最优雅开源项目：使用 KAPT 生成Java UML 项目类图

Java
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2023-09-09
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1. 前言

推荐一个开源项目，可以优雅的为 Java or Kotlin 项目生成类图。

本文按照下面的脑图顺时针展开，揭开这一工具的诞生过程

最优雅开源项目：使用 KAPT 生成Java UML 项目类图

2. 主要问题与方案

背景

毋庸置疑，准确的 、关键的 算法流程图，时序图，组件图，状态图，类图等， 对于产品本身的维护及发展具有很大帮助！对于研发工作者而言，高度概括流程、设计、算法等的专业工具图对工作有极大帮助。既然需要审核的文档中也需要这些内容，又对工作有帮助，何不做的好一些呢。

上文提到的各类 UML 图中， 类图 Class-Diagram 是非常特殊的, 它表述的是 类之间的关系 ，基于源码文件分析可以得出准确的结果。而 流程图 、时序图 、状态图 、 组件图 等则不行。

问题

随着行业的发展， 软件开发 也演变为 以迭代的方式，依次实现最重要的功能，持续性交付，顺其自然的，我们已经不再像几十年前的前辈们那样：代码未动，文档与UML图先行。 一般 概要设计 后，方案可行便进行编码了。

根据我的实际情况，复杂的功能一般在草稿纸上画画草图，简单的就脑子里想想，难以留下存档 在这一工作模式下，笔者也遇到了一些问题：

  • 业务迭代后或者代码改进后，文档（uml图）
  • 未及时更新手动维护耗时耗力

如果这件事情可以交给机器来做，那显然是极好的！而让机器维护类图是最容易实现的！我们需要一款工具或者插件，可以直接基于源码生成类图 （或者中间产物，例如：plant-uml文件） ，能够配合其他工具链，直接进行归档。

留有类图的好处：

  • 方便向他人介绍业务和代码
  • 项目庞大或者复杂时，更容易找到需求对应的关注点，重新维护时日久远的业务时，状态来的快
  • 图比代码亲切而且保护隐私

解决方案

众所周知，Intellij-Idea的官方插件可以分析出类图，但是 Idea 是收费软件，付费支持官方插件是一个省时省力的方案，这是个兜底方案。最终没辙时，我们再考虑它。

编码时分析

仿照官方插件的思路，基于源码文档树进行分析，在 Intellij 的支持下，基于 PSI和uast 即可分析出类之间的关系。这需要一定的PSI、uast知识基础。

编译时分析

在整个编译环节中，有一些切面应对特定问题，例如：”注解处理” 、 “Gradle Transformer” ，在此切面处，我们可以基于编译中间产物，间接分析出类之间的关系。

最简单的是 注解处理阶段 介入，这只需要对 Element 和 TypeMirror 有一定的知识基础即可。

运行时反射分析

显然这不是一个太好的切入点，直接pass。

考虑到PSI方面的知识体系掌握地不太完善，Intellij跨越大版本时，会有较大变更， 而 注解 处理方面的知识还过的了关，搞个类图生成问题不大。
PS: AndroidStudio 基于Intellij核心二次开发，PSI插件跟随Idea大版本进行适配；
所以最终方案为：从注解处理阶段入手，分析编译中间产物，最终生成类图

3. 问题分治与解决

分治1 — 简化输出产物

确定了大方向之后，我们需要再思考下整个问题的方方面面。生成类图有两大问题需要解决：

  1. 从源码、或者编译的中间产物中分析出类关系 (ps:我们已经确定了要从编译中间产物出发)
  2. 将类关系转变为图

显然，”开发一个用来生成图的引擎”，这件事情成本过大且没有必要。所幸的是，UML不是一个新生物，业内也有大名鼎鼎的Plant Uml 。

PlantUml 基于 Graphviz ， Graphviz 本身使用Dot语法描述元素与元素关系， 直接使用 Graphviz 比较朴素，PlantUml通过自定义语法，使得内容可阅读性提升，且无须关注转换图片时进行各类装饰问题

于是，我们可以将问题转化为：从编译的中间产物中分析出类关系，将关系按照PlantUml语法生成puml文件，它的内容是纯文本。

分治2 — 确定分析的起始点

如果从最终结果看，我们得到的是一个 有方向的图，那么 按照图本身的起始点出发 比较符合习惯。

也就是说，我们将在起始点所对应的类上添加注解，作为注解处理的目标起始点

例如：

Cat 和 Dog 将作为起始点。

因为只需要标记类，我们约定注解： 

 @Target( annotation Target.CLASS)
annotation class GenerateClassDiagram {}

在代码上，将表现为： 

 class Animal

@GenerateClassDiagram
class Dog : Animal()

@GenerateClassDiagram
class Cat : Animal()

