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Java 中的屠龍之術：如何修改語法樹？

2021-10-10 06:16:28 後端開發

作者：不學無數的程式員

來源：https://my.oschina.net/u/4030990/blog/3211858

在網上關于如何修改Java的抽象語法樹的相關API檔案并不多，于是本篇記錄一下相關的知識點，以便隨后查閱，

JCTree的介紹

JCTree是語法樹元素的基類，包含一個重要的欄位pos，該欄位用于指明當前語法樹節點（JCTree）在語法樹中的位置，因此我們不能直接用new關鍵字來創建語法樹節點，即使創建了也沒有意義，

此外，結合訪問者模式，將資料結構與資料的處理進行解耦，部分原始碼如下：

public abstract class JCTree implements Tree, Cloneable, DiagnosticPosition {

    public int pos = -1;

    ...

    public abstract void accept(JCTree.Visitor visitor);

    ...
}

我們可以看到JCTree是一個抽象類，這里重點介紹幾個JCTree的子類

  1. JCStatement：宣告語法樹節點，常見的子類如下

    • JCBlock：陳述句塊語法樹節點
    • JCReturn：return陳述句語法樹節點
    • JCClassDecl：類定義語法樹節點
    • JCVariableDecl：欄位/變數定義語法樹節點

  2. JCMethodDecl：方法定義語法樹節點

  3. JCModifiers：訪問標志語法樹節點

  4. JCExpression：運算式語法樹節點，常見的子類如下

    • JCAssign：賦值陳述句語法樹節點
    • JCIdent：識別符號語法樹節點，可以是變數，型別，關鍵字等等

TreeMaker介紹

TreeMaker用于創建一系列的語法樹節點，我們上面說了創建JCTree不能直接使用new關鍵字來創建，所以Java為我們提供了一個工具，就是TreeMaker，它會在創建時為我們創建的JCTree物件設定pos欄位，所以必須使用背景關系相關的TreeMaker物件來創建語法樹節點，

具體的API介紹可以參照，TreeMakerAPI，接下來著重介紹一下常用的幾個方法，

TreeMaker.Modifiers

TreeMaker.Modifiers方法用于創建訪問標志語法樹節點（JCModifiers），原始碼如下

public JCModifiers Modifiers(long flags) {
    return Modifiers(flags, List.< JCAnnotation >nil());
}

public JCModifiers Modifiers(long flags,
    List<JCAnnotation> annotations) {
        JCModifiers tree = new JCModifiers(flags, annotations);
        boolean noFlags = (flags & (Flags.ModifierFlags | Flags.ANNOTATION)) == 0;
        tree.pos = (noFlags && annotations.isEmpty()) ? Position.NOPOS : pos;
        return tree;
}
  1. flags：訪問標志
  2. annotations：注解串列

其中flags可以使用列舉類com.sun.tools.javac.code.Flags來表示，例如我們可以這樣用，就生成了下面的訪問標志了，

treeMaker.Modifiers(Flags.PUBLIC + Flags.STATIC + Flags.FINAL);

public static final

TreeMaker.ClassDef

TreeMaker.ClassDef用于創建類定義語法樹節點（JCClassDecl）,原始碼如下：

public JCClassDecl ClassDef(JCModifiers mods,
    Name name,
    List<JCTypeParameter> typarams,
    JCExpression extending,
    List<JCExpression> implementing,
    List<JCTree> defs) {
        JCClassDecl tree = new JCClassDecl(mods,
                                     name,
                                     typarams,
                                     extending,
                                     implementing,
                                     defs,
                                     null);
        tree.pos = pos;
        return tree;
}
  1. mods：訪問標志，可以通過TreeMaker.Modifiers來創建
  2. name：類名
  3. typarams：泛型引數串列
  4. extending：父類
  5. implementing：實作的介面
  6. defs：類定義的詳細陳述句，包括欄位、方法的定義等等

