.NET Core技术研究-通过Roslyn代码分析技术规范提升代码质量

随着团队越来越多,越来越大,需求更迭越来越快,每天提交的代码变更由原先的2位数,暴涨到3位数,每天几百次代码Check In,补丁提交,大量的代码审查消耗了大量的资源投入。

如何确保提交代码的质量和提测产品的质量,这两个是非常大的挑战。

工欲善其事,必先利其器。在上述需求背景下,今年我们准备用工具和技术,全面把控并提升代码质量和产品提测质量。即:

1. 代码质量提升:通过自定义代码扫描规则,将有问题的代码、不符合编码规则的代码扫描出来,禁止签入

2. 产品提测质量:通过单元测试覆盖率和执行通过率,严控产品提交质量,覆盖率和通过率达不到标准,无法提交测试。

准备用2篇文章,和大家分享我们是如何提升代码质量和产品提测质量的。今天分享第一篇:通过Roslyn代码分析全面提升代码质量。

一、什么是Roslyn

  Roslyn 是微软开源的 .NET 编译平台(.NET Compiler Platform)。  编译平台支持 C# 和 Visual Basic 代码编译,并提供丰富的代码分析 API。

  利用Roslyn可以生成代码分析器和代码修补程序,从而发现和更正编码错误。 

  分析器不仅理解代码的语法和结构,还能检测应更正的做法。 代码修补程序建议一处或多处修复,以修复分析器发现的编码错误。

  我们写下面一堆代码,Roslyn编译器会有如下提示: 

  

 通过编写分析器和代码修补程序,主要服务以下场景:  

  • 强制执行团队编码标准(Local)
  • 提供库包方面的指导约束(Nuget)
  • 提供代码分析器相关的VSIX扩展插件(Visual Studio Marketplace)

 Roslyn是如何做到代码分析的呢?这背后依赖于一套强大的语法分析和API:

 

  上图中:Language Service:语言层面的服务,可以简单理解为我们在VS中编码时,可以实现的语法高亮、查找所有引用、重命名、转到定义、格式化、抽取方法等操作

  Compiler API:编译器API,这里提供了Syntax Tree API代码语法树API,Symbol API代码符号API

  Binding and Flow Anllysis APIs绑定和流分析API(https://joshvarty.com/2015/02/05/learn-roslyn-now-part-8-data-flow-analysis/),

  Emit API编译反射发出API(https://joshvarty.com/2016/01/16/learn-roslyn-now-part-16-the-emit-api/

  这里我们详细看一下语法树、符号、语义模型、工作区:

  1. 语法树是一种由编译器 API 公开的基础数据结构。 这些树表示源代码的词法和语法结构。其包含:  

  • 语法节点:是语法树的一个主要元素。 这些节点表示声明、语句、子句和表达式等语法构造。
  • 语法标记:表示代码的最小语法片段。 语法标记包含关键字、标识符、文本和标点。
  • 琐碎内容:对正常理解代码基本上没有意义的源文本部分,例如空格、注释和预处理器指令。
  • 范围:每个节点、标记或琐碎内容在源文本内的位置和包含的字符数。
  • 种类:标识节点、标记或琐碎内容所表示的确切语法元素。
  • 错误:表示源文本中包含的语法错误。

     看一张语法树的图:

  

  2. 符号:符号表示源代码声明的不同元素,或作为元数据从程序集中导出。每个命名空间、类型、方法、属性、字段、事件、参数或局部变量都由符号表示。

  3. 语义模型:语义模型表示单个源文件的所有语义信息。 可使用语义模型查找到以下内容:   

  • 在源中特定位置引用的符号。
  • 任何表达式的结果类型。
  • 所有诊断(错误和警告)。
  • 变量流入和流出源区域的方式。
  • 更多推理问题的答案。

  4. 工作区:工作区是对整个解决方案执行代码分析和重构的起点。相关的API可以实现:

     将解决方案中项目的全部相关信息组织为单个对象模型,可让用户直接访问编译器层对象模型(如源文本、语法树、语义模型和编译),而无需分析文件、配置选项,或管理项目内依赖项。

   

  了解了Roslyn的大致情况之后,我们开始基于Roslyn做一些“不符合编程规范要求(团队自定义的)”的代码分析。

二、基于Roslyn进行代码分析

  接下来讲通过Show case的方法,通过实际的场景和大家分享。在我们编写实际的代码分析器之前,我们先把开发环境准备好  :

    使用VS2017创建一个Analyzer with Code Fix工程

    因为我本机的VS2019找了好久没找到对应的工程,这个章节,使用VS2017吧

    

    创建完成会有两个工程:

    

