第10章反射机制 - 注解3

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2023-12-01

从JDK5开始，Java增加了Annotation(注解)，Annotation是代码里的特殊标记，这些标记可以在编译、类加载、运行时被读取，并执行相应的处理。通过使用Annotation，开发人员可以在不改变原有逻辑的情况下，在源文件中嵌入一些补充的信息。代码分析工具、开发工具和部署工具可以通过这些补充信息进行验证、处理或者进行部署。

Annotation提供了一种为程序元素（包、类、构造器、方法、成员变量、参数、局域变量）设置元数据的方法。Annotation不能运行，它只有成员变量，没有方法。Annotation跟public、final等修饰符的地位一样，都是程序元素的一部分，Annotation不能作为一个程序元素使用。

1. 定义Annotation

定义新的Annotation类型使用@interface关键字（在原有interface关键字前增加@符号）。定义一个新的Annotation类型与定义一个接口很像，例如：

public @interface Test{
}

定义完该Annotation后，就可以在程序中使用该Annotation。使用Annotation，非常类似于public、final这样的修饰符，通常，会把Annotation另放一行，并且放在所有修饰符之前。例如：

@Test
public class MyClass{
....
}

1.1 成员变量

Annotation只有成员变量，没有方法。Annotation的成员变量在Annotation定义中以“无形参的方法”形式来声明，其方法名定义了该成员变量的名字，其返回值定义了该成员变量的类型。例如：

public @interface MyTag{
    string name();
    int age();
}

示例中定义了2个成员变量，这2个成员变量以方法的形式来定义。

一旦在Annotation里定义了成员变量后，使用该Annotation时就应该为该Annotation的成员变量指定值。例如：

public class Test{
    @MyTag(name="红薯"，age=30)
    public void info(){
    ......
    }
}

也可以在定义Annotation的成员变量时，为其指定默认值，指定成员变量默认值使用default关键字。示例：

public @interface MyTag{
    string name() default "我兰";
    int age() default 18;
}

如果Annotation的成员变量已经指定了默认值，使用该Annotation时可以不为这些成员变量指定值，而是直接使用默认值。例如：

public class Test{
    @MyTag
    public void info(){
    ......
    }
}

根据Annotation是否包含成员变量，可以把Annotation分为如下两类：

标记Annotation：没有成员变量的Annotation被称为标记。这种Annotation仅用自身的存在与否来为我们提供信息，例如@override等。
元数据Annotation：包含成员变量的Annotation。因为它们可以接受更多的元数据，因此被称为元数据Annotation。

1.2 元注解

在定义Annotation时，也可以使用JDK提供的元注解来修饰Annotation定义。JDK提供了如下4个元注解（注解的注解，不是上述的”元数据Annotation“）：

1.2.1 @Retention

@Retention用于指定Annotation可以保留多长时间。
@Retention包含一个名为“value”的成员变量，该value成员变量是RetentionPolicy枚举类型。使用@Retention时，必须为其value指定值。value成员变量的值只能是如下3个：

RetentionPolicy.SOURCE：Annotation只保留在源代码中，编译器编译时，直接丢弃这种Annotation。
RetentionPolicy.CLASS：编译器把Annotation记录在class文件中。当运行Java程序时，JVM中不再保留该Annotation。
RetentionPolicy.RUNTIME：编译器把Annotation记录在class文件中。当运行Java程序时，JVM会保留该Annotation，程序可以通过反射获取该Annotation的信息。

示例：

package com.demo1;
import java.lang.annotation.Retention;
import java.lang.annotation.RetentionPolicy;
//name=value形式
//@Retention(value=RetentionPolicy.RUNTIME)
//直接指定
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface MyTag{
    String name() default "我兰";
}

如果Annotation里有一个名为“value“的成员变量，使用该Annotation时，可以直接使用XXX(val)形式为value成员变量赋值，无须使用name=val形式。

1.2.2 @Target

@Target指定Annotation用于修饰哪些程序元素。@Target也包含一个名为”value“的成员变量，该value成员变量类型为ElementType[ ]，ElementType为枚举类型，值有如下几个：

ElementType.TYPE：能修饰类、接口或枚举类型
ElementType.FIELD：能修饰成员变量
ElementType.METHOD：能修饰方法
ElementType.PARAMETER：能修饰参数
ElementType.CONSTRUCTOR：能修饰构造器
ElementType.LOCAL_VARIABLE：能修饰局部变量
ElementType.ANNOTATION_TYPE：能修饰注解
ElementType.PACKAGE：能修饰包

示例1（单个ElementType）：

package com.demo1;
import java.lang.annotation.ElementType;
import java.lang.annotation.Target;
@Target(ElementType.FIELD)
public @interface AnnTest {
    String name() default "sunchp";
}

示例2（多个ElementType）：

package com.demo1;
import java.lang.annotation.ElementType;
import java.lang.annotation.Target;
@Target({ ElementType.FIELD, ElementType.METHOD })
public @interface AnnTest {
    String name() default "sunchp";
}

