Java中的屠龙之术——如何修改语法树

在Lombok经常用，但是你知道它的原理是什么吗？，和Lombok经常用，但是你知道它的原理是什么吗？(二)两篇文章中介绍了关于Lombok的底层原理，其实总结为一句话来说就是在编译期通过改变抽象语法树而实现的。上面两篇文章已经讲了抽象语法树的相关知识点，如果有不清楚的可以看一下。

本篇涉及到的所有代码都在github上面有

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在网上关于如何修改Java的抽象语法树的相关API文档并不多，于是本篇记录一下相关的知识点，以便随后查阅。

JCTree的介绍

JCTree是语法树元素的基类，包含一个重要的字段pos，该字段用于指明当前语法树节点（JCTree）在语法树中的位置，因此我们不能直接用new关键字来创建语法树节点，即使创建了也没有意义。此外，结合访问者模式，将数据结构与数据的处理进行解耦，部分源码如下：

public abstract class JCTree implements Tree, Cloneable, DiagnosticPosition { public int pos = -1; ... public abstract void accept(JCTree.Visitor visitor); ... } 

我们可以看到JCTree是一个抽象类，这里重点介绍几个JCTree的子类

1. JCStatement：声明语法树节点，常见的子类如下
   • JCBlock：语句块语法树节点
   • JCReturn：return语句语法树节点
   • JCClassDecl：类定义语法树节点
   • JCVariableDecl：字段/变量定义语法树节点
2. JCMethodDecl：方法定义语法树节点
3. JCModifiers：访问标志语法树节点
4. JCExpression：表达式语法树节点，常见的子类如下
   • JCAssign：赋值语句语法树节点
   • JCIdent：标识符语法树节点，可以是变量，类型，关键字等等

TreeMaker介绍

TreeMaker用于创建一系列的语法树节点，我们上面说了创建JCTree不能直接使用new关键字来创建，所以Java为我们提供了一个工具，就是TreeMaker，它会在创建时为我们创建的JCTree对象设置pos字段，所以必须使用上下文相关的TreeMaker对象来创建语法树节点。

具体的API介绍可以参照，TreeMakerAPI，接下来着重介绍一下常用的几个方法。

TreeMaker.Modifiers

TreeMaker.Modifiers方法用于创建访问标志语法树节点（JCModifiers），源码如下

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：访问标志
2. annotations：注解列表

其中flags可以使用枚举类com.sun.tools.javac.code.Flags来表示，例如我们可以这样用，就生成了下面的访问标志了。

treeMaker.Modifiers(Flags.PUBLIC + Flags.STATIC + Flags.FINAL); public static final 

TreeMaker.ClassDef

TreeMaker.ClassDef用于创建类定义语法树节点（JCClassDecl）,源码如下：

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：访问标志，可以通过TreeMaker.Modifiers来创建
2. name：类名
3. typarams：泛型参数列表
4. extending：父类
5. implementing：实现的接口
6. defs：类定义的详细语句，包括字段、方法的定义等等

TreeMaker.MethodDef

TreeMaker.MethodDef用于创建方法定义语法树节点（JCMethodDecl），源码如下

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：访问标志
2. name：方法名
3. restype：返回类型
4. typarams：泛型参数列表
5. params：参数列表
6. thrown：异常声明列表
7. body：方法体
8. defaultValue：默认方法（可能是interface中的哪个default）
9. m：方法符号
10. mtype：方法类型。包含多种类型，泛型参数类型、方法参数类型、异常参数类型、返回参数类型。

返回类型restype填写null或者treeMaker.TypeIdent(TypeTag.VOID)都代表返回void类型

TreeMaker.VarDef

TreeMaker.VarDef用于创建字段/变量定义语法树节点（JCVariableDecl），源码如下

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：访问标志
2. name：参数名称
3. vartype：类型
4. init：初始化语句
5. v：变量符号

TreeMaker.Ident

TreeMaker.Ident用于创建标识符语法树节点（JCIdent），源码如下

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用于创建return语句（JCReturn），源码如下

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

TreeMaker.Select

TreeMaker.Select用于创建域访问/方法访问（这里的方法访问只是取到名字，方法的调用需要用TreeMaker.Apply）语法树节点（JCFieldAccess），源码如下

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：.运算符左边的表达式
2. selector：.运算符右边的表达式

下面给出一个例子，一语句生成的Java语句就是二语句

一. TreeMaker.Select(treeMaker.Ident(names.fromString("this")), names.fromString("name")); 二. this.name 

TreeMaker.NewClass

TreeMaker.NewClass用于创建new语句语法树节点（JCNewClass）,源码如下：

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：不太明白此参数的含义，我看很多例子中此参数都设置为null
2. typeargs：参数类型列表
3. clazz：待创建对象的类型
4. args：参数列表
5. def：类定义

TreeMaker.Apply

TreeMaker.Apply用于创建方法调用语法树节点（JCMethodInvocation），源码如下：

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：参数类型列表
2. fn：调用语句
3. args：参数列表

