Kotlin编译器插件开发入门指南

一、Kotlin编译器插件简介

Kotlin编译器插件允许开发者扩展Kotlin编译器的功能。这意味着我们可以在编译期执行自定义逻辑，例如生成额外的代码、对现有的代码进行检查和修改等。通过编译器插件，我们能够以一种非侵入式的方式为Kotlin项目添加特定领域的功能。

编译器插件可以在多个层面发挥作用，比如在词法分析、语法分析、语义分析以及代码生成等阶段介入。这为我们定制Kotlin编译流程提供了极大的灵活性。

二、开发环境准备

1. JDK安装 确保你的开发环境中安装了Java Development Kit（JDK）。推荐使用JDK 8及以上版本，因为Kotlin编译器及相关工具对其有更好的支持。你可以从Oracle官网或者OpenJDK官网下载并安装合适的JDK版本。

2. Gradle或Maven配置 Kotlin编译器插件项目可以使用Gradle或Maven进行构建。这里以Gradle为例： 在build.gradle.kts文件中添加如下依赖：

plugins {
    kotlin("jvm") version "1.7.20"
}

dependencies {
    implementation(kotlin("compiler-embeddable"))
    implementation(kotlin("compiler-plugin-api"))
}

如果使用Maven，则在pom.xml文件中添加：

<dependencies>
    <dependency>
        <groupId>org.jetbrains.kotlin</groupId>
        <artifactId>kotlin-compiler-embeddable</artifactId>
        <version>1.7.20</version>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.jetbrains.kotlin</groupId>
        <artifactId>kotlin-compiler-plugin-api</artifactId>
        <version>1.7.20</version>
    </dependency>
</dependencies>

3. IDE设置 如果你使用IntelliJ IDEA，它对Kotlin开发有很好的支持。确保你安装了最新版本的Kotlin插件。对于编译器插件开发，IDEA能够帮助你进行代码导航、语法检查以及调试等操作。

三、Kotlin编译器插件的基本结构

1. 插件入口类 Kotlin编译器插件需要一个入口类，该类继承自org.jetbrains.kotlin.compiler.plugin.CompilerPluginRegistrar。在这个类中，我们注册编译器插件的各个组件。例如：

package com.example.plugin

import org.jetbrains.kotlin.compiler.plugin.CompilerPluginRegistrar
import org.jetbrains.kotlin.compiler.plugin.ExperimentalCompilerApi
import org.jetbrains.kotlin.config.CompilerConfiguration
import org.jetbrains.kotlin.descriptors.ModuleDescriptor
import org.jetbrains.kotlin.resolve.CompilerSubphase

@ExperimentalCompilerApi
class MyPluginRegistrar : CompilerPluginRegistrar {
    override fun registerProjectComponents(
        module: ModuleDescriptor,
        configuration: CompilerConfiguration
    ) {
        // 注册项目级别的组件
    }

    override fun extensionPointsExtension(
        configuration: CompilerConfiguration
    ) {
        // 扩展编译器的扩展点
    }

    override fun registerSubphases(
        module: ModuleDescriptor,
        configuration: CompilerConfiguration,
        phase: CompilerSubphase
    ) {
        // 注册编译器子阶段
    }
}

2. 插件配置文件 在resources/META-INF/kotlinx/目录下创建一个名为compiler-plugins的文件夹，然后在该文件夹中创建一个文件，文件名就是你的插件ID，例如my - plugin.id。在这个文件中，写入插件入口类的全限定名，即com.example.plugin.MyPluginRegistrar。

四、在编译器不同阶段介入

1. 词法分析阶段 词法分析是编译器将输入的源程序转换为一个个单词序列的过程。虽然直接在Kotlin编译器中扩展词法分析器相对复杂，但我们可以通过一些间接的方式影响词法分析。例如，我们可以通过自定义注释处理器，在注释中定义一些特殊的标记，然后在后续的语法分析或语义分析阶段进行处理。

2. 语法分析阶段 语法分析是将词法分析生成的单词序列构建成抽象语法树（AST）的过程。我们可以通过注册自定义的KtVisitor来遍历和修改AST。

import org.jetbrains.kotlin.psi.KtElement
import org.jetbrains.kotlin.psi.KtFile
import org.jetbrains.kotlin.psi.KtVisitorVoid

class MyAstVisitor : KtVisitorVoid() {
    override fun visitFile(file: KtFile) {
        // 处理文件节点
        super.visitFile(file)
    }

    override fun visitElement(element: KtElement) {
        // 处理通用元素节点
        super.visitElement(element)
    }
}