TreeMaker.MethodDef

TreeMaker.MethodDef用于創建方法定義語法樹節點（JCMethodDecl），原始碼如下

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;
}

public JCMethodDecl MethodDef(MethodSymbol m,
    Type mtype,
    JCBlock body) {
        return (JCMethodDecl)
            new JCMethodDecl(
                Modifiers(m.flags(), Annotations(m.getAnnotationMirrors())),
                m.name,
                Type(mtype.getReturnType()),
                TypeParams(mtype.getTypeArguments()),
                Params(mtype.getParameterTypes(), m),
                Types(mtype.getThrownTypes()),
                body,
                null,
                m).setPos(pos).setType(mtype);
}
  1. mods：訪問標志
  2. name：方法名
  3. restype：回傳型別
  4. typarams：泛型引數串列
  5. params：引數串列
  6. thrown：例外宣告串列
  7. body：方法體
  8. defaultValue：默認方法（可能是interface中的哪個default）
  9. m：方法符號
  10. mtype：方法型別，包含多種型別，泛型引數型別、方法引數型別、例外引數型別、回傳引數型別，

回傳型別restype填寫null或者treeMaker.TypeIdent(TypeTag.VOID)都代表回傳void型別

TreeMaker.VarDef

TreeMaker.VarDef用于創建欄位/變數定義語法樹節點（JCVariableDecl），原始碼如下

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;
}

public JCVariableDecl VarDef(VarSymbol v,
    JCExpression init) {
        return (JCVariableDecl)
            new JCVariableDecl(
                Modifiers(v.flags(), Annotations(v.getAnnotationMirrors())),
                v.name,
                Type(v.type),
                init,
                v).setPos(pos).setType(v.type);
}
  1. mods：訪問標志
  2. name：引數名稱
  3. vartype：型別
  4. init：初始化陳述句
  5. v：變數符號

TreeMaker.Ident

TreeMaker.Ident用于創建識別符號語法樹節點（JCIdent），原始碼如下

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

TreeMaker.Return用于創建return陳述句（JCReturn），原始碼如下

public JCReturn Return(JCExpression expr) {
        JCReturn tree = new JCReturn(expr);
        tree.pos = pos;
        return tree;
}

TreeMaker.Select

TreeMaker.Select用于創建域訪問/方法訪問（這里的方法訪問只是取到名字，方法的呼叫需要用TreeMaker.Apply）語法樹節點（JCFieldAccess），原始碼如下

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);
}
  1. selected：.運算子左邊的運算式
  2. selector：.運算子右邊的運算式

下面給出一個例子，一陳述句生成的Java陳述句就是二陳述句

一. TreeMaker.Select(treeMaker.Ident(names.fromString("this")), names.fromString("name"));

二. this.name

TreeMaker.NewClass

TreeMaker.NewClass用于創建new陳述句語法樹節點（JCNewClass）,原始碼如下：

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;
}
  1. encl：不太明白此引數的含義，我看很多例子中此引數都設定為null
  2. typeargs：引數型別串列
  3. clazz：待創建物件的型別
  4. args：引數串列
  5. def：類定義

TreeMaker.Apply

TreeMaker.Apply用于創建方法呼叫語法樹節點（JCMethodInvocation），原始碼如下：

public JCMethodInvocation Apply(List<JCExpression> typeargs,
    JCExpression fn,
    List<JCExpression> args) {
        JCMethodInvocation tree = new JCMethodInvocation(typeargs, fn, args);
        tree.pos = pos;
        return tree;
}
  1. typeargs：引數型別串列
  2. fn：呼叫陳述句
  3. args：引數串列

TreeMaker.Assign

TreeMaker.Assign用戶創建賦值陳述句語法樹節點（JCAssign），原始碼如下：

ublic JCAssign Assign(JCExpression lhs,
    JCExpression rhs) {
        JCAssign tree = new JCAssign(lhs, rhs);
        tree.pos = pos;
        return tree;
}
  1. lhs：賦值陳述句左邊運算式
  2. rhs：賦值陳述句右邊運算式

TreeMaker.Exec

TreeMaker.Exec用于創建可執行陳述句語法樹節點（JCExpressionStatement），原始碼如下：

public JCExpressionStatement Exec(JCExpression expr) {
        JCExpressionStatement tree = new JCExpressionStatement(expr);
        tree.pos = pos;
        return tree;
}

TreeMaker.Apply以及TreeMaker.Assign就需要外面包一層TreeMaker.Exec來獲得一個JCExpressionStatement

