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@nannany

Item 39: Prefer annotations to naming patterns

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39. 命名パターンよりアノテーションを選ぶべし

ツールやフレームワークが、命名パターンに応じて扱いを変えることが過去よくあった。例えば、バージョン4より前のJUnitでは、テストメソッドの名前は、testが先頭にくるようにせねばならない。この方法にはいくつか欠点がある。

タイポをしてしまった場合には、暗黙のうちに失敗してしまう。例えば、testSafetyOverrideの代わりにtsetSafetyOverrideと打ってしまったとすると、JUnit3では、失敗とならないが、テストは実行されない。

また、命名パターンが適切なプログラムの要素にのみ使用されているか保証するすべがない。
他にも、引数の値とプログラム要素を紐づける良い方法がないことが欠点である。

アノテーションによってこれらの欠点は解消されている（JUnit4からはアノテーションが導入されている）。この章では、簡単なテスティングフレームワークを作って、どのようにアノテーションが動作するかを見ていく。
まず、自動で動き、エラーが送出されたら失敗とするアノテーションを見ていく。

/**
 * Indicates that the annotated method is a test method.
 * Use only on parameterless static methods.
 */
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.METHOD)
public @interface Test {
}

Testアノテーションの定義において、@Retention と@Target が付与されているが、これらはメタアノテーションと呼ばれる。
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME) は、Testアノテーションは実行時に保持されるということを示している。
@Target(ElementType.METHOD) は、Testアノテーションはメソッド宣言においてのみ有効（フィールドやクラスに適用できない）であるということを示している。
Testアノテーションの宣言のコメントに、「Use only on parameterless static methods」とあるが、これはアノテーションプロセッサーを書かない限りはコンパイラでは検知できない。さらに知りたい場合にはjavax.annotation.processing のドキュメントを見るべし。
以下にTestアノテーションが実際どのように使われるのかを示した。

// Program containing marker annotations
public class Sample {
    @Test public static void m1() { }  // Test should pass
    public static void m2() { }
    @Test public static void m3() {     // Test should fail
        throw new RuntimeException("Boom");
    }
    public static void m4() { }
    @Test public void m5() { } // INVALID USE: nonstatic method
    public static void m6() { }
    @Test public static void m7() {    // Test should fail
        throw new RuntimeException("Crash");
    }
    public static void m8() { }
}

Testアノテーションは、引数がなく、単に要素にマークを付けるだけであるので、マーカーアノテーションと呼ばれる。もし、Testのタイポをしたり、Testアノテーションをメソッド宣言以外に使用したら、コンパイルエラーが発生する。
Sample クラスのうち、m1は成功、m3、m7は失敗、m5はstaticなメソッドでないので不正、そのほか4つのメソッドはTestアノテーションが付与されていないので、テスティングフレームワークからは無視される。
TestアノテーションはSampleクラスのsemanticsに直接影響を与えず、Testアノテーションを利用するプログラムにのみ情報を与える。
つまり、アノテーションは付与されたコードのsemanticsには影響を与えず、以下のサンプルテストランナーのようなツールの処理に影響を与える。

package tryAny.effectiveJava;

//Program to process marker annotations
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;

public class RunTests {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        int tests = 0;
        int passed = 0;
        Class<?> testClass = Class.forName(args[0]);
        for (Method m : testClass.getDeclaredMethods()) {
            if (m.isAnnotationPresent(Test.class)) {
                tests++;
                try {
                    m.invoke(null);
                    passed++;
                } catch (InvocationTargetException wrappedExc) {
                    Throwable exc = wrappedExc.getCause();
                    System.out.println(m + " failed: " + exc);
                } catch (Exception exc) {
                    System.out.println("Invalid @Test: " + m);
                }
            }
        }
        System.out.printf("Passed: %d, Failed: %d%n", passed, tests - passed);
    }

}

テストランナーツールはFQDNを引数に取り、Method.invoke の呼び出しでTestアノテーションが付与されたメソッドを実行する。testメソッドが例外を投げた場合、リフレクションファシリティがその例外をラップして、InvocationTargetException を投げる。本ツールではこの例外をキャッチして、原因となる例外をgetCauseメソッドで得ている。
2番目のcatch節ではTestアノテーションの不正使用による例外を捕捉し、適切なメッセージをプリントアウトしている。Sample クラスをテストツールにかけた時のアウトプットは以下のよう。

public static void tryAny.effectiveJava.Sample.m3() failed: java.lang.RuntimeException: Boom
Invalid @Test: public void tryAny.effectiveJava.Sample.m5()
public static void tryAny.effectiveJava.Sample.m7() failed: java.lang.RuntimeException: Crash
Passed: 1, Failed: 3

