Dart Macros（宏编程）提案：编译期代码生成对 JSON 序列化的革命 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

Dart Macros：编译期代码生成对 JSON 序列化的革命

各位听众，大家好。今天我们来探讨一个激动人心的话题：Dart Macros，以及它如何彻底改变 JSON 序列化的方式。

JSON 序列化和反序列化是现代应用程序开发中不可或缺的一部分。我们经常需要在 Dart 对象和 JSON 字符串之间进行转换，以便通过网络传输数据或将其存储到文件中。然而，手动编写这些转换代码既繁琐又容易出错。现有的解决方案，如 json_serializable 和 built_value，虽然提供了代码生成的能力，但它们依赖于注解处理器，这使得编译过程相对缓慢，并且在某些情况下可能会影响开发体验。

Dart Macros 旨在解决这些问题，它提供了一种更强大、更灵活且更高效的编译期代码生成机制。通过 Macros，我们可以编写能够在编译时动态生成代码的元程序，从而极大地简化 JSON 序列化的过程，并提高应用程序的性能和可维护性。

什么是 Dart Macros？

Dart Macros 是一种编译期元编程工具，它允许开发者在编译时检查和修改程序的抽象语法树（AST）。简而言之，Macros 允许我们编写代码来生成代码。

与基于注解处理器的代码生成器不同，Macros 直接集成到 Dart 编译器中，这意味着它们可以更深入地访问程序的结构，并进行更复杂的代码转换。这使得 Macros 能够实现更强大的功能，并提供更好的性能。

Macros 的核心概念

理解 Dart Macros 的关键在于了解其核心概念：

Macro Declarations (宏声明): 定义了宏的行为，指定了宏的作用目标（例如类、字段、函数），以及宏在编译时执行的代码。
Targets (目标): 指的是宏所应用的代码元素，例如类、字段、函数等。
Phases (阶段): 宏的执行分为不同的阶段，例如 beforeTypes、types、afterTypes。这允许宏在编译的不同阶段访问和修改代码。
Context (上下文): 宏在执行时可以访问的上下文信息，例如类型信息、声明信息等。
Code Generation (代码生成): 宏可以使用提供的 API 来生成新的 Dart 代码，例如创建类、字段、函数等。

JSON 序列化面临的挑战

在深入探讨 Macros 如何解决 JSON 序列化问题之前，让我们先回顾一下当前方法所面临的挑战：

样板代码: 手动编写 toJson() 和 fromJson() 方法非常繁琐，特别是对于具有大量字段的类。
类型安全: 手动序列化容易出错，可能导致类型转换错误或数据丢失。
性能: 基于反射的序列化库通常性能较差。
编译时错误检测: 依赖运行时反射的解决方案无法在编译时检测到错误。
可维护性: 大量的序列化代码会降低代码的可读性和可维护性。
构建时间: 基于注解处理器的代码生成器会增加构建时间。

使用 Macros 实现 JSON 序列化

Macros 提供了一种优雅的解决方案来克服这些挑战。我们可以编写一个 Macro，自动为类生成 toJson() 和 fromJson() 方法。

以下是一个使用 Macros 实现 JSON 序列化的示例：

import 'package:macro/macro.dart';

macro
class JsonSerializable {
  const JsonSerializable();
}

macro
class JsonField {
  const JsonField();
}

// 这是我们的宏定义
macro class GenerateJson {
  const GenerateJson();

  buildClass(ClassDeclaration clazz, ClassBuilder builder) {
    final fields = clazz.fields.where((field) => field.hasAnnotation(JsonField));

    // 生成 toJson 方法
    builder.methods.add(
      MethodDeclaration(
        name: 'toJson',
        returnType: TypeAnnotation(name: 'Map<String, dynamic>'),
        body: Block(
          statements: [
            Code('final json = <String, dynamic>{};'),
            for (final field in fields)
              Code('json['${field.name}'] = ${field.name};'),
            Code('return json;'),
          ],
        ),
      ),
    );

    // 生成 fromJson 方法
    builder.methods.add(
      MethodDeclaration(
        name: 'fromJson',
        isStatic: true,
        parameters: [
          ParameterDeclaration(
            name: 'json',
            type: TypeAnnotation(name: 'Map<String, dynamic>'),
          ),
        ],
        returnType: TypeAnnotation(name: clazz.name),
        body: Block(
          statements: [
            Code('return ${clazz.name}('),
            for (final field in fields)
              Code('${field.name}: json['${field.name}'] as ${field.type},'),
            Code(');'),
          ],
        ),
      ),
    );
  }
}

// 使用宏
@GenerateJson()
@JsonSerializable()
class Person {
  @JsonField()
  final String name;
  @JsonField()
  final int age;

