深入浅出理解Java注解

1 Java注解简介

Java 注解（Annotation）是 JDK5.0 引入的一种注释机制。Java 语言中的类、方法、变量、参数和包等都可以被注解。和 Javadoc 不同，Java 注解可以通过反射获取标注内容。在编译器生成类文件时，注解可以被嵌入到字节码中。Java 虚拟机可以保留注解内容，在运行时可以获取到注解内容，也支持自定义 Java 注解。简单来说，可以将java注解理解为标签。

2 注解的用法

2.1 注解的定义

注解通过 @interface 关键字进行定义。

public @interface TestAnnotation {
}

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 TestAnnotaion 的注解。你可以简单理解为创建了一张名字为 TestAnnotation 的标签。

2.2 注解的应用

上面创建了一个注解，那么注解的的使用方法是什么呢。

@TestAnnotation
public class Test {
}

创建一个类 Test，然后在类定义的地方加上 @TestAnnotation 就可以用 TestAnnotation 注解这个类了。可以简单理解为将 TestAnnotation 这张标签贴到 Test 这个类上面。不过，要想注解能够正常工作，还需要介绍一下一个新的概念那就是元注解。

2.3 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。简单来说，元注解也是一张标签，但是它是一张特殊的标签，它的作用和目的就是给其他普通的标签进行解释说明的。元标签有 @Retention、@Documented、@Target、@Inherited、@Repeatable 5 种。

2.3.1 @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 注解只在源码阶段保留，在编译器进行编译时它将被丢弃忽视。
RetentionPolicy.CLASS 注解只被保留到编译进行的时候，它并不会被加载到 JVM 中。
RetentionPolicy.RUNTIME 注解可以保留到程序运行的时候，它会被加载进入到 JVM 中，所以在程序运行时可以获取到它们。

我们可以这样的方式来加深理解，@Retention 去给一张标签解释的时候，它指定了这张标签张贴的时间。@Retention 相当于给一张标签上面盖了一张时间戳，时间戳指明了标签张贴的时间周期。

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

上面的代码中，我们指定 TestAnnotation 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。

2.3.2 @Documented

顾名思义，这个元注解和文档有关。它的作用是能够将注解中的元素包含到 Javadoc 中去。

2.3.3 @Target

Target 是目标的意思，@Target 指定了注解运用的地方。可以这样理解，当一个注解被 @Target 注解时，这个注解就被限定了运用的场景。类比到标签，原本标签是想张贴到哪个地方就到哪个地方，但是因为 @Target 的存在，它张贴的地方就非常具体了，比如只能张贴到方法上、类上、方法参数上等等。@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

2.3.4 @Inherited

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。

@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。

2.3.5 @Repeatable

Repeatable 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。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。什么是容器注解呢？就是用来存放其它注解的地方。它本身也是一个注解。我们再看看代码中的相关容器注解。

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

按照规定，它里面必须要有一个 value 的属性，属性类型是一个被 @Repeatable 注解过的注解数组，注意它是数组。 Persons 是一张总的标签，上面贴满了 Person 这种同类型但内容不一样的标签。把 Persons 给一个 SuperMan 贴上，相当于同时给他贴了程序员、产品经理、画家的标签。我们可能对于 @Person(role=”PM”) 括号里面的内容感兴趣，它其实就是给 Person 这个注解的 role 属性赋值为 PM。

2.3.6 注解的属性

注解的属性也叫做成员变量。注解只有成员变量，没有方法。注解的成员变量在注解的定义中以“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。

@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface TestAnnotation {
    int id();
    String msg();
}

上面代码定义了 TestAnnotation 这个注解中拥有 id 和 msg 两个属性。在使用的时候，我们应该给它们进行赋值。赋值的方式是在注解的括号内以 value=”” 形式，多个属性之前用，隔开。

@TestAnnotation(id=3,msg="hello annotation")
public class Test {
}

需要注意的是，在注解中定义属性时它的类型必须是 8 种基本数据类型外加类、接口、注解及它们的数组。注解中属性可以有默认值，默认值需要用 default 关键值指定。比如：

