java注解研究

简介

Spring框架经常用到两种注入方式：一种是注解，比如@Controller，@Service，@Repository，另一种是XML。采用注解可以提供更大的便捷性，易于维护修改，但耦合度高，而 XML 相对于注解则是相反的。两者各有优劣，本文主要讲注解。

例子

/**
 * 注解接口
 */
@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface MyAnnotation {
    int set() default 0;
}
@MyAnnotation(set=12)
public class TestAnnotation {
    public static void main(String[] args) {
        // 检查TestAnnotation类是否有注解
        if (TestAnnotation.class.isAnnotationPresent(MyAnnotation.class)) {
            MyAnnotation annotation = (MyAnnotation) TestAnnotation.class.getAnnotation(MyAnnotation.class);
            System.out.println(annotation.set());
        }
    }
}
输出：
12
注解本质

java.lang.annotation.Annotation接口

//The common interface extended by all annotation types
public interface Annotation

注释说明了：所有的注解类型都继承自这个普通的接口（Annotation）。
比如上面的MyAnnotation,它本质上就是

public interface MyAnnotation extends Annotation{   
}
注解语法

通过上面的例子：
注解通过 @interface 关键字进行定义。

public @interface MyAnnotation{
}

它的形式跟接口很类似，不过前面多了一个 @ 符号。上面的代码就创建了一个名字为 MyAnnotation的注解。
不过这样注解还不能工作，还需要一些标识告诉编译器这个注解用在什么地方，以及它的生命周期等。这些标识就是元注解。

元注解

元注解是可以注解到注解上的注解，或者说元注解是一种基本注解，但是它能够应用到其它的注解上面。
元标签有@Retention、@Documented、@Target、@Inherited、@Repeatable5 种。
（1）@Retention
Retention 的英文意为保留期的意思。当 @Retention 应用到一个注解上的时候，它解释说明了这个注解的的存活时间。
它的取值如下：
RetentionPolicy.SOURCE：只在本编译单元的编译过程中保留，并不写入Class文件中。这种注解主要用于在本编译单元（这里一个Java源码文件可以看作一个编译单元）内触发注解处理器（annotation processor）的相关处理，例如说可以让注解处理器相应地生成一些代码，或者是让注解处理器做一些额外的类型检查，等等。例如：@Override、@SuppressWarnings
RetentionPolicy.CLASS：在编译的过程中保留并且会写入Class文件中，但是JVM在加载类的时候不需要将其加载为运行时可见的（反射可见）的注解。这里很重要的一点是编译多个Java文件时的情况：假如要编译A.java源码文件和B.class文件，其中A类依赖B类，并且B类上有些注解希望让A.java编译时能看到，那么B.class里就必须要持有这些注解信息才行。同时我们可能不需要让它在运行时对反射可见（例如说为了减少运行时元数据的大小之类），所以会选择CLASS而不是RUNTIME。
RetentionPolicy.RUNTIME：在编译过程中保留，会写入Class文件，并且JVM加载类的时候也会将其加载为反射可见的注解。这就不用多说了，例如说Spring的依赖注入就会在运行时通过扫描类上的注解来决定注入啥。

@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface MyAnnotation {
}

上面的代码中，我们指定 MyAnnotation可以在程序运行周期被获取到，因此它的生命周期非常的长。
（2）@Documented
当我们执行 JavaDoc 文档打包时会被保存进 doc 文档。
（3）@Target
Target 是目标的意思，@Target指定了注解运用的地方。
@Target 有下面的取值

ElementType.ANNOTATION_TYPE 可以给一个注解进行注解
ElementType.CONSTRUCTOR 可以给构造方法进行注解
ElementType.FIELD 可以给属性进行注解
ElementType.LOCAL_VARIABLE 可以给局部变量进行注解
ElementType.METHOD 可以给方法进行注解
ElementType.PACKAGE 可以给一个包进行注解
ElementType.PARAMETER 可以给一个方法内的参数进行注解
ElementType.TYPE 可以给一个类型进行注解，比如类、接口、枚举

（4）@Inherited
是继承的意思，但是它并不是说注解本身可以继承，而是说如果一个超类被 @Inherited 注解过的注解进行注解的话，那么如果它的子类没有被任何注解应用的话，那么这个子类就继承了超类的注解。
例子：

@Inherited
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@interface Test {}

@Test
public class A {}
public class B extends A {}

注解@ Test 被 @Inherited 修饰，之后类 A 被 @Test 注解，类 B 继承 A,类 B 也拥有@Test 这个注解。
（5）@Repeatable
Repeatable 自然是可重复的意思。@Repeatable 是 Java 1.8 才加进来的，所以算是一个新的特性。

