Java注解详解-技术圈

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作者 | 低吟不作语

来源 | urlify.cn/I7FJvm

1、基本语法

注解是 Java 5 所引入的众多语言变化之一，是附加在代码中的一些元信息，用于一些工具在编译、运行时进行解析和使用，起到说明、配置的功能。注解不会也不能影响代码的实际逻辑，仅仅起到辅助性的作用，包含在 java.lang.annotation 包中

注解的语法十分简单，只要在现有语法中添加 @ 符号即可，java.lang 包提供了如下五种注解：

@Override
表示当前的方法定义将覆盖基类的方法，如果你不小心把方法签名拼错了，编译器就会发出错误提示
@Deprecated
如果使用该注解的元素被调用，编译器就会发出警告信息，表示不鼓励程序员使用
@SuppressWarnings
关闭不当的编译器警告信息
@SafeVarargs
禁止对具有泛型可变参数的方法或构造函数的调用方发出警告
@FunctionalInterface
声明接口类型为函数式接口

2、定义注解

注解的定义看起来和接口的定义很像，事实上它们和其他 Java 接口一样，也会被编译成 class 文件

@Target(ElementType.METHOD)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface TestAnnotation {}

除开 @ 符号， @Test 的定义看起来更像一个空接口。注解的定义也需要一些元注解，元注解用于注解其他的注解

注解	解释
@Target	表示注解可以用于哪些地方。可能的 ElementType 参数包括： CONSTRUCTOR：构造器的声明 FIELD：字段声明（包括 enum 实例） LOCAL_VARIABLE：局部变量声明 METHOD：方法声明 PACKAGE：包声明 PARAMETER：参数声明 TYPE：类、接口（包括注解类型）或者 enum 声明
@Retention	表示注解信息保存的时长。可选的 RetentionPolicy 参数包括： SOURCE：注解将被编译器丢弃 CLASS：注解在 class 文件中可用，但是会被 VM 丢弃 RUNTIME：VM 将在运行期也保留注解，因此可以通过反射机制读取注解的信息
@Documented	将此注解保存在 Javadoc 中
@Inherited	允许子类继承父类的注解
@Repeatable	允许一个注解可以被使用一次或者多次（Java8）

不包含任何元素的注解称为标记注解，上例中的 @Test 就是标记注解。注解通常也会包含一些表示特定值的元素，当分析处理注解的时候，程序可以利用这些值。注解的元素看起来就像接口的方法，但可以为其指定默认值

@Target(ElementType.METHOD)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface TestAnnotation {
    int id();
    String description() default "no description";
}

....

public class TestUtils {
    // 在方法上使用注解 @TestAnnotation
    @UseCase(id = 47, description = "description")
    public void test() {
        ...
    }
}

注解元素可用的类型如下所示，如果使用了其他类型，编译器就会报错：

所有基本类型（int、float、boolean 等）
String
Class
enum
Annotation
以上类型的数组

如果没有给出 description 的值，在分析处理这个类的时候会使用该元素的默认值。元素的默认值不能有不确定的值，也就是说，元素要么有默认值，要么就在使用注解时提供元素的值

这里还有另外一个限制：任何非基本类型的元素，无论是在源代码声明时还是在注解接口中定义默认值时，都不能使用 null 作为值。如果我们希望表现一个元素的存在或者缺失的状态，可以自定义一些特殊的值，比如空字符串或者负数用于表达某个元素不存在

注解不支持继承，你不能使用 extends 关键字来继承 @interface

3、注解处理器

如果没有用于读取注解的工具，那么注解不会比注释更有用。使用注解中一个很重要的作用就是创建与使用注解处理器。Java 拓展了反射机制的 API 用于帮助你创造这类工具。同时他还提供了 javac 编译器钩子在编译时使用注解

下面是一个非常简单的注解处理器，我们用它来读取被注解的 TestUtils 类，并且使用反射机制来寻找 @TestAnnotation 标记

public class TestAnnotationTracker {
    
    public static void trackTestAnnotation(Class cl) {
        for(Method m : cl.getDeclaredMethods()) {
            TestAnnotation ta = m.getAnnotation(TestAnnotation.class);
            if(ta != null) {
                System.out.println(ta.id() + "\n " + ta.description());
            }
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        trackTestAnnotation(TestUtils.class);
    }
}

这里用到了两个反射的方法：getDeclaredMethods() 和 getAnnotation()，getAnnotation() 方法返回指定类型的注解对象，在本例中就是 TestAnnotation，如果被注解的方法上没有该类型的注解，返回值就为 null。通过调用 id() 和 description() 方法来提取元素值

