聊一聊 C#中有趣的 SourceGenerator生成器

2024年10月2日
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一：背景

1. 讲故事

前些天在看 AOT的时候关注了下 源生成器，挺有意思的一个东西，今天写一篇文章简单的分享下。

二：源生成器探究之旅

1. 源生成器是什么

简单来说，源生成器是Roslyn编译器给程序员开的一道口子，在这个口子里可以塞入一些自定义的cs代码，让Roslyn编译器在编译代码的时候顺带给一起处理了，简单的说就是 夹带私货 ，但古话又说 师不顺路, 医不叩门，所以还是比较尴尬的，看一下官方给的图，图中的橙色区域就是夹带的私货。

有些朋友肯定好奇，这玩意有什么用？其实在AOT领域中，JsonSerializer 就使用了 SourceGeneration 来给序列化的类型(WeatherForecast)生成元数据，参考代码如下：


[JsonSourceGenerationOptions(WriteIndented = true)]
[JsonSerializable(typeof(WeatherForecast))]
internal partial class SourceGenerationContext : JsonSerializerContext
{
}

2. 一个简单的例子

上面的例子不过多深入，先看看怎么实现0到1的问题，这里使用官方例子，用钩子来实现 分布方法 的方法体。

  1. 新建 SourceGenerator 类库项目

这里面的source就是钩子代码，不过目前只能是.NET Standard 2.0项目，应该是要达到最大的兼容性，参考代码如下：


namespace SourceGenerator
{
    [Generator]
    public class HelloSourceGenerator : ISourceGenerator
    {
        public void Execute(GeneratorExecutionContext context)
        {
            // Find the main method
            var mainMethod = context.Compilation.GetEntryPoint(context.CancellationToken);

            // Build up the source code
            string source = $@"
                                // <auto-generated/>
                                   using System;
                                   
                                   namespace {mainMethod.ContainingNamespace.ToDisplayString()}
                                   {{
                                       public static partial class {mainMethod.ContainingType.Name}
                                       {{
                                           static partial void HelloFrom(string name) =>
                                               Console.WriteLine($""Generator says: Hi from '{{name}}'"");
                                       }}
                                   }}
                              ";
            var typeName = mainMethod.ContainingType.Name;

            // Add the source code to the compilation
            context.AddSource($"{typeName}.g.cs", source);
        }

        public void Initialize(GeneratorInitializationContext context)
        {
            // No initialization required for this one
        }
    }
}
  1. 新建 Example_21_15 项目

这是一个控制台程序，引用刚才的项目，并声明部分方法 HelloFrom，参考代码如下：


namespace Example_21_15
{
    partial class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            HelloFrom("Generated Code");
            Console.ReadLine();
        }

        static partial void HelloFrom(string name);
    }
}

要记住在 Example_21_15.csproj 中 Include 时要额外增加两个参数，参考如下：


	<ItemGroup>
		<ProjectReference Include="..\SourceGenerator\SourceGenerator.csproj"
						  OutputItemType="Analyzer" ReferenceOutputAssembly="false" />
	</ItemGroup>

配置好之后就可以把程序跑起来了，可以看到方法体确实是钩子中的代码。

二：Roslyn如何夹带私货

1. windbg调试

究竟是如何夹带私货，本质上是 Roslyn 内部的逻辑，现在的问题是如何给他挖出来了呢？这就需要使用强大的 windbg，采用exe启动劫持的方式洞察，流程步骤如下：

  1. windbg 的exe劫持

资深的 WinDbg 玩家我相信都知道这个招数，我写了一个简单的 bat 脚本，对 dotnet.exe 进行启动拦截，要提醒的是有安全软件的话可以先卸载掉，以免出现无权限的问题。


SET ApplicationName=dotnet.exe
SET WinDbgPath=C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Debuggers\x64\windbg.exe

REG ADD "HKEY_LOCAL_MACHINE\SOFTWARE\Microsoft\Windows NT\CurrentVersion\Image File Execution Options\%ApplicationName%" /v debugger  /t REG_SZ  /d "%WinDbgPath%" /f

ECHO 已成功设置
 
PAUSE

  1. 修改狗子代码

最简单粗暴的方式就是加 Debugger.Break，好让他在 windbg 中自动中断。


public class HelloSourceGenerator : ISourceGenerator
{
    public void Execute(GeneratorExecutionContext context)
    {
        Debugger.Break();