在registerSubphases方法中注册这个Visitor：

override fun registerSubphases(
    module: ModuleDescriptor,
    configuration: CompilerConfiguration,
    phase: CompilerSubphase
) {
    phase.after(CompilerSubphase.RESOLVE).task("My AST processing") {
        val files = module.getFiles()
        files.forEach { file ->
            file.accept(MyAstVisitor())
        }
    }
}

3. 语义分析阶段 语义分析主要检查程序的语义正确性，例如类型检查、作用域检查等。我们可以通过注册自定义的DeclarationProcessor来参与语义分析。

import org.jetbrains.kotlin.descriptors.DeclarationDescriptor
import org.jetbrains.kotlin.resolve.scopes.DescriptorKindFilter
import org.jetbrains.kotlin.resolve.scopes.MemberScope
import org.jetbrains.kotlin.resolve.scopes.processDeclarations
import org.jetbrains.kotlin.types.KotlinType

class MyDeclarationProcessor : MemberScope {
    private val delegate: MemberScope

    constructor(delegate: MemberScope) {
        this.delegate = delegate
    }

    override fun getContributedDescriptors(
        kindFilter: DescriptorKindFilter,
        nameFilter: (String) -> Boolean
    ): Collection<DeclarationDescriptor> {
        return delegate.getContributedDescriptors(kindFilter, nameFilter)
    }

    override fun processDeclarations(
        consumer: (DeclarationDescriptor) -> Unit,
        kindFilter: DescriptorKindFilter,
        nameFilter: (String) -> Boolean,
        kotlinType: KotlinType?
    ) {
        delegate.processDeclarations(consumer, kindFilter, nameFilter, kotlinType)
        // 自定义语义分析逻辑
    }
}

在registerProjectComponents方法中注册这个处理器：

override fun registerProjectComponents(
    module: ModuleDescriptor,
    configuration: CompilerConfiguration
) {
    val scope = module.builtIns.getModuleDescriptor().unsubstitutedMemberScope
    module.builtIns.getModuleDescriptor().unsubstitutedMemberScope = MyDeclarationProcessor(scope)
}

4. 代码生成阶段 代码生成是将经过语义分析的AST转换为目标机器可执行代码的过程。我们可以通过注册自定义的CodegenFactory来生成额外的代码。

import org.jetbrains.kotlin.codegen.CodegenFactory
import org.jetbrains.kotlin.codegen.CodegenContext
import org.jetbrains.kotlin.codegen.FunctionCodegen
import org.jetbrains.kotlin.codegen.state.GenerationState
import org.jetbrains.kotlin.descriptors.FunctionDescriptor
import org.jetbrains.kotlin.psi.KtFunction

class MyCodegenFactory : CodegenFactory {
    private val delegate: CodegenFactory

    constructor(delegate: CodegenFactory) {
        this.delegate = delegate
    }

    override fun createFunctionCodegen(
        function: KtFunction,
        descriptor: FunctionDescriptor,
        context: CodegenContext
    ): FunctionCodegen {
        val functionCodegen = delegate.createFunctionCodegen(function, descriptor, context)
        // 自定义代码生成逻辑
        return functionCodegen
    }
}

在registerProjectComponents方法中注册这个工厂：

override fun registerProjectComponents(
    module: ModuleDescriptor,
    configuration: CompilerConfiguration
) {
    val factory = GenerationState.getModuleCodegen(module).codegenFactory
    GenerationState.getModuleCodegen(module).codegenFactory = MyCodegenFactory(factory)
}

五、自定义注解处理器

1. 定义注解 首先，我们需要定义一个自定义注解，用于标记需要在编译期处理的元素。

package com.example.plugin

import kotlin.annotation.AnnotationTarget.CLASS
import kotlin.annotation.AnnotationTarget.FUNCTION
import kotlin.annotation.AnnotationTarget.PROPERTY
import kotlin.annotation.Retention
import kotlin.annotation.RetentionPolicy.SOURCE

@Retention(SOURCE)
@Target(CLASS, FUNCTION, PROPERTY)
annotation class MyAnnotation

2. 处理注解 在语义分析阶段，我们可以处理这个注解。例如，检查标记了该注解的函数是否符合特定的命名规则。

class MyAnnotationProcessor : MemberScope {
    private val delegate: MemberScope

    constructor(delegate: MemberScope) {
        this.delegate = delegate
    }

    override fun processDeclarations(
        consumer: (DeclarationDescriptor) -> Unit,
        kindFilter: DescriptorKindFilter,
        nameFilter: (String) -> Boolean,
        kotlinType: KotlinType?
    ) {
        delegate.processDeclarations(consumer, kindFilter, nameFilter, kotlinType)
        consumer.filter { it.annotations.hasAnnotation(MyAnnotation::class) }.forEach {
            if (it is FunctionDescriptor) {
                val functionName = it.name.asString()
                if (!functionName.startsWith("process")) {
                    // 抛出错误
                }
            }
        }
    }
}