在示例中，当我们处理 GenerateClassDiagram 时，可以扫描获得 Cat 以及 Dog 类对应的 javax .lang.model.element.Element 示例，下文简称 Element

几点可能存在的疑惑:

  • 为何不 “双向” 分析：继承和实现关系，双向分析会带来额外的复杂度，且在使用上规则不清晰，依赖关系难以双向分析。 但是，如果使用规则上可以做到清晰明了，这一点值得实现
  • 为何不标注在Animal上，进行反向分析： 如果高层级的类在库包中，则需要修改库包，这不利于日常管理与维护
  • 如果只标注了Cat而没有标注Dog，Dog将不会体现在图中？：是的
  • 如果全部标注了，是否产生不良影响 ：不会，但是没有必要

分治3 — 确定关系的分析方法

继承&实现

因为注解的标记对象是类 或者接口，我们理应得到 TypeElement ，基于 Element 的 访问者模式 实现，这一点并不难。

 public interface TypeElement  extends  Element, Parameterizable, QualifiedNameable {

    TypeMirror getSuperclass();

    List<? extends TypeMirror> getInterfaces();

    //其他无关代码略去
}

不言自明，我们可以通过 TypeMirror getSuperclass(); 得到继承关系，通过 List<? extends TypeMirror> getInterfaces(); 得到实现关系

注意，此处可以细分，接口和枚举仅需要分析实现关系即可，通过 Element#getKind():ElementKind 可以判断类型

依赖&关联&聚合&组合

这四个关系非常的类似但又不同，先降低复杂度，均认为是依赖关系，在后续迭代中，可以进一步增加功能，将关系细化

进一步降低复杂度，我们仅从类的属性出发，分析依赖关系，忽略掉 方法声明 (可分析)、方法体 (无法分析) 、静态块 (无法分析) 中 所包含的关系。 

 public interface TypeElement extends Element, Parameterizable, QualifiedNameable {

    List<? extends Element> getEnclosedElements();
    //无关代码略去
}

不言自明，通过这一API，配合 ElementFilter#fieldsIn(Iterable<? extends Element>):List<VariableElement> 可以得到声明的 fields；

通过Element的API可以很轻易的得到 命名 以及 修饰；

通过 Element#asType():TypeMirror API 将其转换为TypeMirror后， 基于其Visitor模式设计可以得到field的类型 DeclaredType 并通过 DeclaredType#asElement():Element API重新得到Element

分治4 — 确定分析的终点

在分治2中，我们已经确定了分析的起点 (可能有多个) ， 在分治3中，我们已经确定了关系的分析方式。为了方便表述，我们以： 

 Relation(From,End) 表述 从From 到 End 的关系

执行一轮 分治2&分治3，我们将得到一系列的 Relation(From,End)，此时我们将所有的 End 作为 新的From，不断迭代这一过程，即可完成图的遍历！

那么合适结束这一过程呢？

我们只需要维护一个集合 Sfrom，存储迭代过程中的 From ，每次得到的 End 只有满足 “不存在于Sfrom中” 这一条件时，才是 新的From，当无法获得新的From 时，迭代结束

分治5 — 分治3的补充，处理集合、数组、 泛型

按照分治3中的约定，我们将集合、数组涉及的类型，以及泛型去泛化时的类型，都认为和当前类型是 依赖关系；虽然这并不严谨

得益于 TypeMirror 的 Visitor模式 实现，我们很容易写出以下代码，获取我们关心的内容！

  private   abstract  class CastingTypeVisitor<T> constructor(private val label: String) :
    SimpleTypeVisitor<T,  Void ?>() {
    override fun defaultAction(e: TypeMirror, v: Void?): T {
        throw IllegalArgument Exception ("$e does not represent a $label")
    }
}

private class FetchClassTypeVisitor : CastingTypeVisitor<List<DeclaredType>>(label = "") {
    override fun defaultAction(e: TypeMirror, v: Void?): List<DeclaredType> {
        //ignore it
        return emptyList()
    }

    override fun visitArray(t: ArrayType, p: Void?): List<DeclaredType> {
        return t.componentType.accept(this, p)
    }

    override fun visitWildcard(t: WildcardType, p: Void?): List<DeclaredType> {
        val ret = arrayListOf<DeclaredType>()

        t.superBound?.let {
            ret.addAll(it.accept(this, p))
        }
        t.extendsBound?.let {
            ret.addAll(it.accept(this, p))
        }
        return ret
    }

    override fun visitDeclared(t: DeclaredType, p: Void?): List<DeclaredType> {
        val ret = arrayListOf(t)
        t.typeArguments?. forEach  {
            ret.addAll(it.accept(this, p))
        }
        return ret.toSet().toList()
    }

    override fun visitError(t: ErrorType, p: Void?): List<DeclaredType> {
        return visitDeclared(t, p)
    }

    override fun visitTypeVariable(t: TypeVariable, p: Void?): List<DeclaredType> {
        val ret = arrayListOf<DeclaredType>()

        t.lowerBound?.let {
            ret.addAll(it.accept(this, p))
        }
        t.upperBound?.let {
            ret.addAll(it.accept(this, p))
        }
        return ret
    }
}

fun TypeMirror.fetchDeclaredType(): List<DeclaredType> {
    return this.accept(FetchClassTypeVisitor(), null)
}