4、使用注解实现对象 - 数据库映射

当有些框架需要一些额外的信息才能与你的源代码协同工作，这种情况下注解就会变得十分有用。自定义例如对象/关系映射工具（Hibernate 和 MyBatis）通常都需要 XML 描述文件，而这些文件脱离于代码之外。除了定义 Java 类，程序员还必须重复的提供某些信息，而例如类名和包名等信息已经在原始类中提供过了，经常会导致代码和描述文件的同步问题

假设你现在想提供一些基本的对象/关系映射功能，能够自动生成数据库表。你可以使用 XML 描述文件来指明类的名字、每个成员以及数据库映射的相关信息。但是，通过使用注解，你可以把所有信息都保存在 JavaBean 源文件中。为此你需要一些用于定义数据库表名称、数据库列以及将 SQL 类型映射到属性的注解

首先创建一个用来映射数据库表的注解，用来修饰类、接口（包括注解类型）或者 enum 声明

@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface DBTable {
    String name() default "";
}

如下是修饰字段的注解

@Target(ElementType.FIELD)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface Constraints {
    boolean primaryKey() default false;
    boolean allowNull() default true;
    boolean unique() default false;
}

public @interface SQLString {
    int value() default 0;
    String name() default "";
    Constraints constraints() default @Constraints;
}

@Target(ElementType.FIELD)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface SQLInteger {
    String name() default "";
    Constraints constraints() default @Constraints;
}

@Constraints 代表了数据库通常提供的约束的一小部分，primaryKey()，allowNull() 和 unique() 元素都提供了默认值，大多数情况下，注解的使用者都不需要输入太多东西

另外两个 @interface 定义的是 SQL 类型。如果希望这个框架更有价值的话，我们应该为每个 SQL 类型都定义相应的注解。不过作为示例，两个元素足够了。这些 SQL 类型具有 name() 元素和 constraints() 元素。后者利用了嵌套注解的功能，将数据库列的类型约束信息嵌入其中。注意 constraints() 元素的默认值是 @Constraints，没有在括号中指明 @Constraints 元素的值，因此，constraints() 的默认值为所有元素都为默认值。如果要使得嵌入的 @Constraints 注解中的 unique() 元素为 true，并作为 constraints() 元素的默认值，你可以像如下定义：

public @interface Uniqueness {
    Constraints constraints() default @Constraints(unique = true);
}

下面是一个简单的，使用了如上注解的类

@DBTable(name = "MEMBER")
public class Member {
    @SQLString(30)
    String firstName;
    @SQLString(50)
    String lastName;
    @SQLInteger
    Integer age;
    @SQLString(value = 30, constraints = @Constraints(primaryKey = true))
    String reference;
    static int memberCount;
    public String getReference() { return reference; }
    public String getFirstName() { return firstName; }
    public String getLastName() { return lastName; }
    @Override
    public String toString() { return reference; }
    public Integer getAge() { return age; }
}

类注解 @DBTable 注解给定了元素值 MEMBER，它将会作为表的名字。类的属性 firstName 和 lastName 都被注解为 @SQLString 类型并且给了默认元素值分别为 30 和 50，并在嵌入的 @Constraint 注解中设定 primaryKey 元素的值

下面是一个注解处理器的例子，它将读取一个类文件，检查上面的数据库注解，并生成用于创建数据库的 SQL 命令：

public class TableCreator {
    
    public static void generateSql(String[] classnames) throws Exception {
        for (String className : classnames) {
            Class cl = Class.forName(className);
            DBTable dbTable = cl.getAnnotation(DBTable.class);
            String tableName = dbTable.name();
            // 如果表名为空字符串，则使用类名
            if (tableName.length() < 1) {
                tableName = cl.getName().toUpperCase();
            }
            List columnDefs = new ArrayList<>();
            for (Field field : cl.getDeclaredFields()) {
                String columnName = null;
                Annotation[] anns = field.getDeclaredAnnotations();
                // 该属性不是列
                if (anns.length < 1) {
                    continue;
                }
                // 处理整数类型
                if (anns[0] instanceof SQLInteger) {
                    SQLInteger sInt = (SQLInteger) anns[0];
                    // 如果列名为空字符串，则使用属性名
                    if (sInt.name().length() < 1) {
                        columnName = field.getName().toUpperCase();
                    } else {
                        columnName = sInt.name();
                    }
                    columnDefs.add(columnName + " INT" + getConstraints(sInt.constraints()));
                }
                // 处理字符串类型
                if (anns[0] instanceof SQLString) {
                    SQLString sString = (SQLString) anns[0];
                    if (sString.name().length() < 1) {
                        columnName = field.getName().toUpperCase();
                    } else {
                        columnName = sString.name();
                    }
                    columnDefs.add(columnName + " VARCHAR(" + sString.value() + ")" +
                            getConstraints(sString.constraints()));
                }
                // 构造并输出 sql 字符串
                StringBuilder createCommand = new StringBuilder("CREATE TABLE " + tableName + "(");
                for (String columnDef : columnDefs) {
                    createCommand.append("\n " + columnDef + ",");
                }
                String tableCreate = createCommand.substring(0, createCommand.length() - 1) + ");";
                System.out.println("Table Creation SQL for " + className + " is:\n" + tableCreate);
            }
        }
    }

    private static String getConstraints(Constraints con) {
        String constraints = "";
        if (!con.allowNull())
            constraints += " NOT NULL";
        if (con.primaryKey())
            constraints += " PRIMARY KEY";
        if (con.unique())
            constraints += " UNIQUE";
        return constraints;
    }
}