  Person({required this.name, required this.age});
}

void main() {
  final person = Person(name: 'Alice', age: 30);
  final json = person.toJson();
  print(json); // 输出: {name: Alice, age: 30}

  final person2 = Person.fromJson(json);
  print(person2.name); // 输出: Alice
  print(person2.age); // 输出: 30
}

在这个例子中，我们定义了两个注解 @JsonSerializable 和 @JsonField，以及一个宏 @GenerateJson。 @JsonSerializable 注解用于标记需要进行 JSON 序列化的类， @JsonField 注解用于标记需要序列化的字段。 @GenerateJson 宏负责生成 toJson() 和 fromJson() 方法。

代码解释：

@JsonSerializable 和 @JsonField: 这些注解只是标记，用于告诉宏哪些类和字段需要处理。
GenerateJson 宏:
- buildClass 方法是宏的核心，它在编译时被调用，并接收 ClassDeclaration 和 ClassBuilder 对象作为参数。
- ClassDeclaration 包含了类的所有信息，例如类名、字段、方法等。
- ClassBuilder 允许我们修改类的结构，例如添加新的方法。
- 宏首先找到所有带有 @JsonField 注解的字段。
- 然后，它使用 ClassBuilder 添加 toJson() 和 fromJson() 方法。
- toJson() 方法将类的字段转换为 JSON 格式的 Map。
- fromJson() 方法从 JSON 格式的 Map 创建类的实例。
Person 类:
- @GenerateJson() 注解告诉编译器使用 GenerateJson 宏处理 Person 类。
- @JsonSerializable() 注解标记该类为可序列化。
- @JsonField() 注解标记 name 和 age 字段需要序列化。

Macros 的优势

使用 Macros 进行 JSON 序列化具有以下优势：

简洁的代码: 无需手动编写 toJson() 和 fromJson() 方法。
类型安全: 宏可以生成类型安全的序列化代码，减少运行时错误。
性能: 编译期代码生成避免了运行时反射，提高了性能。
编译时错误检测: 宏可以在编译时检测到类型错误或其他问题。
可维护性: 自动生成的代码减少了手动编写的代码量，提高了代码的可读性和可维护性。
更快的构建时间: 与注解处理器相比，Macros 通常具有更快的构建速度。
更强的定制性: Macros 可以进行更复杂的代码转换，以满足特定的需求。

与其他代码生成方法的比较

特性	Dart Macros	Annotation Processors (例如 `json_serializable`)	运行时反射
执行时间	编译时	编译时	运行时
性能	高	中	低
类型安全	高	高	较低
错误检测	编译时	编译时	运行时
灵活性	高	中	低
构建时间	快	较慢	无影响（但运行时性能受影响）
代码复杂性	宏定义本身可能复杂，但使用起来非常简洁	需要额外的构建步骤和依赖	简单易用，但类型安全和性能较差
集成难度	深度集成到编译器中，需要 Dart 语言支持	需要使用 build runner	无需特殊集成

更复杂的示例：处理嵌套对象和集合

上面的例子只是一个简单的演示。Macros 还可以处理更复杂的情况，例如嵌套对象和集合。

// 假设我们有另一个类 Address
@GenerateJson()
@JsonSerializable()
class Address {
  @JsonField()
  final String street;
  @JsonField()
  final String city;

  Address({required this.street, required this.city});
}

// 修改 Person 类以包含 Address
@GenerateJson()
@JsonSerializable()
class Person {
  @JsonField()
  final String name;
  @JsonField()
  final int age;
  @JsonField()
  final Address address; // 添加 Address 字段

  Person({required this.name, required this.age, required this.address});
}

// 我们需要修改宏以处理嵌套对象
macro class GenerateJson {
  const GenerateJson();

  buildClass(ClassDeclaration clazz, ClassBuilder builder) {
    final fields = clazz.fields.where((field) => field.hasAnnotation(JsonField));

    // 生成 toJson 方法
    builder.methods.add(
      MethodDeclaration(
        name: 'toJson',
        returnType: TypeAnnotation(name: 'Map<String, dynamic>'),
        body: Block(
          statements: [
            Code('final json = <String, dynamic>{};'),
            for (final field in fields) {
              // 处理嵌套对象
              if (field.type.name == 'Address') {
                Code('json['${field.name}'] = ${field.name}.toJson();');
              } else {
                Code('json['${field.name}'] = ${field.name};');
              }
            },
            Code('return json;'),
          ],
        ),
      ),
    );