ここで、特定の例外がスローされた場合には成功とする新しいアノテーションを作成してみる。

package tryAny.effectiveJava;

//Annotation type with a parameter
import java.lang.annotation.ElementType;
import java.lang.annotation.Retention;
import java.lang.annotation.RetentionPolicy;
import java.lang.annotation.Target;

/**
 *  * Indicates that the annotated method is a test method that  * must throw
 * the designated exception to succeed.  
 */

@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.METHOD)
public @interface ExceptionTest {
    Class<? extends Throwable> value();
}

このアノテーションの引数にはClass<? extends Throwable>という境界付き型トークン（Item33）が用いられており、Throwableを継承したクラスが引数に取れる、ということを意味する。以下が使用の具体例となる。

package tryAny.effectiveJava;

//Program containing annotations with a parameter
public class Sample2 {
    @ExceptionTest(ArithmeticException.class)
    public static void m1() { // Test should pass
        int i = 0;

        i = i / i;
    }

    @ExceptionTest(ArithmeticException.class)
    public static void m2() { // Should fail (wrong exception)
        int[] a = new int[0];
        int i = a[1];
    }

    @ExceptionTest(ArithmeticException.class)
    public static void m3() {
    } // Should fail (no exception)
}

また、テストランナーツールをこれに合わせて、以下のように改修する。

package tryAny.effectiveJava;

//Program to process marker annotations
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;

public class RunTests {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        int tests = 0;
        int passed = 0;
        Class<?> testClass = Class.forName(args[0]);
        for (Method m : testClass.getDeclaredMethods()) {
            if (m.isAnnotationPresent(Test.class)) {
                tests++;
                try {
                    m.invoke(null);
                    passed++;
                } catch (InvocationTargetException wrappedExc) {
                    Throwable exc = wrappedExc.getCause();
                    System.out.println(m + " failed: " + exc);
                } catch (Exception exc) {
                    System.out.println("Invalid @Test: " + m);
                }
            }

            if (m.isAnnotationPresent(ExceptionTest.class)) {
                tests++;
                try {
                    m.invoke(null);
                    System.out.printf("Test %s failed: no exception%n", m);
                } catch (InvocationTargetException wrappedEx) {
                    Throwable exc = wrappedEx.getCause();
                    Class<? extends Throwable> excType = m.getAnnotation(ExceptionTest.class).value();
                    if (excType.isInstance(exc)) {
                        passed++;
                    } else {
                        System.out.printf("Test %s failed: expected %s, got %s%n", m, excType.getName(), exc);
                    }
                } catch (Exception exc) {
                    System.out.println("Invalid @Test: " + m);
                }
            }

        }

        System.out.printf("Passed: %d, Failed: %d%n", passed, tests - passed);
    }

}

このコードではExceptionTestアノテーションの引数を抽出し、発生した例外がその型と同じかをチェックしている。
テストプログラムがコンパイルされるということは、アノテーションの引数として指定された例外の型が有効なものであると示している。ただし、コンパイル時にはあった特定の例外の型が実行時にはない場合、テストランナーはTypeNotPresentExceptionをスローする。

この例外テストのコードをさらに改良し、指定した複数の例外のうちのいずれかがスローされるかをテストできるようにする。
この改良は容易に行うことができて、ExceptionTestの引数の型を配列にすればよい。

// Annotation type with an array parameter
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.METHOD)
public @interface ExceptionTest {
    Class<? extends Exception>[] value();
}

これでExceptionTestアノテーションには1つの引数でも複数の引数でも取れるようになる。
複数例外を記述する場合は以下のようになる。

// Code containing an annotation with an array parameter
@ExceptionTest({ IndexOutOfBoundsException.class,
                 NullPointerException.class })
public static void doublyBad() {
    List<String> list = new ArrayList<>();
 // The spec permits this method to throw either
    // IndexOutOfBoundsException or NullPointerException
    list.addAll(5, null);
}

ExceptionTest を新しくしたことによって、テストランナーツールは以下のようになる。

package tryAny.effectiveJava;

