMaker.Ident(getNameFromString("xiao")),
treeMaker.Binary(
JCTree.Tag.PLUS,
treeMaker.Literal("-Binary operator one"),
treeMaker.Literal("-Binary operator two")
))
);生成語句為：xiao = "-Binary operator one" + "-Binary operator two";
編譯器會對此語句進行優(yōu)化，因為兩個字面量在編譯器即能確定，所以編譯器會把此語句優(yōu)化為：“xiao = "-Binary operator one-Binary operator two";”
7、+=語句
treeMaker.Exec(
treeMaker.Assignop(
JCTree.Tag.PLUS_ASG,
treeMaker.Ident(getNameFromString("xiao")),
treeMaker.Literal("-Assignop test")
)
);生成語句為：xiao += "-Assignop test";
8、聲明整型變量并賦值
makeVarDef(treeMaker.Modifiers(0), "zhen", memberAccess("java.lang.Integer"), treeMaker.Literal(1));生成語句為：Integer zhen = 1;
9、++語句
treeMaker.Exec(
treeMaker.Unary(
JCTree.Tag.PREINC,
treeMaker.Ident(getNameFromString("zhen"))
)
);生成語句：zhen++;
10、加法語句
treeMaker.Exec(
treeMaker.Unary(
JCTree.Tag.PREINC,
treeMaker.Ident(getNameFromString("zhen"))
)
);生成語句：zhen = zhen + 10;
11、方法調(diào)用（以輸出語句舉例）
treeMaker.Exec(
treeMaker.Assign(
treeMaker.Ident(getNameFromString("zhen")),
treeMaker.Binary(
JCTree.Tag.PLUS,
treeMaker.Ident(getNameFromString("zhen")),
treeMaker.Literal(10)
))
);生成語句：System.out.println(xiao);
12、方法調(diào)用，輸出字符串
JCTree.JCExpressionStatement printVar = treeMaker.Exec(treeMaker.Apply(
List.of(memberAccess("java.lang.String")),//參數(shù)類型
memberAccess("java.lang.System.out.println"),
List.of(treeMaker.Ident(getNameFromString("xiao")))
)
);生成語句：System.out.println("xiao test zhen");
13、if語句
treeMaker.If(
treeMaker.Binary(
JCTree.Tag.LT,
treeMaker.Ident(getNameFromString("zhen")),
treeMaker.Literal(10)
),
printVar,
printLiteral
);生成語句：
if (zhen < 10) {
System.out.println(xiao);
} else {
System.out.println("xiao test zhen");
}
14、if語句（null判斷）
treeMaker.If(
treeMaker.Parens(
treeMaker.Binary(
JCTree.Tag.NE,
treeMaker.Ident(getNameFromString("xiao")),
treeMaker.Literal(TypeTag.BOT, null))
),
printVar,
printLiteral
)生成語句：
if (xiao != null) {
System.out.println(xiao);
} else {
System.out.println("xiao test zhen");
}
以上列出了一下常用的語句的語法樹操作方法，希望對理解操作語法樹有幫助。筆者也正在研究中，對編譯原理了解的話，學起來也就容易多了。
推薦幾本書，看完的話定定會受益匪淺：《編譯原理（高清龍書中文版）》、《兩周自制腳本語言》、《現(xiàn)代編譯器的Java實現(xiàn)(第二版)》。
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