什么样的注解会多次应用呢？通常是注解的值可以同时取多个。

举个例子，一个人他既是程序员又是产品经理,同时他还是个画家。

@interface Persons {
    Person[]  value();
}

@Repeatable(Persons.class)
@interface Person{
    String role default "";
}

@Person(role="artist")
@Person(role="coder")
@Person(role="PM")
public class SuperMan{

}

注意上面的代码，@Repeatable注解了 Person。而 @Repeatable 后面括号中的类相当于一个容器注解。

Class 类中提供了以下一些方法用于反射注解

getAnnotation：返回指定的注解
isAnnotationPresent：判定当前元素是否被指定注解修饰
getAnnotations：返回所有的注解
getDeclaredAnnotation：返回本元素的指定注解
getDeclaredAnnotations：返回本元素的所有注解，不包含父类继承而来的

注解原理

Debug上面的代码，


可以看出MyAnnotation本质上通过由JDK生成动态代理类来进行调用的
在main方法加入

public static void main(String[] args) {
    //把生成的代理字节码写到com/sun/proxy包下
        System.setProperty("sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles", "true");
        // 检查TestAnnotation类是否有注解
        if (TestAnnotation.class.isAnnotationPresent(MyAnnotation.class)) {
            MyAnnotation annotation = (MyAnnotation) TestAnnotation.class.getAnnotation(MyAnnotation.class);
            System.out.println(annotation.set());
        }
    }

在com\sun\proxy目录下生成$Proxy1.class
反编译以后

public final class $Proxy1
  extends Proxy
  implements MyAnnotation
{
  private static Method m1;
  private static Method m2;
  private static Method m3;
  private static Method m4;
  private static Method m0;
  
  public $Proxy1(InvocationHandler paramInvocationHandler)
    throws 
  {
    super(paramInvocationHandler);
  }
  
  public final boolean equals(Object paramObject)
    throws 
  { 
      return ((Boolean)this.h.invoke(this, m1, new Object[] { paramObject })).booleanValue(); 
  }
  
  public final String toString()
    throws 
  {
          return (String)this.h.invoke(this, m2, null); 
  }
  
  public final int set()
    throws 
  { 
      return ((Integer)this.h.invoke(this, m3, null)).intValue();  
  }
  
  public final Class annotationType()
    throws 
  {    
      return (Class)this.h.invoke(this, m4, null);  
  }
  
  public final int hashCode()
    throws 
  {  
      return ((Integer)this.h.invoke(this, m0, null)).intValue();   
  }
  
  static
  {  
      m1 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("equals", new Class[] { Class.forName("java.lang.Object") });
      m2 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("toString", new Class[0]);
      m3 = Class.forName("com.huige.MyAnnotation").getMethod("set", new Class[0]);
      m4 = Class.forName("com.huige.MyAnnotation").getMethod("annotationType", new Class[0]);
      m0 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("hashCode", new Class[0]);
      return;  
  }
}

从上面可以看出我们自定义的注解HelloAnnotation是一个接口，而$Proxy1这个Java生成的动态代理类就是它的实现类

InvocationHandler

既然MyAnnotation具体是通过Proxy1来调用的，那Proxy1调用最终会传递给绑定的InvocationHandler实例的invoke方法处理，那InvocationHandler是谁呢？


从上图可以看出java提供了AnnotationInvocationHandler来处理注解
跟踪进去
最终调用sun.reflect.annotation.AnnotationInvocationHandler#invoke方法

 public Object invoke(Object var1, Method var2, Object[] var3) {
        String var4 = var2.getName();
        Class[] var5 = var2.getParameterTypes();
        if (var4.equals("equals") && var5.length == 1 && var5[0] == Object.class) {
            return this.equalsImpl(var3[0]);
        } else if (var5.length != 0) {
            throw new AssertionError("Too many parameters for an annotation method");
        } else {
            byte var7 = -1;
            switch(var4.hashCode()) {
            case -1776922004:
                if (var4.equals("toString")) {
                    var7 = 0;
                }
                break;
            case 147696667:
                if (var4.equals("hashCode")) {
                    var7 = 1;
                }
                break;
            case 1444986633:
                if (var4.equals("annotationType")) {
                    var7 = 2;
                }
            }

            switch(var7) {
            case 0:
                return this.toStringImpl();
            case 1:
                return this.hashCodeImpl();
            case 2:
                return this.type;
            default:
                Object var6 = this.memberValues.get(var4);
                if (var6 == null) {
                    throw new IncompleteAnnotationException(this.type, var4);
                } else if (var6 instanceof ExceptionProxy) {
                    throw ((ExceptionProxy)var6).generateException();
                } else {
                    if (var6.getClass().isArray() && Array.getLength(var6) != 0) {
                        var6 = this.cloneArray(var6);
                    }

                    return var6;
                }
            }
        }
    }

看看invoke方法是如何处理我们annotation.set()方法的调用的
debug进去


上图可以看出，在default环节进行获取值的，明显memberValues是一个LinkedHashMap，set方法的返回值是从一个LinkedHashMap中获取到的。这个LinkedHashMap以key（注解方法名）—value（注解方法对应的值）存储