    其中,TeldCodeAnalyzer.Vsix工程,主要用以生成VSIX扩展文件

   TeldCodeAnalyzer工程,主要用于编写代码分析器。

    工程转换好之后,我们开始编码吧。

 1. catch 吞掉异常场景

  问题:catch吞掉异常后,线上很难排查问题,同时确定哪块代码有问题

  示例代码:

try
{
     var logService = HSFService.Proxy<ILogService>();
     logService.SendMsg(new SysActionLog());
}
catch (Exception ex)
{
                
}

  需求:当开发人员在catch吞掉异常时,给与编程提示:异常吞掉时必须上报监控或者日志

  明确了上述需要,我们开始编写Roslyn代码分析器。ExceptionCatchWithMonitorAnalyzer

  

  我们详细解读一下:

  ① ExceptionCatchWithMonitorAnalyzer必须继承抽象类DiagnosticAnalyzer

  ② 重写方法SupportedDiagnostics,注册代码扫描规则:DiagnosticDescriptor    

internal static DiagnosticDescriptor Rule = new DiagnosticDescriptor(DiagnosticId, Title, MessageFormat, Category,
            DiagnosticSeverity.Warning, isEnabledByDefault: true, description: Description);

public override ImmutableArray<DiagnosticDescriptor> SupportedDiagnostics => ImmutableArray.Create(Rule);

 ③ 重写方法Initialize,注册Microsoft.CodeAnalysis.SyntaxNode完成Catch语句的语义分析后的事件Action

public override void Initialize(AnalysisContext context)
{           context.ConfigureGeneratedCodeAnalysis(GeneratedCodeAnalysisFlags.Analyze | GeneratedCodeAnalysisFlags.None);
            context.EnableConcurrentExecution();
            context.RegisterSyntaxNodeAction(AnalyzeDeclaration, SyntaxKind.CatchClause);
}

 ④ 实现语法分析AnalyzeDeclaration,检查对catch语句中代码实现   

private void AnalyzeDeclaration(SyntaxNodeAnalysisContext context)
{
            var catchClause = (CatchClauseSyntax)context.Node;
            var block = catchClause.Block;
            foreach (var statement in block.Statements)
            {
                if (statement is ThrowStatementSyntax)
                {
                    return;
                }
            }


            if (Common.IsReallyContains(block, "MonitorClient") == false)
            {
                context.ReportDiagnostic(Diagnostic.Create(Rule, block.GetLocation()));
            }
}

  代码实现后的效果(直接调试VSIX工程即可)

  

代码编译后也有对应Warnning提示

 2. 在For循环中进行服务调用

  问题:for循环中调用RPC服务,每次访问都会发起一次RPC请求,如果循环次数太多,性能很差,建议使用批量处理的RPC方法

  示例代码:

foreach (var item in items)
{
      var logService = HSFService.Proxy<ILogService>();
      logService.SendMsg(new SysActionLog());
}  

  需求:当开发人员在For循环中调用HSF服务时,给与编程提示:不建议在循环中调用HSF服务, 建议调用批量处理方法.

  明确了上述需要,我们开始编写Roslyn代码分析器。HSFForLoopAnalyzer  

    [DiagnosticAnalyzer(LanguageNames.CSharp)]
    public sealed class HSFForLoopAnalyzer : DiagnosticAnalyzer
    {
        public const string DiagnosticId = "TA001";
        internal const string Title = "增加循环中HSF服务调用检查";
        public const string MessageFormat = "不建议在循环中调用HSF服务, 建议调用批量处理方法.";
        internal const string Category = "CodeSmell";

        internal static DiagnosticDescriptor Rule = new DiagnosticDescriptor(DiagnosticId, Title, MessageFormat, Category,
            DiagnosticSeverity.Warning, isEnabledByDefault: true);

        public override ImmutableArray<DiagnosticDescriptor> SupportedDiagnostics => ImmutableArray.Create(Rule);

        public override void Initialize(AnalysisContext context)
        {
            context.RegisterSyntaxNodeAction(AnalyzeMethodForLoop, SyntaxKind.InvocationExpression);
        }

        private static void AnalyzeMethodForLoop(SyntaxNodeAnalysisContext context)
        {
            var expression = (InvocationExpressionSyntax)context.Node;
            string exressionText = expression.ToString();
            if (Common.IsReallyContains(expression, "HSFService.Proxy<"))
            {
                var loop = expression.Ancestors().FirstOrDefault(p => p is ForStatementSyntax || p is ForEachStatementSyntax || p is DoStatementSyntax || p is WhileStatementSyntax);
                if (loop != null)
                {
                    var diagnostic = Diagnostic.Create(Rule, expression.GetLocation());
                    context.ReportDiagnostic(diagnostic);
                    return;
                }

                if (Common.IsReallyContains(expression, ">.") == false)
                {
                    var syntax = expression.Ancestors().FirstOrDefault(p => p is LocalDeclarationStatementSyntax);
                    if (syntax != null)
                    {
                        var declaration = (LocalDeclarationStatementSyntax)syntax;
                        var variable = declaration.Declaration.Variables.SingleOrDefault();
                      