TreeMaker.Block

TreeMaker.Block用于創建組合陳述句的語法樹節點（JCBlock），原始碼如下：

public JCBlock Block(long flags,
    List<JCStatement> stats) {
        JCBlock tree = new JCBlock(flags, stats);
        tree.pos = pos;
        return tree;
}
  1. flags：訪問標志
  2. stats：陳述句串列

com.sun.tools.javac.util.List介紹

在我們操作抽象語法樹的時候，有時會涉及到關于List的操作，但是這個List不是我們經常使用的java.util.List而是com.sun.tools.javac.util.List，這個List比較奇怪，是一個鏈式的結構，有頭結點和尾節點，但是只有尾節點是一個List，這里作為了解就行了，

public class List<A> extends AbstractCollection<A> implements java.util.List<A> {
    public A head;
    public List<A> tail;
    private static final List<?> EMPTY_LIST = new List<Object>((Object)null, (List)null) {
        public List<Object> setTail(List<Object> var1) {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }

        public boolean isEmpty() {
            return true;
        }
    };

    List(A head, List<A> tail) {
        this.tail = tail;
        this.head = head;
    }

    public static <A> List<A> nil() {
        return EMPTY_LIST;
    }

    public List<A> prepend(A var1) {
        return new List(var1, this);
    }

    public List<A> append(A var1) {
        return of(var1).prependList(this);
    }

    public static <A> List<A> of(A var0) {
        return new List(var0, nil());
    }

    public static <A> List<A> of(A var0, A var1) {
        return new List(var0, of(var1));
    }

    public static <A> List<A> of(A var0, A var1, A var2) {
        return new List(var0, of(var1, var2));
    }

    public static <A> List<A> of(A var0, A var1, A var2, A... var3) {
        return new List(var0, new List(var1, new List(var2, from(var3))));
    }

    ...
}

com.sun.tools.javac.util.ListBuffer

由于com.sun.tools.javac.util.List使用起來不方便，所以又在其上面封裝了一層，這個封裝類是ListBuffer，此類的操作和我們平時經常使用的java.util.List用法非常類似，

public class ListBuffer<A> extends AbstractQueue<A> {

    public static <T> ListBuffer<T> of(T x) {
        ListBuffer<T> lb = new ListBuffer<T>();
        lb.add(x);
        return lb;
    }

    /** The list of elements of this buffer.
     */
    private List<A> elems;

    /** A pointer pointing to the last element of 'elems' containing data,
     *  or null if the list is empty.
     */
    private List<A> last;

    /** The number of element in this buffer.
     */
    private int count;

    /** Has a list been created from this buffer yet?
     */
    private boolean shared;

    /** Create a new initially empty list buffer.
     */
    public ListBuffer() {
        clear();
    }

    /** Append an element to buffer.
     */
    public ListBuffer<A> append(A x) {
        x.getClass(); // null check
        if (shared) copy();
        List<A> newLast = List.<A>of(x);
        if (last != null) {
            last.tail = newLast;
            last = newLast;
        } else {
            elems = last = newLast;
        }
        count++;
        return this;
    }
    ........
}

com.sun.tools.javac.util.Names介紹

這個是為我們創建名稱的一個工具類，無論是類、方法、引數的名稱都需要通過此類來創建，它里面經常被使用到的一個方法就是fromString()，一般使用方法如下所示，

Names names  = new Names()
names. fromString("setName");

實戰演練

上面我們大概了解了如何操作抽象語法樹，接下來我們就來寫幾個真實的案例加深理解，

變數相關

在類中我們經常操作的引數就是變數，那么如何使用抽象語法樹的特性為我們操作變數呢？接下來我們就將一些對于變數的一些操作，

生成變數

例如生成private String age;這樣一個變數，借用我們上面講的VarDef方法

// 生成引數 例如：private String age;
treeMaker.VarDef(treeMaker.Modifiers(Flags.PRIVATE), names.fromString("age"), treeMaker.Ident(names.fromString("String")), null);

對變數賦值

例如我們想生成private String name = "BuXueWuShu"，還是利用VarDef 方法

// private String name = "BuXueWuShu"
treeMaker.VarDef(treeMaker.Modifiers(Flags.PRIVATE),names.fromString("name"),treeMaker.Ident(names.fromString("String")),treeMaker.Literal("BuXueWuShu"))