        //...
    }
}
  1. 使用 dotnet publish 发布程序

所有的埋伏做好之后，最后就是用 dotnet publish 来引诱 Roslyn 出洞，参考命令如下 dotnet publish -r win-x64 -c Debug -o D:\testdump， 命令执行之后果然给拦截到了，截图如下：

由于调用栈难得，再弄一份文字版。


0:029> !clrstack
OS Thread Id: 0x443c (29)
        Child SP               IP Call Site
00000068E603DD18 00007ffe0135d962 [HelperMethodFrame: 00000068e603dd18] System.Diagnostics.Debugger.BreakInternal()
00000068E603DE20 00007ffd6dd357da System.Diagnostics.Debugger.Break() [/_/src/coreclr/System.Private.CoreLib/src/System/Diagnostics/Debugger.cs @ 18]
00000068E603DE50 00007ffd13920522 SourceGenerator.HelloSourceGenerator.Execute(Microsoft.CodeAnalysis.GeneratorExecutionContext)
00000068E603DF10 00007ffd6a4ad4ac Microsoft.CodeAnalysis.SourceGeneratorAdaptor.b__5_5(Microsoft.CodeAnalysis.SourceProductionContext, GeneratorContextBuilder) [/_/src/Compilers/Core/Portable/SourceGeneration/GeneratorAdaptor.cs @ 55]
00000068E603E020 00007ffd6a5bfdd8 Microsoft.CodeAnalysis.UserFunctionExtensions+c__DisplayClass3_0`2[[Microsoft.CodeAnalysis.SourceProductionContext, Microsoft.CodeAnalysis],[System.__Canon, System.Private.CoreLib]].b__0(Microsoft.CodeAnalysis.SourceProductionContext, System.__Canon, System.Threading.CancellationToken) [/_/src/Compilers/Core/Portable/SourceGeneration/UserFunction.cs @ 101]
00000068E603E070 00007ffd6a624e9c Microsoft.CodeAnalysis.SourceOutputNode`1[[System.__Canon, System.Private.CoreLib]].UpdateStateTable(Builder, Microsoft.CodeAnalysis.NodeStateTable`1,System.Collections.Generic.IEnumerable`1>>, System.Threading.CancellationToken) [/_/src/Compilers/Core/Portable/SourceGeneration/Nodes/SourceOutputNode.cs @ 70]
00000068E603E2B0 00007ffd13fd1ed8 Microsoft.CodeAnalysis.DriverStateTable+Builder.GetLatestStateTableForNode[[System.ValueTuple`2[[System.__Canon, System.Private.CoreLib],[System.__Canon, System.Private.CoreLib]], System.Private.CoreLib]](Microsoft.CodeAnalysis.IIncrementalGeneratorNode`1>) [/_/src/Compilers/Core/Portable/SourceGeneration/Nodes/DriverStateTable.cs @ 60]
00000068E603E320 00007ffd6a625349 Microsoft.CodeAnalysis.SourceOutputNode`1[[System.__Canon, System.Private.CoreLib]].AppendOutputs(Microsoft.CodeAnalysis.IncrementalExecutionContext, System.Threading.CancellationToken) [/_/src/Compilers/Core/Portable/SourceGeneration/Nodes/SourceOutputNode.cs @ 102]
00000068E603E460 00007ffd6a4b0837 Microsoft.CodeAnalysis.GeneratorDriver.UpdateOutputs(System.Collections.Immutable.ImmutableArray`1, Microsoft.CodeAnalysis.IncrementalGeneratorOutputKind, Builder, System.Threading.CancellationToken, Builder) [/_/src/Compilers/Core/Portable/SourceGeneration/GeneratorDriver.cs @ 340]
00000068E603E520 00007ffd6a4afc9b Microsoft.CodeAnalysis.GeneratorDriver.RunGeneratorsCore(Microsoft.CodeAnalysis.Compilation, Microsoft.CodeAnalysis.DiagnosticBag, System.Threading.CancellationToken) [/_/src/Compilers/Core/Portable/SourceGeneration/GeneratorDriver.cs @ 303]
00000068E603ECB0 00007ffd6a4adfc1 Microsoft.CodeAnalysis.GeneratorDriver.RunGeneratorsAndUpdateCompilation(Microsoft.CodeAnalysis.Compilation, Microsoft.CodeAnalysis.Compilation ByRef, System.Collections.Immutable.ImmutableArray`1 ByRef, System.Threading.CancellationToken) [/_/src/Compilers/Core/Portable/SourceGeneration/GeneratorDriver.cs @ 54]