                        var method = declaration.Ancestors().First(p => p is MethodDeclarationSyntax);
                        var expresses = method.DescendantNodes().Where(p => p is InvocationExpressionSyntax);
                        foreach (var express in expresses)
                        {
                            loop = express.Ancestors().FirstOrDefault(p => p is ForStatementSyntax || p is ForEachStatementSyntax || p is DoStatementSyntax || p is WhileStatementSyntax);
                            if (loop != null)
                            {
                                var diagnostic = Diagnostic.Create(Rule, expression.GetLocation());
                                context.ReportDiagnostic(diagnostic);
                                return;
                            }
                        }
                    }
                }
            }
        }
    }

  基本的实现方式,和上一个差不多,唯一不同的逻辑是在实际的代码分析过程中,AnalyzeMethodForLoop。大家可以根据自己的需要写一下。

       实际的效果:

       

       还有几个代码检查场景,基本都是同样的实现思路,再次不一一罗列了。

       在这里还可以自动完成代理修补程序,这个地方我们还在研究中,可能每个业务代码的场景不同,很难给出一个通用的改进代码,所以这个地方等后续我们完成后,再和大家分享。

三、通过Roslyn实现静态代码扫描

  线上很多代码已经写完了,发布上线了,对已有的代码进行代码扫描也是非常重要的。因此,我们对catch吞掉异常的代码进行了一次集中扫描和改进。

  那么基于Roslyn如何实现静态代码扫描呢?主要的步骤有:

  ① 创建一个编译工作区MSBuildWorkspace.Create()

  ② 打开解决方案文件OpenSolutionAsync(slnPath);  

  ③ 遍历Project中的Document

  ④ 拿到代码语法树、找到Catch语句CatchClauseSyntax

  ⑤ 判断是否有throw语句,如果没有,收集数据进行通知改进

  看一下具体代码实现:

  先看一下Nuget引用:

  Microsoft.CodeAnalysis

  Microsoft.CodeAnalysis.Workspaces.MSBuild

  

  代码的具体实现:

      

 public async Task<List<CodeCheckResult>> CheckSln(string slnPath)
        {
            var slnFile = new FileInfo(slnPath);
            var results = new List<CodeCheckResult>();          
            var solution = await MSBuildWorkspace.Create().OpenSolutionAsync(slnPath);            

            if (solution.Projects != null && solution.Projects.Count() > 0)
            {
                foreach (var project in solution.Projects.ToList())
                {
                    var documents = project.Documents.Where(x => x.Name.Contains(".cs"));

                    foreach (var document in documents)
                    {
                        var tree = await document.GetSyntaxTreeAsync();
                        var root = tree.GetCompilationUnitRoot();
                        if (root.Members == null || root.Members.Count == 0) continue;
                        //member
                        var firstmember = root.Members[0];
                        //命名空间Namespace
                        var namespaceDeclaration = (NamespaceDeclarationSyntax)firstmember;

                        foreach (var classDeclare in namespaceDeclaration.Members)
                        {
                            var programDeclaration = classDeclare as ClassDeclarationSyntax;

                            foreach (var method in programDeclaration.Members)
                            {

                                //方法 Method
                                var methodDeclaration = (MethodDeclarationSyntax)method;

                                var catchNode = methodDeclaration.DescendantNodes().FirstOrDefault(i => i is CatchClauseSyntax);
                                if (catchNode != null)
                                {
                                    var catchClause = catchNode as CatchClauseSyntax;
                                    if (catchClause != null || catchClause.Declaration != null)
                                    {
                                        if (catchClause.DescendantNodes().OfType<ThrowStatementSyntax>().Count() == 0)
                                        {
                                            results.Add(new CodeCheckResult()
                                            {
                                                Sln = slnFile.Name,
                                                ProjectName = project.Name,
                                                ClassName = programDeclaration.Identifier.Text,
                                                MethodName = methodDeclaration.Identifier.Text,
                                            });
                                        }
                                    }
                                }
                            }
                        }
                    }
                }
            }

            return results;
        }  

     以上是通过Roslyn代码分析全面提升代码质量的一些具体实践,分享给大家。

 

周国庆

2020/5/2

 

 

 

  

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THE END
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