@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface TestAnnotation {
    public int id() default -1;
    public String msg() default "Hi";
}

TestAnnotation 中 id 属性默认值为 -1，msg 属性默认值为 Hi。它可以这样应用。

@TestAnnotation()
public class Test {}

因为有默认值，所以无需要再在 @TestAnnotation 后面的括号里面进行赋值了，这一步可以省略。另外，还有一种情况。如果一个注解内仅仅只有一个名字为 value 的属性时，应用这个注解时可以直接接属性值填写到括号内。

public @interface Check {
    String value();
}

上面代码中，Check 这个注解只有 value 这个属性。所以可以这样应用。

@Check("hi")
int a;

这和下面的效果是一样的

@Check(value="hi")
int a;

最后，还需要注意的一种情况是一个注解没有任何属性。比如

public @interface Perform {}

那么在应用这个注解的时候，括号都可以省略。

@Perform
public void testMethod(){}

2.4 Java 预置的注解

Java 语言本身已经提供了几个现成的注解。

2.4.1 @Deprecated

这个元素是用来标记过时的元素，想必大家在日常开发中经常碰到。编译器在编译阶段遇到这个注解时会发出提醒警告，告诉开发者正在调用一个过时的元素比如过时的方法、过时的类、过时的成员变量。

public class Hero {
    @Deprecated
    public void say(){
        System.out.println("Noting has to say!");
    }
    public void speak(){
        System.out.println("I have a dream!");
    }
}

定义了一个 Hero 类，它有两个方法 say() 和 speak() ，其中 say() 被 @Deprecated 注解。

2.4.2 @Override

提示子类要复写父类中被 @Override 修饰的方法。

2.4.3 @SuppressWarnings

阻止警告的意思。之前说过调用被 @Deprecated 注解的方法后，编译器会警告提醒，而有时候开发者会忽略这种警告，他们可以在调用的地方通过 @SuppressWarnings 达到目的。

@SuppressWarnings("deprecation")
public void test1(){
    Hero hero = new Hero();
    hero.say();
    hero.speak();
}

2.4.4 @SafeVarargs

参数安全类型注解。它的目的是提醒开发者不要用参数做一些不安全的操作，它的存在会阻止编译器产生 unchecked 这样的警告。它是在 Java 1.7 的版本中加入的。

@SafeVarargs // Not actually safe!
    static void m(List<String>... stringLists) {
    Object[] array = stringLists;
    List<Integer> tmpList = Arrays.asList(42);
    array[0] = tmpList; // Semantically invalid, but compiles without warnings
    String s = stringLists[0].get(0); // Oh no, ClassCastException at runtime!
}

上面的代码中，编译阶段不会报错，但是运行时会抛出 ClassCastException 这个异常，所以它虽然告诉开发者要妥善处理，但是开发者自己还是搞砸了。 Java 官方文档说，未来的版本会授权编译器对这种不安全的操作产生错误警告。

2.4.5 @FunctionalInterface

函数式接口注解，这个是 Java 1.8 版本引入的新特性。函数式编程很火，所以 Java 8 也及时添加了这个特性。函数式接口 (Functional Interface) 就是一个具有一个方法的普通接口。比如

@FunctionalInterface
public interface Runnable {
    /**
     * When an object implementing interface <code>Runnable</code> is used
     * to create a thread, starting the thread causes the object's
     * <code>run</code> method to be called in that separately executing
     * thread.
     * <p>
     * The general contract of the method <code>run</code> is that it may
     * take any action whatsoever.
     *
     * @see     java.lang.Thread#run()
     */
    public abstract void run();
}

我们进行线程开发中常用的 Runnable 就是一个典型的函数式接口，上面源码可以看到它就被 @FunctionalInterface 注解。可能有人会疑惑，函数式接口标记有什么用，这个原因是函数式接口可以很容易转换为 Lambda 表达式。