那memberValues这个Map对象是怎么生成的，继续调试
通过方法调用栈找到memberValues的本源
调用栈如下：


可以看出在执行TestAnnotation.class.isAnnotationPresent(MyAnnotation.class)时就生成memberValues了
具体创建LinkedHashMap是在sun.reflect.annotation.AnnotationParser#parseAnnotation2方法中

private static Annotation parseAnnotation2(ByteBuffer var0, ConstantPool var1, Class<?> var2, boolean var3, Class<? extends Annotation>[] var4) {
       //。。省略
            LinkedHashMap var10 = new LinkedHashMap(var8.memberDefaults());
          //。。。省略：var10就是LinkedHashMap 
            return annotationForMap(var6, var10);
        }
    }

具体获取值在sun.reflect.annotation.AnnotationParser#parseConst方法中


即从运行时常量池地址为30中取出12，
最后调用AnnotationInvocationHandler构造器创建AnnotationInvocationHandler对象，把已经生成的map赋值给memberValues

番外篇

上面提到MyAnnotation继承Annotation接口，翻了源码没发现在哪里继承了，到底是什么回事呢？
我们查看下MyAnnotation的字节码

D:\project\src\main\java\com\huige>javap -verbose MyAnnotat
ion.class
Classfile /D:/project/src/main/java/com/huige/MyAnnotation.
class
  Last modified 2019-1-16; size 439 bytes
  MD5 checksum c1dd0a0bf103c12955a919a57ce48806
  Compiled from "MyAnnotation.java"
public interface com.huige.MyAnnotation extends java.lang.annotation.Annotation
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_INTERFACE, ACC_ABSTRACT, ACC_ANNOTATION
Constant pool:
   #1 = Class              #18            // com/huige/MyAnnotation
   #2 = Class              #19            // java/lang/Object
   #3 = Class              #20            // java/lang/annotation/Annotation
   #4 = Utf8               set
   #5 = Utf8               ()I
   #6 = Utf8               AnnotationDefault
   #7 = Integer            0
   #8 = Utf8               SourceFile
   #9 = Utf8               MyAnnotation.java
  #10 = Utf8               RuntimeVisibleAnnotations
  #11 = Utf8               Ljava/lang/annotation/Target;
  #12 = Utf8               value
  #13 = Utf8               Ljava/lang/annotation/ElementType;
  #14 = Utf8               TYPE
  #15 = Utf8               Ljava/lang/annotation/Retention;
  #16 = Utf8               Ljava/lang/annotation/RetentionPolicy;
  #17 = Utf8               RUNTIME
  #18 = Utf8               com/huige/MyAnnotation
  #19 = Utf8               java/lang/Object
  #20 = Utf8               java/lang/annotation/Annotation
{
  public abstract int set();
    descriptor: ()I
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_ABSTRACT
    AnnotationDefault:
      default_value: I#7}
SourceFile: "MyAnnotation.java"
RuntimeVisibleAnnotations:
  0: #11(#12=[e#13.#14])
  1: #15(#12=e#16.#17)

从上面的字节码可以看出
（1）MyAnnotation继承了Annotation的接口
（2）虚拟机规范定义了一系列和注解相关的属性表，也就是说，无论是字段、方法或是类本身，如果被注解修饰了，就可以被写进字节码文件。属性表有以下几种：

RuntimeVisibleAnnotations：记录所有运行时可见的Annotation
RuntimeInVisibleAnnotations：记录所有运行时不可见的注解RuntimeVisibleParameterAnnotations：记录所有运行时可见的方法参数注解
RuntimeInVisibleParameterAnnotations：记录所有运行时不可见的方法参数注解
AnnotationDefault：注解类元素的默认值

所以字节码倒数第三行采用RuntimeVisibleAnnotations来保存Target跟Retention注解，这两个都是运行时驻留的

RuntimeVisibleAnnotations:
  0: #11(#12=[e#13.#14])  //Ljava/lang/annotation/Target;
  1: #15(#12=e#16.#17)   //Ljava/lang/annotation/Retention;

顺便看看RuntimeVisibleAnnotations属性表都有哪些字段

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