00000068E603EE50 00007ffd6a468763 Microsoft.CodeAnalysis.CommonCompiler.RunGenerators(Microsoft.CodeAnalysis.Compilation, System.String, Microsoft.CodeAnalysis.ParseOptions, System.Collections.Immutable.ImmutableArray`1, Microsoft.CodeAnalysis.Diagnostics.AnalyzerConfigOptionsProvider, System.Collections.Immutable.ImmutableArray`1, Microsoft.CodeAnalysis.DiagnosticBag) [/_/src/Compilers/Core/Portable/CommandLine/CommonCompiler.cs @ 838]
00000068E603EF20 00007ffd6a469520 Microsoft.CodeAnalysis.CommonCompiler.CompileAndEmit(Microsoft.CodeAnalysis.TouchedFileLogger, Microsoft.CodeAnalysis.Compilation ByRef, System.Collections.Immutable.ImmutableArray`1, System.Collections.Immutable.ImmutableArray`1, System.Collections.Immutable.ImmutableArray`1, Microsoft.CodeAnalysis.AnalyzerConfigSet, System.Collections.Immutable.ImmutableArray`1, System.Collections.Immutable.ImmutableArray`1, Microsoft.CodeAnalysis.DiagnosticBag, Microsoft.CodeAnalysis.ErrorLogger, System.Threading.CancellationToken, System.Threading.CancellationTokenSource ByRef, Microsoft.CodeAnalysis.Diagnostics.AnalyzerDriver ByRef, System.Nullable`1 ByRef) [/_/src/Compilers/Core/Portable/CommandLine/CommonCompiler.cs @ 1145]
00000068E603F280 00007ffd6a468c52 Microsoft.CodeAnalysis.CommonCompiler.RunCore(System.IO.TextWriter, Microsoft.CodeAnalysis.ErrorLogger, System.Threading.CancellationToken) [/_/src/Compilers/Core/Portable/CommandLine/CommonCompiler.cs @ 956]
00000068E603F450 00007ffd6a4684b6 Microsoft.CodeAnalysis.CommonCompiler.Run(System.IO.TextWriter, System.Threading.CancellationToken) [/_/src/Compilers/Core/Portable/CommandLine/CommonCompiler.cs @ 781]
00000068E603F4C0 00007ffd6aaf9def Microsoft.CodeAnalysis.CompilerServer.CompilerServerHost.RunCompilation(Microsoft.CodeAnalysis.CompilerServer.RunRequest ByRef, System.Threading.CancellationToken) [/_/src/Compilers/Server/VBCSCompiler/CompilerRequestHandler.cs @ 152]
00000068E603F5E0 00007ffd6aaff745 Microsoft.CodeAnalysis.CompilerServer.ClientConnectionHandler+c__DisplayClass8_0.b__1() [/_/src/Compilers/Server/VBCSCompiler/ClientConnectionHandler.cs @ 168]
00000068E603F640 00007ffd6de7b78f System.Threading.Tasks.Task`1[[System.__Canon, System.Private.CoreLib]].InnerInvoke() [/_/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/Tasks/Future.cs @ 501]
00000068E603F680 00007ffd6dc364bd System.Threading.ExecutionContext.RunInternal(System.Threading.ExecutionContext, System.Threading.ContextCallback, System.Object) [/_/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/ExecutionContext.cs @ 179]
00000068E603F6F0 00007ffd6dc50914 System.Threading.Tasks.Task.ExecuteWithThreadLocal(System.Threading.Tasks.Task ByRef, System.Threading.Thread) [/_/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/Tasks/Task.cs @ 2345]
00000068E603F9C0 00007ffd72d1c663 [DebuggerU2MCatchHandlerFrame: 00000068e603f9c0]

最后一个问题就是如果找到这个调用栈上的源码，当然是在 github 上找啦： https://github.com/dotnet/roslyn ，拉下来后就可以根据调用栈上的方法来分析啦，参考如下：

三：总结

在研究底层方面，windbg可谓是一把趁手的兵器，这个例子也算是活生生的论证了一把，否则真的不知道从 Roslyn 何处来论证官方给出的流程图，对吧。

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