分治6 — 关系的存储

显然，我们需要一个合适的数据结构用以存储图，得益于我去年在 组件化：组件的按序初始化 方面的一些探索，当时我开发了 Maat 其中包含 组件依赖关系的有向无环图分析，其中包含 DAG 的实现。

很显然，我们将 “无环检测” 禁用，就可以直接将数据结构拿来使用了，不需要再制造轮子！

显而易见，Relation的各种情况可以和 度 建立映射关系，人为维护一个 虚拟顶点 作为遍历的起始点可以减少很多麻烦。

分治7 — 类型的细节处理

在分治3中，我们已经已经对类型 ( enum 、class、interface) 进行了很充分的分析，但还遗漏了一些细节，例如方法、修饰符等；

在分治6中，我们确定了关系存储方案，我们还需要描述图的顶点。

我们定义 UmlElement类来进行描述 

 abstract class UmlElement(val diagram: ClassDiagram?, val element: Element?) {
    /**
     * return: plant-uml 中相应的文本
     * */    abstract fun umlElement(context: MutableSet<UmlElement>): String
    
    abstract fun parseFieldAndMethod(diagram: ClassDiagram,
                                     graph: DAG<UmlElement>,
                                     cache: MutableSet<UmlElement>)
    
    abstract fun drawField(fieldDrawer: FieldDrawer, 
                           builder:  StringBuilder ,
                           context: MutableSet<UmlElement>)
    
    abstract fun drawMethod(methodDrawer: MethodDrawer,
                            builder: StringBuilder,
                            context: MutableSet<UmlElement>)
}

并实现：

  • UmlInterface：接口
  • UmlEnum： 枚举
  • UmlClass： 类
  • UmlStub：分治6中提到的虚拟顶点

定义：IElementDrawer 接口 与 IJavaxElementDrawer 接口 

 interface IElementDrawer {
    fun drawAspect(builder: StringBuilder, element: UmlElement, context: MutableSet<UmlElement>)
}

interface IJavaxElementDrawer {
    fun drawAspect(builder: StringBuilder, element: Element, context: MutableSet<UmlElement>)
}

并参考Plant-Uml的语法规则，实现了一系列的切面处理，例如：修饰符解析与输出，类型解析与输出，名称解析与输出，方法解析与输出 等

此处使用了责任链，将Element转化plantUml语法进行了链式切分，并定义了一系列的切面处理。限于篇幅不做展开，有兴趣的读者可以在文末获取源码了解更多

例如： 

 abstract class SuperClz : SealedI {
    var superI: Int =
}

其Element被处理后，将转变为如下的文本内容： 

 abstract class "SuperClz"{
  .. fields ..
  {field}-superI : int
  .. methods ..
  {method}+ getSuperI(): int
  {method}+ setSuperI(int): void
}

由PlantUml处理后形如：

分治8 — 输出为PlantUml文件

得益于我先前的一些探索，我曾开发过一款用于生成文档的注解处理器，设计中采用了SPI机制，我们可以很轻松地实现一个扩展，实现上面提到的所有内容，并且轻松地输出文本文档。

虽然在APT中输出一些文本文档是一件很简单的事情，但我决定使用以前造的轮子，毕竟它本身就是为了生成文档而开发的

至此，我们已经对整个问题的主要流程进行了推演，可以得出结论：这件事情可以成！

4. 保持优雅

上述的内容仅止于 “解决问题” ， 还不能 “出色地解决问题”。

例如：

  • 绘制多张ClassDiagram
  • 增加配置，屏蔽一些输出，例如：不想看见 private 修饰的fields
  • 包名是在是太长了，存在阅读干扰 等。

下面继续雕琢

维持简单

在继续雕琢功能的同时，我们必须兼顾 简单性 ，这一点非常重要！

一方面，我们不要过早的考虑用不着的功能，维持功能体系的简单。另一方面，功能使用要简单，方法或规则要明确。

例如在实现 “绘制多张ClassDiagram” 功能时：

  • 我最先想到的是在 GenerateClassDiagram 中添加 `qualifier:List“, 可以将被标识的类分配到不同的组别。但是它看起来并不太友好
  • 于是我产生了：将配置与标识分离的想法。定义一个注解，可以进行配置，它仅可被标识于注解。 
 @Target(AnnotationTarget.ANNOTATION_CLASS)
annotation class ClassDiagram(
    val qualifier: String = "",
    val fieldVisible: Array<Visible> = [Visible.Private, Visible.Protected, Visible.Package, Visible.Public],
    val methodVisible: Array<Visible> = [Visible.Private, Visible.Protected, Visible.Package, Visible.Public],
)