    // 生成 fromJson 方法
    builder.methods.add(
      MethodDeclaration(
        name: 'fromJson',
        isStatic: true,
        parameters: [
          ParameterDeclaration(
            name: 'json',
            type: TypeAnnotation(name: 'Map<String, dynamic>'),
          ),
        ],
        returnType: TypeAnnotation(name: clazz.name),
        body: Block(
          statements: [
            Code('return ${clazz.name}('),
            for (final field in fields) {
              // 处理嵌套对象
              if (field.type.name == 'Address') {
                Code('${field.name}: Address.fromJson(json['${field.name}'] as Map<String, dynamic>),');
              } else {
                Code('${field.name}: json['${field.name}'] as ${field.type},');
              }
            },
            Code(');'),
          ],
        ),
      ),
    );
  }
}

void main() {
  final address = Address(street: 'Main Street', city: 'Anytown');
  final person = Person(name: 'Alice', age: 30, address: address);
  final json = person.toJson();
  print(json); // 输出: {name: Alice, age: 30, address: {street: Main Street, city: Anytown}}

  final person2 = Person.fromJson(json);
  print(person2.address.street); // 输出: Main Street
}

在这个例子中，我们添加了一个 Address 类，并在 Person 类中添加了一个 address 字段。为了处理嵌套对象，我们需要修改宏，以便在 toJson() 方法中调用 address.toJson()，并在 fromJson() 方法中调用 Address.fromJson()。

集合的处理

对于集合（例如 List 或 Set），我们需要迭代集合中的每个元素，并将其转换为 JSON 格式。

// 假设 Person 类有一个 friends 列表
@GenerateJson()
@JsonSerializable()
class Person {
  @JsonField()
  final String name;
  @JsonField()
  final int age;
  @JsonField()
  final List<String> friends; // 添加 friends 列表

  Person({required this.name, required this.age, required this.friends});
}

// 修改宏以处理列表
macro class GenerateJson {
  const GenerateJson();

  buildClass(ClassDeclaration clazz, ClassBuilder builder) {
    final fields = clazz.fields.where((field) => field.hasAnnotation(JsonField));

    // 生成 toJson 方法
    builder.methods.add(
      MethodDeclaration(
        name: 'toJson',
        returnType: TypeAnnotation(name: 'Map<String, dynamic>'),
        body: Block(
          statements: [
            Code('final json = <String, dynamic>{};'),
            for (final field in fields) {
              // 处理列表
              if (field.type.name == 'List<String>') {
                Code('json['${field.name}'] = ${field.name};');
              }
              else {
                Code('json['${field.name}'] = ${field.name};');
              }
            },
            Code('return json;'),
          ],
        ),
      ),
    );

    // 生成 fromJson 方法
    builder.methods.add(
      MethodDeclaration(
        name: 'fromJson',
        isStatic: true,
        parameters: [
          ParameterDeclaration(
            name: 'json',
            type: TypeAnnotation(name: 'Map<String, dynamic>'),
          ),
        ],
        returnType: TypeAnnotation(name: clazz.name),
        body: Block(
          statements: [
            Code('return ${clazz.name}('),
            for (final field in fields) {
             // 处理列表
              if (field.type.name == 'List<String>') {
                Code('${field.name}: (json['${field.name}'] as List).cast<String>(),');
              }
              else {
                Code('${field.name}: json['${field.name}'] as ${field.type},');
              }
            },
            Code(');'),
          ],
        ),
      ),
    );
  }
}

void main() {
  final person = Person(name: 'Alice', age: 30, friends: ['Bob', 'Charlie']);
  final json = person.toJson();
  print(json); // 输出: {name: Alice, age: 30, friends: [Bob, Charlie]}

  final person2 = Person.fromJson(json);
  print(person2.friends); // 输出: [Bob, Charlie]
}

在这个例子中，我们添加了一个 friends 列表到 Person 类。为了处理列表，我们修改了宏，以便在 toJson() 方法中直接赋值，并在 fromJson() 方法中使用 cast<String>() 方法将列表转换为 List<String> 类型。

Macros 的局限性

虽然 Macros 具有强大的功能，但也存在一些局限性：

学习曲线: 学习 Macros 需要一定的元编程知识。
调试难度: 调试 Macros 可能会比较困难，因为它们在编译时执行。
API 稳定性: Macros API 可能会在 Dart 的未来版本中发生变化。
过度使用: 过度使用 Macros 可能会导致代码难以理解和维护。

Macros 的未来

Dart Macros 是一项令人兴奋的技术，它具有彻底改变 Dart 开发方式的潜力。随着 Dart 语言的不断发展，我们可以期待 Macros 在未来发挥更大的作用。

总结

Dart Macros 提供了一种强大的编译期代码生成机制，可以极大地简化 JSON 序列化的过程，并提高应用程序的性能和可维护性。通过 Macros，我们可以编写简洁、类型安全且高性能的序列化代码，从而减少样板代码，并提高开发效率。Macros 的出现标志着 Dart 语言在元编程方面迈出了重要一步。

Dart Macros：编译期代码生成对 JSON 序列化的革命

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