兩個字面量相加

例如我們生成String add = "a" + "b";，借用我們上面講的Exec 方法和Assign 方法

// add = "a"+"b"
treeMaker.Exec(treeMaker.Assign(treeMaker.Ident(names.fromString("add")),treeMaker.Binary(JCTree.Tag.PLUS,treeMaker.Literal("a"),treeMaker.Literal("b"))))

+=語法

例如我們想生成add += "test"，則和上面字面量差不多，

// add+="test"
treeMaker.Exec(treeMaker.Assignop(JCTree.Tag.PLUS_ASG, treeMaker.Ident(names.fromString("add")), treeMaker.Literal("test")))

++語法

例如想生成++i

treeMaker.Exec(treeMaker.Unary(JCTree.Tag.PREINC,treeMaker.Ident(names.fromString("i"))))

方法相關

我們對于變數進行了操作，那么基本上都是要生成方法的，那么如何對方法進行生成和操作呢？我們接下來演示一下關于方法相關的操作方法，

無參無回傳值

我們可以利用上面講到的MethodDef方法進行生成

/*
    無參無回傳值的方法生成
    public void test(){

    }
 */
// 定義方法體
ListBuffer<JCTree.JCStatement> testStatement = new ListBuffer<>();
JCTree.JCBlock testBody = treeMaker.Block(0, testStatement.toList());
    
JCTree.JCMethodDecl test = treeMaker.MethodDef(
        treeMaker.Modifiers(Flags.PUBLIC), // 方法限定值
        names.fromString("test"), // 方法名
        treeMaker.Type(new Type.JCVoidType()), // 回傳型別
        com.sun.tools.javac.util.List.nil(),
        com.sun.tools.javac.util.List.nil(),
        com.sun.tools.javac.util.List.nil(),
        testBody,	// 方法體
        null
);

有參無回傳值

我們可以利用上面講到的MethodDef方法進行生成

/*
    無參無回傳值的方法生成
    public void test2(String name){
        name = "xxxx";
    }
 */
ListBuffer<JCTree.JCStatement> testStatement2 = new ListBuffer<>();
testStatement2.append(treeMaker.Exec(treeMaker.Assign(treeMaker.Ident(names.fromString("name")),treeMaker.Literal("xxxx"))));
JCTree.JCBlock testBody2 = treeMaker.Block(0, testStatement2.toList());

// 生成入參
JCTree.JCVariableDecl param = treeMaker.VarDef(treeMaker.Modifiers(Flags.PARAMETER), names.fromString("name"),treeMaker.Ident(names.fromString("String")), null);
com.sun.tools.javac.util.List<JCTree.JCVariableDecl> parameters = com.sun.tools.javac.util.List.of(param);

JCTree.JCMethodDecl test2 = treeMaker.MethodDef(
        treeMaker.Modifiers(Flags.PUBLIC), // 方法限定值
        names.fromString("test2"), // 方法名
        treeMaker.Type(new Type.JCVoidType()), // 回傳型別
        com.sun.tools.javac.util.List.nil(),
        parameters, // 入參
        com.sun.tools.javac.util.List.nil(),
        testBody2,
        null
);

有參有回傳值

 /*
    有參有回傳值
    public String test3(String name){
       return name;
    }
 */

ListBuffer<JCTree.JCStatement> testStatement3 = new ListBuffer<>();
testStatement3.append(treeMaker.Return(treeMaker.Ident(names.fromString("name"))));
JCTree.JCBlock testBody3 = treeMaker.Block(0, testStatement3.toList());

// 生成入參
JCTree.JCVariableDecl param3 = treeMaker.VarDef(treeMaker.Modifiers(Flags.PARAMETER), names.fromString("name"),treeMaker.Ident(names.fromString("String")), null);
com.sun.tools.javac.util.List<JCTree.JCVariableDecl> parameters3 = com.sun.tools.javac.util.List.of(param3);