5、编译时注解处理

当 @Retention 的 RetentionPolicy 参数被标注为 SOURCE 或 CLASS，此时你无法通过反射去获取注解信息，因为注解在运行期是不存在的。使用 javac 可以创建编译时注解处理器，在编译时扫描和处理注解。你可以自定义注解，并注册到对应的注解处理器。注解处理器可以生成 Java 代码，这些生成的 Java 代码会组成新的 Java 源文件，但不能修改已经存在的 Java 类，例如向已有的类中添加方法。如果你的注解处理器创建了新的源文件，在新一轮处理中注解处理器会检查源文件本身，在检测一轮之后持续循环，直到不再有新的源文件产生，然后编译所有的源文件

我们来编写一个简单的注解处理器，如下是注解的定义

@Retention(RetentionPolicy.SOURCE)
@Target({ElementType.TYPE, ElementType.METHOD,
        ElementType.CONSTRUCTOR,
        ElementType.ANNOTATION_TYPE,
        ElementType.PACKAGE, ElementType.FIELD,
        ElementType.LOCAL_VARIABLE})
public @interface Simple {
    String value() default "-default-";
}

@Retention 的参数为 SOURCE，这意味着注解不会存留在编译后的 class 文件，因为这对应编译时处理注解是没有必要的，在这里，javac 是唯一有机会处理注解的方式

package annotations.simplest;
@Simple
public class SimpleTest {
    @Simple
    int i;
    @Simple
    public SimpleTest() {}
    @Simple
    public void foo() {
        System.out.println("SimpleTest.foo()");
    }
    @Simple
    public void bar(String s, int i, float f) {
        System.out.println("SimpleTest.bar()");
    }
    @Simple
    public static void main(String[] args) {
        @Simple
        SimpleTest st = new SimpleTest();
        st.foo();
    }
}

运行 main 方法，程序就会开始编译，如下是一个简单的处理器，作用就是把注解相关的信息打印出来

package annotations.simplest;
import javax.annotation.processing.*;
import javax.lang.model.SourceVersion;
import javax.lang.model.element.*;
import java.util.*;
@SupportedAnnotationTypes("annotations.simplest.Simple")
@SupportedSourceVersion(SourceVersion.RELEASE_8)
public class SimpleProcessor extends AbstractProcessor {
    
    @Override
    public boolean process(Set annotations,
     RoundEnvironment env) {
        for(TypeElement t : annotations) {
            System.out.println(t);
        }
        for(Element el : env.getElementsAnnotatedWith(Simple.class)) {
            display(el);
        }
        return false;
    }
    
    private void display(Element el) {
        System.out.println("==== " + el + " ====");
        System.out.println(el.getKind() + // 返回此元素的种类，字段，方法，或是类
                " : " + el.getModifiers() + // 返回此元素的修饰符
                " : " + el.getSimpleName() + // 返回此元素的简单名称
                " : " + el.asType()); // 返回此元素定义的类型
        // 如果元素为CLASS类型，动态向下转型为更具体的元素类型，并打印相关信息
        if(el.getKind().equals(ElementKind.CLASS)) {
            TypeElement te = (TypeElement)el;
            System.out.println(te.getQualifiedName());
            System.out.println(te.getSuperclass());
            System.out.println(te.getEnclosedElements());
        }
        // 如果元素为METHOD类型，动态向下转型为更具体的元素类型，并打印相关信息
        if(el.getKind().equals(ElementKind.METHOD)) {
            ExecutableElement ex = (ExecutableElement)el;
            System.out.print(ex.getReturnType() + " ");
            System.out.print(ex.getSimpleName() + "(");
            System.out.println(ex.getParameters() + ")");
        }
    }
}

使用 @SupportedAnnotationTypes 和 @SupportedSourceVersion 注解来确定支持哪些注解以及支持的 Java 版本

注解处理器需要继承抽象类 javax.annotation.processing.AbstractProcessor，唯一需要实现的方法就是 process()，这里是所有行为发生的地方。第一个参数获取到此注解处理器所要处理的注解集合，第二个参数保留了剩余信息，这里我们所做的事情只是打印了注解（只存在一个）。process() 中实现的第二个操作是循环所有被 @Simple 注解的元素，并且针对每一个元素调用 display() 方法。展示所有 Element 自身的基本信息

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