//Program to process marker annotations
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;

public class RunTests {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        int tests = 0;
        int passed = 0;
        Class<?> testClass = Class.forName(args[0]);
        for (Method m : testClass.getDeclaredMethods()) {
            if (m.isAnnotationPresent(Test.class)) {
                tests++;
                try {
                    m.invoke(null);
                    passed++;
                } catch (InvocationTargetException wrappedExc) {
                    Throwable exc = wrappedExc.getCause();
                    System.out.println(m + " failed: " + exc);
                } catch (Exception exc) {
                    System.out.println("Invalid @Test: " + m);
                }
            }

            if (m.isAnnotationPresent(ExceptionTest.class)) {
                tests++;
                try {
                    m.invoke(null);
                    System.out.printf("Test %s failed: no exception%n", m);
                } catch (InvocationTargetException wrappedEx) {
                    Throwable exc = wrappedEx.getCause();
                    int oldPasses = passed;
                    Class<? extends Throwable>[] excTypes = m.getAnnotation(ExceptionTest.class).value();
                    for (Class<? extends Throwable> excType : excTypes) {
                        if (excType.isInstance(exc)) {
                            passed++;
                            break;
                        }
                    }
                    if (passed == oldPasses) {
                        System.out.printf("Test %s failed: %s%n", m, exc);
                    }
                } catch (Exception exc) {
                    System.out.println("Invalid @Test: " + m);
                }
            }

        }

        System.out.printf("Passed: %d, Failed: %d%n", passed, tests - passed);
    }

}

Java8では、複数の引数をとるアノテーションを別の方法で実現できる。アノテーションを配列引数で宣言する代わりに、@Repeatableメタアノテーションを使って、一つの要素に対して複数回アノテーション付与ができるようにする。
この@Repeatableメタアノテーションは、1つの引数をとる。その引数は、containing anotation typeと呼ばれる1つの配列を引数に持つクラスオブジェクトである。
以下が例となる。

package tryAny.effectiveJava;

//Annotation type with a parameter
import java.lang.annotation.ElementType;
import java.lang.annotation.Repeatable;
import java.lang.annotation.Retention;
import java.lang.annotation.RetentionPolicy;
import java.lang.annotation.Target;

/**
 *  * Indicates that the annotated method is a test method that  * must throw
 * the designated exception to succeed.  
 */

// Repeatable annotation type
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.METHOD)
@Repeatable(ExceptionTestContainer.class)
public @interface ExceptionTest {
    Class<? extends Exception> value();

}

package tryAny.effectiveJava;

import java.lang.annotation.ElementType;
import java.lang.annotation.Retention;
import java.lang.annotation.RetentionPolicy;
import java.lang.annotation.Target;

@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.METHOD)
public @interface ExceptionTestContainer {
    ExceptionTest[] value();
}

アノテーションの付与の仕方は以下のよう。

// Code containing a repeated annotation
@ExceptionTest(IndexOutOfBoundsException.class)
@ExceptionTest(NullPointerException.class)
public static void doublyBad() { ... }

@Repeatable を処理する際には注意が必要である。繰り返し使用されるアノテーションは、それを格納するアノテーションと組み合わせて作成される。
getAnnotationsByType メソッドはこのことを隠ぺいし、繰り返し使用されるアノテーションとそうではないアノテーションの場合の両方にアクセスが可能である。一方で、isAnnotationsPresent メソッドは繰り返し使用されるアノテーションに対して、それを格納するアノテーションであると判断してしまう。つまり、繰り返し使用されているアノテーションの型をisAnnotationsPresent メソッドで、その繰り返し使用されている型であると判断することはできないということだ。
繰り返し使用されるアノテーションと、そうでないアノテーションのどちらも検知するためには、格納しているアノテーションと要素のアノテーションどちらもチェックする必要がある。
以下がアノテーション繰り返し使用に耐えうるよう書き直したものとなる。

// Processing repeatable annotations
if (m.isAnnotationPresent(ExceptionTest.class) || m.isAnnotationPresent(ExceptionTestContainer.class)) {
    tests++;
    try {
        m.invoke(null);
        System.out.printf("Test %s failed: no exception%n", m);
    } catch (Throwable wrappedExc) {
        Throwable exc = wrappedExc.getCause();
        int oldPassed = passed;
        ExceptionTest[] excTests = m.getAnnotationsByType(ExceptionTest.class);
        for (ExceptionTest excTest : excTests) {
            if (excTest.value().isInstance(exc)) {
                passed++;
                break;
            }
        }
        if (passed == oldPassed)
            System.out.printf("Test %s failed: %s %n", m, exc);
    }
}

@Repeatable の使用が可読性を高めると感じるのであれば使うべきであるが、これを使用した場合には繰り返し使用したアノテーションの処理が煩雑になることを覚えておくべきである。

本章のテスティングフレームワークは簡単なものであるが、アノテーション使用のネーミングパターンに対する優位性を示した。

たいていのプログラマは自身でアノテーションを定義することはない。Java標準のアノテーションやIDEやツールが提供してくれるアノテーションを使うべきである。

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