JCTree.JCMethodDecl test3 = treeMaker.MethodDef(
        treeMaker.Modifiers(Flags.PUBLIC), // 方法限定值
        names.fromString("test4"), // 方法名
        treeMaker.Ident(names.fromString("String")), // 回傳型別
        com.sun.tools.javac.util.List.nil(),
        parameters3, // 入參
        com.sun.tools.javac.util.List.nil(),
        testBody3,
        null
);

特殊的

我們學完了如何進行定義引數，如何進行定義方法，其實還有好多陳述句需要學習，例如如何生成new陳述句，如何生成方法呼叫的陳述句，如何生成if陳述句，j接下來我們就學習一些比較特殊的語法，

new一個物件

// 創建一個new陳述句 CombatJCTreeMain combatJCTreeMain = new CombatJCTreeMain();
JCTree.JCNewClass combatJCTreeMain = treeMaker.NewClass(
        null,
        com.sun.tools.javac.util.List.nil(),
        treeMaker.Ident(names.fromString("CombatJCTreeMain")),
        com.sun.tools.javac.util.List.nil(),
        null
);
JCTree.JCVariableDecl jcVariableDecl1 = treeMaker.VarDef(
        treeMaker.Modifiers(Flags.PARAMETER),
        names.fromString("combatJCTreeMain"),
        treeMaker.Ident(names.fromString("CombatJCTreeMain")),
        combatJCTreeMain
);

方法呼叫（無參）

JCTree.JCExpressionStatement exec = treeMaker.Exec(
        treeMaker.Apply(
                com.sun.tools.javac.util.List.nil(),
                treeMaker.Select(
                        treeMaker.Ident(names.fromString("combatJCTreeMain")), // . 左邊的內容
                        names.fromString("test") // . 右邊的內容
                ),
                com.sun.tools.javac.util.List.nil()
        )
);

方法呼叫（有參）

// 創建一個方法呼叫 combatJCTreeMain.test2("hello world!");
JCTree.JCExpressionStatement exec2 = treeMaker.Exec(
        treeMaker.Apply(
                com.sun.tools.javac.util.List.nil(),
                treeMaker.Select(
                        treeMaker.Ident(names.fromString("combatJCTreeMain")), // . 左邊的內容
                        names.fromString("test2") // . 右邊的內容
                ),
                com.sun.tools.javac.util.List.of(treeMaker.Literal("hello world!")) // 方法中的內容
        )
);

if陳述句

/*
    創建一個if陳述句
    if("BuXueWuShu".equals(name)){
        add = "a" + "b";
    }else{
        add += "test";
    }
 */
// "BuXueWuShu".equals(name)
JCTree.JCMethodInvocation apply = treeMaker.Apply(
        com.sun.tools.javac.util.List.nil(),
        treeMaker.Select(
                treeMaker.Literal("BuXueWuShu"), // . 左邊的內容
                names.fromString("equals") // . 右邊的內容
        ),
        com.sun.tools.javac.util.List.of(treeMaker.Ident(names.fromString("name")))
);
//  add = "a" + "b"
JCTree.JCExpressionStatement exec3 = treeMaker.Exec(treeMaker.Assign(treeMaker.Ident(names.fromString("add")), treeMaker.Binary(JCTree.Tag.PLUS, treeMaker.Literal("a"), treeMaker.Literal("b"))));
//  add += "test"
JCTree.JCExpressionStatement exec1 = treeMaker.Exec(treeMaker.Assignop(JCTree.Tag.PLUS_ASG, treeMaker.Ident(names.fromString("add")), treeMaker.Literal("test")));

JCTree.JCIf anIf = treeMaker.If(
        apply, // if陳述句里面的判斷陳述句
        exec3, // 條件成立的陳述句
        exec1  // 條件不成立的陳述句
);

原始碼地址：https://github.com/modouxiansheng/Doraemon

總結

紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行，

希望大家看完此篇文章能夠自己在本機上自己試驗一下，

自己設定幾個引數，自己學的Lombok學著生成一下get、set方法，雖然本篇知識在日常開發中基本上不會用到，但是萬一用到了這些知識那么別人不會而你會，差距其實就慢慢的給拉開了，

本篇涉及到的所有代碼都在github上面有，拉下來以后全域搜CombatJCTreeProcessor類就可以看到了，

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