2.5 注解的提取

通过用标签来比作注解，前面的内容是讲解注解的用法，然后贴到哪个地方去，而现在我们要做的工作就是检阅这些标签内容。形象的比喻就是你把这些注解标签在合适的时候撕下来，然后检阅上面的内容信息。要想正确检阅注解，离不开一个手段，那就是反射。

2.5.1 注解与反射

注解通过反射获取。首先可以通过 Class 对象的 isAnnotationPresent() 方法判断它是否应用了某个注解

public boolean isAnnotationPresent(Class<? extends Annotation> annotationClass) {}

然后通过 getAnnotation() 方法来获取 Annotation 对象。

 public <A extends Annotation> A getAnnotation(Class<A> annotationClass) {}

或者是 getAnnotations() 方法。

public Annotation[] getAnnotations() {}

前一种方法返回指定类型的注解，后一种方法返回注解到这个元素上的所有注解。如果获取到的 Annotation 如果不为 null，则就可以调用它们的属性方法了。比如

@TestAnnotation()
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        boolean hasAnnotation = Test.class.isAnnotationPresent(TestAnnotation.class);
        if ( hasAnnotation ) {
            TestAnnotation testAnnotation = Test.class.getAnnotation(TestAnnotation.class);
            System.out.println("id:"+testAnnotation.id());
            System.out.println("msg:"+testAnnotation.msg());
        }
    }
}

程序的运行结果是：

id:-1
msg:

这个正是 TestAnnotation 中 id 和 msg 的默认值。上面的例子中，只是检阅出了注解在类上的注解，其实属性、方法上的注解照样是可以的。同样还是要假手于反射。

@TestAnnotation(msg="hello")
public class Test {
    @Check(value="hi")
    int a;
    @Perform
    public void testMethod(){}
    @SuppressWarnings("deprecation")
    public void test1(){
        Hero hero = new Hero();
        hero.say();
        hero.speak();
    }
    public static void main(String[] args) {
        boolean hasAnnotation = Test.class.isAnnotationPresent(TestAnnotation.class);
        if ( hasAnnotation ) {
            TestAnnotation testAnnotation = Test.class.getAnnotation(TestAnnotation.class);
            //获取类的注解
            System.out.println("id:"+testAnnotation.id());
            System.out.println("msg:"+testAnnotation.msg());
        }
        try {
            Field a = Test.class.getDeclaredField("a");
            a.setAccessible(true);
            //获取一个成员变量上的注解
            Check check = a.getAnnotation(Check.class);
            if ( check != null ) {
                System.out.println("check value:"+check.value());
            }
            Method testMethod = Test.class.getDeclaredMethod("testMethod");
            if ( testMethod != null ) {
                // 获取方法中的注解
                Annotation[] ans = testMethod.getAnnotations();
                for( int i = 0;i < ans.length;i++) {
                    System.out.println("method testMethod annotation:"+ans[i].annotationType().getSimpleName());
                }
            }
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
            System.out.println(e.getMessage());
        } catch (SecurityException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
            System.out.println(e.getMessage());
        } catch (NoSuchMethodException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }
}

它们的结果如下：

id:-1
msg:hello
check value:hi
method testMethod annotation:Perform

需要注意的是，如果一个注解要在运行时被成功提取，那么 @Retention(RetentionPolicy.RUNTIME) 是必须的。

2.6 注解的使用场景

注解是一系列元数据，它提供数据用来解释程序代码，但是注解并非是所解释的代码本身的一部分。注解对于代码的运行效果没有直接影响。

注解有许多用处，主要如下：

提供信息给编译器：编译器可以利用注解来探测错误和警告信息

编译阶段时的处理：软件工具可以用来利用注解信息来生成代码、Html文档或者做其它相应处理。

运行时的处理：某些注解可以在程序运行的时候接受代码的提取值得注意的是，注解不是代码本身的一部分。

如果难于理解，可以这样看，标签只是某些人对于其他事物的评价，但是标签不会改变事物本身，标签只是特定人群的手段。所以，注解同样无法改变代码本身，注解只是某些工具的的工具。还是回到官方文档的解释上，注解主要针对的是编译器和其它工具软件(SoftWare tool)。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)。