1.2.3 @Documented

如果定义注解A时，使用了@Documented修饰定义，则在用javadoc命令生成API文档后，所有使用注解A修饰的程序元素，将会包含注解A的说明。

示例：

@Documented
public @interface Testable {
}

public class Test {
    @Testable
    public void info() {
    }
}

1.2.4 @Inherited

@Inherited指定Annotation具有继承性。

示例：

package com.demo2;
import java.lang.annotation.ElementType;
import java.lang.annotation.Inherited;
import java.lang.annotation.Retention;
import java.lang.annotation.RetentionPolicy;
import java.lang.annotation.Target;
@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Inherited
public @interface MyTag{
}

package com.demo2;
@MyTag
public class Base {
}

package com.demo2;
//SubClass只是继承了Base类
//并未直接使用@MyTag注解修饰
public class SubClass extends Base {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(SubClass.class.isAnnotationPresent(MyTag.class));
    }
}

示例中Base使用@MyTag修饰，SubClass继承Base，而且没有直接使用@MyTag修饰，但是因为MyTag定义时，使用了@Inherited修饰，具有了继承性，所以运行结果为true。

如果MyTag注解没有被@Inherited修饰，则运行结果为：false。

1.3 基本Annotation

JDK默认提供了如下几个基本Annotation：

@Override

限定重写父类方法。对于子类中被@Override 修饰的方法，如果存在对应的被重写的父类方法，则正确；如果不存在，则报错。@Override 只能作用于方法，不能作用于其他程序元素。

@Deprecated

用于表示某个程序元素（类、方法等）已过时。如果使用被@Deprecated修饰的类或方法等，编译器会发出警告。

@SuppressWarning

抑制编译器警告。指示被@SuppressWarning修饰的程序元素（以及该程序元素中的所有子元素，例如类以及该类中的方法…..）取消显示指定的编译器警告。例如，常见的@SuppressWarning（value=”unchecked”）

@SafeVarargs

@SafeVarargs是JDK 7 专门为抑制“堆污染”警告提供的。

2. 提取Annotation信息（反射）

当开发者使用了Annotation修饰了类、方法、Field等成员之后，这些Annotation不会自己生效，必须由开发者提供相应的代码来提取并处理Annotation信息。这些处理提取和处理Annotation的代码统称为APT（Annotation Processing Tool）。

JDK主要提供了两个类，来完成Annotation的提取：

java.lang.annotation.Annotation接口：这个接口是所有Annotation类型的父接口（后面会分析Annotation的本质，Annotation本质是接口，而java.lang.annotation.Annotation接口是这些接口的父接口）。
java.lang.reflect.AnnotatedElement接口：该接口代表程序中可以被注解的程序元素。

2.1 java.lang.annotation.Annotation

java.lang.annotation.Annotation接口源码:

package java.lang.annotation;
public interface Annotation {
    boolean equals(Object obj);
    int hashCode();
    String toString();
    Class<? extends Annotation> annotationType();
}

java.lang.annotation.Annotation接口的主要方法是annotationType( )，用于返回该注解的java.lang.Class。

2.2 java.lang.reflect.AnnotatedElement

java.lang.reflect.AnnotatedElement接口源码：

package java.lang.reflect;
import java.lang.annotation.Annotation;
public interface AnnotatedElement {
     boolean isAnnotationPresent(Class<? extends Annotation> annotationClass);
    <T extends Annotation> T getAnnotation(Class<T> annotationClass);
    Annotation[] getAnnotations();
    Annotation[] getDeclaredAnnotations();
}

主要方法有：

isAnnotationPresent(Class<? extends Annotation> annotationClass)：判断该程序元素上是否存在指定类型的注解，如果存在则返回true，否则返回false。
getAnnotation(Class annotationClass)：返回该程序元素上存在的指定类型的注解，如果该类型的注解不存在，则返回null
Annotation[] getAnnotations()：返回该程序元素上存在的所有注解。

java.lang.reflect.AnnotatedElement接口是所有程序元素（例如java.lang.Class、java.lang.reflect.Method、java.lang.reflect.Constructor等）的父接口。类图结构如下：

所以程序通过反射获取了某个类的AnnotatedElement对象（例如，A类method1()方法的java.lang.reflect.Method对象）后，就可以调用该对象的isAnnotationPresent( )、getAnnotation( )等方法来访问注解信息。

为了获取注解信息，必须使用反射知识。

PS：如果想要在运行时提取注解信息，在定义注解时，该注解必须使用@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)修饰。

2.3 示例

2.3.1 标记Annotation

给定一个类的全额限定名，加载类，并列出该类中被注解@MyTag修饰的方法和没被修饰的方法。

注解定义：

package com.demo1;
import java.lang.annotation.ElementType;
import java.lang.annotation.Retention;
import java.lang.annotation.RetentionPolicy;
import java.lang.annotation.Target;
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.METHOD)
public @interface MyTag {
}