这样使用者可以自由的定义注解，例如： 

 @ClassDiagram("Demo")
annotation class DemoDiagram

这样，注解处理器需要关心的注解将变为两个：

  • ClassDiagram : 标识注解表达分组，并且包含配置
  • GenerateClassDiagram ：标识类图中的分析起始点

如此，我们使用时的规则更加清晰！注意，被GenerateClassDiagram 注解的类，必须添加分组注解，即 被DemoDiagram注解的注解 否则将被忽略

例如 

 @GenerateClassDiagram
@DemoDiagram
class Clz : SuperClz(),  Sealed I {
    val int: Int? = null
}

目前增加的功能，仅仅是在前文大流程上的细节优化，实现不再展开

结合我目前的工作使用了一段时候后，插件的功能还够用，就先不做超前的功能实现了

减少侵入

我们从上文获知，使用这一插件，需要在代码中进行侵入修改，增加注解标注。理论上而言，侵入应该最少越好！在后续功能迭代设计中，同样需要考虑这一点。

在分治3中，我们将组合、聚合等关系暂时全部认为是依赖关系。

在最初的设计中，需要使用者通过注解标识其关系，但侵入性大大提升。

过多的注解会 影响源码可读性 以及 增大侵入 ！

在我的构想中，将通过 ClassDiagram 对 依赖 、 关联 、 组合 等进行一些约定，以解决这一问题并尽可能地减少侵入。

扩展能力

目前还有一些功能尚未有优雅的解决方案，在前文已经提及。 我预留了足够多的扩展性用于装饰Plant-Uml语法文档，如果读者有处理方案，可以直接扩展后提PR。

因本文 并非 为 介绍编程技巧 或者 剖析如何提升项目的扩展能力 ，故不再展开

项目地址：

5. 使用用例

添加依赖

 implementation "io.github.leobert-lan:class-diagram-reporter:.0.0"
annotationProcessor "io.github.leobert-lan:report-anno-compiler:.1.4"
annotationProcessor "io.github.leobert-lan:class-diagram-reporter:.0.0"
 kapt {
    arguments {
        arg("module", "ktsample") //模块名称
        arg("mode", "mode_file") 
        arg("active_reporter", "on")
    }
}

自行定义注解

该注解需被 ClassDiagram 注解，其他自行配置

例如 

 @ClassDiagram(qualifier = "BridgePattern")
annotation class BridgePatternDiagram

//or

@ClassDiagram(
    qualifier = "AAAB",
    fieldVisible = {Visible.Package, Visible.Public}
)
public @interface AAAB {
}

配合 GenerateClassDiagram 注解使用

此处以桥接模式示例，一个满足桥接模式的代码实现如下： 

 class BridgePattern {

    @ClassDiagram(qualifier = "BridgePattern")
    annotation class BridgePatternDiagram

    interface MessageImplementor {
        fun send(message: String, toUser: String)
    }

    abstract class AbstractMessage(private val impl: MessageImplementor) {
        open fun sendMessage(message: String, toUser: String) {
            impl.send(message, toUser)
        }
    }

    @BridgePatternDiagram
    @GenerateClassDiagram
    class CommonMessage(impl: MessageImplementor) : AbstractMessage(impl)

    @BridgePatternDiagram
    @GenerateClassDiagram
    class UrgencyMessage(impl: MessageImplementor) : AbstractMessage(impl) {
        override fun sendMessage(message: String, toUser: String) {
            super.sendMessage("加急：$message", toUser)
        }
    }

    @BridgePatternDiagram
    @GenerateClassDiagram
    class MessageSMS : MessageImplementor {
        override fun send(message: String, toUser: String) {
            println("使用系统内短消息的方法，发送消息'$message'给$toUser")
        }
    }

    @BridgePatternDiagram
    @GenerateClassDiagram
    class MessageEmail : MessageImplementor {
        override fun send(message: String, toUser: String) {
            println("使用邮件短消息的方法，发送消息'$message'给$toUser")
        }
    }
}

编译后，我们得到的puml文件，渲染后得到：

恰好满足了plant-uml中package的语法，正常情况不会有package

我们可以注意到，关系上没有太大问题， AbstractMessage 与 MessageImplementor 之间表现为关联更加恰当。

除此之外，从阅读习惯上而言，图中的一些位置关系，还需要再调整，我们可以在后续的版本加，添加相应的配置方式。

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