现在，我们可以给自己答案了，注解有什么用？给谁用？给编译器或者 APT 用的。

3 自定义注解

写一个测试框架，测试程序员的代码有无明显的异常。

—— 程序员 A : 我写了一个类，它的名字叫做 NoBug，因为它所有的方法都没有错误。 —— 我：自信是好事，不过为了防止意外，让我测试一下如何？ —— 程序员 A: 怎么测试？ —— 我：把你写的代码的方法都加上 @Jiecha 这个注解就好了。 —— 程序员 A: 好的。

package ceshi;
import ceshi.Jiecha;
public class NoBug {
    @Jiecha
    public void suanShu(){
        System.out.println("1234567890");
    }
    @Jiecha
    public void jiafa(){
        System.out.println("1+1="+1+1);
    }
    @Jiecha
    public void jiefa(){
        System.out.println("1-1="+(1-1));
    }
    @Jiecha
    public void chengfa(){
        System.out.println("3 x 5="+ 3*5);
    }
    @Jiecha
    public void chufa(){
        System.out.println("6 / 0="+ 6 / 0);
    }
    public void ziwojieshao(){
        System.out.println("我写的程序没有 bug!");
    }
}

上面的代码，有些方法上面运用了 @Jiecha 注解。这个注解是我写的测试软件框架中定义的注解。

package ceshi;
import java.lang.annotation.Retention;
import java.lang.annotation.RetentionPolicy;
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface Jiecha {
}

然后，我再编写一个测试类 TestTool 就可以测试 NoBug 相应的方法了。

package ceshi;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;
public class TestTool {
    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        NoBug testobj = new NoBug();
        Class clazz = testobj.getClass();
        Method[] method = clazz.getDeclaredMethods();
        //用来记录测试产生的 log 信息
        StringBuilder log = new StringBuilder();
        // 记录异常的次数
        int errornum = 0;
        for ( Method m: method ) {
            // 只有被 @Jiecha 标注过的方法才进行测试
            if ( m.isAnnotationPresent( Jiecha.class )) {
                try {
                    m.setAccessible(true);
                    m.invoke(testobj, null);
                } catch (Exception e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    //e.printStackTrace();
                    errornum++;
                    log.append(m.getName());
                    log.append(" ");
                    log.append("has error:");
                    log.append("\n\r  caused by ");
                    //记录测试过程中，发生的异常的名称
                    log.append(e.getCause().getClass().getSimpleName());
                    log.append("\n\r");
                    //记录测试过程中，发生的异常的具体信息
                    log.append(e.getCause().getMessage());
                    log.append("\n\r");
                } 
            }
        }
        log.append(clazz.getSimpleName());
        log.append(" has  ");
        log.append(errornum);
        log.append(" error.");
        // 生成测试报告
        System.out.println(log.toString());
    }
}

测试的结果是：

1234567890
1+1=11
1-1=0
3 x 5=15
chufa has error:
  caused by ArithmeticException
/ by zero
NoBug has  1 error.

提示 NoBug 类中的 chufa() 这个方法有异常，这个异常名称叫做 ArithmeticException，原因是运算过程中进行了除 0 的操作。所以，NoBug 这个类有 Bug。这样，通过注解我完成了我自己的目的，那就是对别人的代码进行测试。

4 总结

如果注解难于理解，你就把它类同于标签，标签为了解释事物，注解为了解释代码。
注解的基本语法，创建如同接口，但是多了个 @ 符号。
注解的元注解。
注解的属性。
注解主要给编译器及工具类型的软件用的。
注解的提取需要借助于 Java 的反射技术，反射比较慢，所以注解使用时也需要谨慎计较时间成本。