在registerProjectComponents方法中注册这个处理器：

override fun registerProjectComponents(
    module: ModuleDescriptor,
    configuration: CompilerConfiguration
) {
    val scope = module.builtIns.getModuleDescriptor().unsubstitutedMemberScope
    module.builtIns.getModuleDescriptor().unsubstitutedMemberScope = MyAnnotationProcessor(scope)
}

六、生成额外代码

1. 生成类 在代码生成阶段，我们可以生成额外的类。例如，为标记了特定注解的类生成一个辅助类。

class MyCodegenFactory : CodegenFactory {
    private val delegate: CodegenFactory

    constructor(delegate: CodegenFactory) {
        this.delegate = delegate
    }

    override fun endFile(file: KtFile, context: CodegenContext) {
        super.endFile(file, context)
        val psiClasses = file.declarations.filterIsInstance<KtClass>()
       .filter { it.annotations.hasAnnotation(MyAnnotation::class) }
        psiClasses.forEach { ktClass ->
            val className = ktClass.nameAsSafeName.asString()
            val packageName = file.packageFqName.asString()
            val newClassName = "$className" + "Helper"
            val newClassCode = """
                package $packageName

                class $newClassName {
                    // 辅助类的逻辑
                }
            """.trimIndent()
            context.state.bindingContext.put(
                SourceElementFactory.KOTLIN_FILE,
                newClassCode.toSourceElement(file),
                SourceElementFactory.createFileLocation(file, newClassName)
            )
        }
    }
}

2. 生成函数 类似地，我们也可以为标记了注解的函数生成额外的辅助函数。

class MyFunctionCodegenFactory : FunctionCodegenFactory {
    private val delegate: FunctionCodegenFactory

    constructor(delegate: FunctionCodegenFactory) {
        this.delegate = delegate
    }

    override fun createFunctionCodegen(
        function: KtFunction,
        descriptor: FunctionDescriptor,
        context: CodegenContext
    ): FunctionCodegen {
        val functionCodegen = delegate.createFunctionCodegen(function, descriptor, context)
        if (descriptor.annotations.hasAnnotation(MyAnnotation::class)) {
            val functionName = descriptor.name.asString()
            val newFunctionName = "$functionName" + "Helper"
            val newFunctionCode = """
                fun $newFunctionName() {
                    // 辅助函数的逻辑
                }
            """.trimIndent()
            context.state.bindingContext.put(
                SourceElementFactory.KOTLIN_FILE,
                newFunctionCode.toSourceElement(function),
                SourceElementFactory.createFileLocation(function, newFunctionName)
            )
        }
        return functionCodegen
    }
}

七、发布和使用Kotlin编译器插件

1. 打包插件 将编译器插件项目打包成一个JAR文件。对于Gradle项目，使用./gradlew jar命令，生成的JAR文件位于build/libs目录下。

2. 在项目中使用插件 在需要使用该插件的Kotlin项目中，在build.gradle.kts文件中添加插件依赖：

plugins {
    id("org.jetbrains.kotlin.jvm") version "1.7.20"
}

buildscript {
    repositories {
        mavenCentral()
    }
    dependencies {
        classpath("com.example:my - plugin:1.0.0")
    }
}

apply(plugin = "com.example.my - plugin")

然后就可以在项目中使用插件提供的功能，例如标记自定义注解等。

通过以上步骤，你已经初步掌握了Kotlin编译器插件的开发。在实际应用中，你可以根据具体需求进一步扩展和优化插件功能，为Kotlin项目带来更多定制化的编译期处理能力。同时，不断关注Kotlin编译器的更新和新特性，以便更好地利用编译器插件开发出更强大的功能。例如，随着Kotlin新的语法结构和语义特性的引入，我们可以适时调整插件逻辑，使其能够适配并利用这些新特性，为项目提供更高效、更准确的编译期处理。在处理复杂项目时，还需要注意插件的性能问题，避免在编译期引入过多的性能开销。可以通过优化算法、减少不必要的遍历和处理等方式来提升插件的执行效率。此外，对于插件的兼容性测试也非常重要，要确保插件在不同版本的Kotlin编译器以及不同的项目结构下都能正常工作。