TreeMaker.Assign

TreeMaker.Assign用户创建赋值语句语法树节点（JCAssign），源码如下：

ublic JCAssign Assign(JCExpression lhs, JCExpression rhs) { JCAssign tree = new JCAssign(lhs, rhs); tree.pos = pos; return tree; } 

1. lhs：赋值语句左边表达式
2. rhs：赋值语句右边表达式

TreeMaker.Exec

TreeMaker.Exec用于创建可执行语句语法树节点（JCExpressionStatement），源码如下：

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

TreeMaker.Apply以及TreeMaker.Assign就需要外面包一层TreeMaker.Exec来获得一个JCExpressionStatement

TreeMaker.Block

TreeMaker.Block用于创建组合语句的语法树节点（JCBlock），源码如下：

public JCBlock Block(long flags, List<JCStatement> stats) { JCBlock tree = new JCBlock(flags, stats); tree.pos = pos; return tree; } 

1. flags：访问标志
2. stats：语句列表

com.sun.tools.javac.util.List介绍

在我们操作抽象语法树的时候，有时会涉及到关于List的操作，但是这个List不是我们经常使用的java.util.List而是com.sun.tools.javac.util.List，这个List比较奇怪，是一个链式的结构，有头结点和尾节点，但是只有尾节点是一个List，这里作为了解就行了。

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使用起来不方便，所以又在其上面封装了一层，这个封装类是ListBuffer，此类的操作和我们平时经常使用的java.util.List用法非常类似。

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介绍

这个是为我们创建名称的一个工具类，无论是类、方法、参数的名称都需要通过此类来创建。它里面经常被使用到的一个方法就是fromString()，一般使用方法如下所示。

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

实战演练

上面我们大概了解了如何操作抽象语法树，接下来我们就来写几个真实的案例加深理解。

变量相关

在类中我们经常操作的参数就是变量，那么如何使用抽象语法树的特性为我们操作变量呢？接下来我们就将一些对于变量的一些操作。

生成变量

例如生成private String age;这样一个变量，借用我们上面讲的VarDef方法

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

对变量赋值

例如我们想生成private String name = "BuXueWuShu"，还是利用VarDef 方法

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

两个字面量相加

例如我们生成String add = "a" + "b";，借用我们上面讲的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")))) 

+=语法

例如我们想生成add += "test"，则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"))) 

++语法

例如想生成++i

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

方法相关

我们对于变量进行了操作，那么基本上都是要生成方法的，那么如何对方法进行生成和操作呢？我们接下来演示一下关于方法相关的操作方法。

无参无返回值

我们可以利用上面讲到的MethodDef方法进行生成

/* 无参无返回值的方法生成 public void test(){ } */ // 定义方法体 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()), // 返回类型 com.sun.tools.javac.util.List.nil(), com.sun.tools.javac.util.List.nil(), com.sun.tools.javac.util.List.nil(), testBody, // 方法体 null ); 

有参无返回值

我们可以利用上面讲到的MethodDef方法进行生成

/* 无参无返回值的方法生成 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()); // 生成入参 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()), // 返回类型 com.sun.tools.javac.util.List.nil(), parameters, // 入参 com.sun.tools.javac.util.List.nil(), testBody2, null ); 

有参有返回值

 /* 有参有返回值 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()); // 生成入参 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")), // 返回类型 com.sun.tools.javac.util.List.nil(), parameters3, // 入参 com.sun.tools.javac.util.List.nil(), testBody3, null ); 

特殊的

我们学完了如何进行定义参数，如何进行定义方法，其实还有好多语句需要学习，例如如何生成new语句，如何生成方法调用的语句，如何生成if语句。j接下来我们就学习一些比较特殊的语法。

new一个对象

// 创建一个new语句 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 ); 

方法调用（无参）

JCTree.JCExpressionStatement exec = treeMaker.Exec( treeMaker.Apply( com.sun.tools.javac.util.List.nil(), treeMaker.Select( treeMaker.Ident(names.fromString("combatJCTreeMain")), // . 左边的内容 names.fromString("test") // . 右边的内容 ), com.sun.tools.javac.util.List.nil() ) ); 

方法调用（有参）

// 创建一个方法调用 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")), // . 左边的内容 names.fromString("test2") // . 右边的内容 ), com.sun.tools.javac.util.List.of(treeMaker.Literal("hello world!")) // 方法中的内容 ) ); 

if语句

/* 创建一个if语句 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"), // . 左边的内容 names.fromString("equals") // . 右边的内容 ), 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语句里面的判断语句 exec3, // 条件成立的语句 exec1 // 条件不成立的语句 ); 

源码地址

总结

纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。希望大家看完此篇文章能够自己在本机上自己试验一下。自己设置几个参数，自己学的Lombok学着生成一下get、set方法，虽然本篇知识在日常开发中基本上不会用到，但是万一用到了这些知识那么别人不会而你会，差距其实就慢慢的给拉开了。本篇涉及到的所有代码都在github上面有，拉下来以后全局搜CombatJCTreeProcessor类就可以看到了。