注解处理：

package com.demo1;
import java.lang.reflect.Method;
public class ProcessTool {
    public static void process(String clazz) {
        Class targetClass = null;
        try {
            targetClass = Class.forName(clazz);
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        for (Method m : targetClass.getMethods()) {
            if (m.isAnnotationPresent(MyTag.class)) {
                System.out.println("被MyTag注解修饰的方法名：" + m.getName());
            } else {
                System.out.println("没被MyTag注解修饰的方法名：" + m.getName());
            }
        }
    }
}

测试类：

package com.demo1;
public class Demo {
    public static void m1() {
    }
    @MyTag
    public static void m2() {
    }
}

package com.demo1;
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        ProcessTool.process("com.demo1.Demo");
    }
}

运行结果：

没被MyTag注解修饰的方法名：m1
被MyTag注解修饰的方法名：m2
没被MyTag注解修饰的方法名：wait
没被MyTag注解修饰的方法名：wait
没被MyTag注解修饰的方法名：wait
没被MyTag注解修饰的方法名：equals
没被MyTag注解修饰的方法名：toString
没被MyTag注解修饰的方法名：hashCode
没被MyTag注解修饰的方法名：getClass
没被MyTag注解修饰的方法名：notify
没被MyTag注解修饰的方法名：notifyAll

2.3.2 元数据Annotation

给定一个类的全额限定名，加载类，找出被注解MyTag修饰的方法，并输出每个方法的MyTag注解的属性。

注解定义：

package com.demo1;
import java.lang.annotation.ElementType;
import java.lang.annotation.Retention;
import java.lang.annotation.RetentionPolicy;
import java.lang.annotation.Target;
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.METHOD)
public @interface MyTag {
    String name() default "我兰";
    int age() default 18;
}

注解处理：

package com.demo1;
import java.lang.reflect.Method;
public class ProcessTool {
    public static void process(String clazz) {
        Class targetClass = null;
        try {
            targetClass = Class.forName(clazz);
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        for (Method m : targetClass.getMethods()) {
            if (m.isAnnotationPresent(MyTag.class)) {
                MyTag tag = m.getAnnotation(MyTag.class);
                System.out.println("方法" + m.getName() + "的MyTag注解内容为：" + tag.name() + "，" + tag.age());
            }
        }
    }
}

测试类：

package com.demo1;
public class Demo {
    public static void m1() {
    }
    @MyTag
    public static void m2() {
    }
    @MyTag(name = "红薯")
    public static void m3() {
    }
    @MyTag(name = "红薯", age = 30)
    public static void m4() {
    }
}

package com.demo1;
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        ProcessTool.process("com.demo1.Demo");
    }
}

运行结果：

方法m2的MyTag注解内容为：我兰，18
方法m3的MyTag注解内容为：红薯，18
方法m4的MyTag注解内容为：红薯，30

若要获取注解中的成员变量值，直接调用注解对象的”成员变量民( )”形式的方法就行，例如示例中的tag.name()等。

PS：在编译器编译注解定义时，自动在class文件中，添加与成员变量同名的抽象方法，用于反射时获取成员变量的值。

通过上面的示例可以看出，其实Annotation十分简单，它是对源代码增加的一些特殊标记，这些特殊标记可通过反射获取，当程序获取这些特殊标记后，程序可以做出相应的处理（当然也可以完全忽略这些Annotation）。

3. 注解本质

对于示例”2.3.2 元数据Annotation“中的MyTag注解，在编译后，生成一个MyTag.class文件。反编译该class文件：

javap -verbose -c MyTag.class > m.txt

MyTag注解的字节码为：

通过分析字节码可知：

注解实质上会被编译器编译为接口，并且继承java.lang.annotation.Annotation接口。
注解的成员变量会被编译器编译为同名的抽象方法。
根据Java的class文件规范，class文件中会在程序元素的属性位置记录注解信息。例如，RuntimeVisibleAnnotations属性位置，记录修饰该类的注解有哪些；flags属性位置，记录该类是不是注解；在方法的AnnotationDefault属性位置，记录注解的成员变量默认值是多少。

我们再反编译下示例”2.3.2 元数据Annotation“中的Demo测试类，查看下”被注解修饰的方法是怎样记录自己被注解修饰的“：

javap -verbose -c Demo.class > d.txt

反编译结果如下：

通过字节码可知：

在字节码文件中，每个方法都有RuntimeVisibleAnnotations属性位置，用来放置注解和注解的成员变量赋值。JVM在解析class文件时，会解析RuntimeVisibleAnnotations属性，并新建相应类型的注解对象，并将成员变量赋值。

如果要明白JVM对注解的运行机制，需要对class文件的格式规范有一定了解。（资料）

4. 注解的意义

为编译器提供辅助信息 — Annotations可以为编译器提供而外信息，以便于检测错误，抑制警告等.

编译源代码时进行而外操作 — 软件工具可以通过处理Annotation信息来生成原代码，xml文件等等.

运行时处理 — 有一些annotation甚至可以在程序运行时被检测，使用.

总之，注解是一种元数据，起到了”描述，配置“的作用。

第10章 反射机制 - 注解3