尝试 IIncrementalGenerator 进行增量 Source Generator 生成代码

在加上热重载时，源代码生成 Source Generator 的默认行为会让 Visual Studio 有些为难，其原因是热重载会变更代码，变更代码触发代码生成器更新代码，代码生成器更新的代码说不定又会有某些逗比逻辑再次触发热重载。于是就会发现在某些复杂的项目下，开启热重载之后，在编辑并继续界面将会等非常久，甚至再也无法继续。为了解决这个问题，大聪明设计了 Incremental Generators 机制，此 Incremental Generators 机制和 Source Generator 不冲突，被设计用来解决热重载的源代码生成性能问题，本文将告诉大家此新的 API 的入门级使用

开始阅读之前必须要明确的是，几乎所有的设计为高性能使用的 API 都代表着 API 本身不够好用。本身使用 Source Generator 就有一定的门槛了，现在使用 Incremental Generators 机制只会更加复杂。在开始阅读本文之前，我期望你已熟悉源代码生成机制以及 dotnet 的构建过程。本文非新手友好

我开始是不知道还有 Incremental Generators 机制的存在。之所以有了解到这么强大的机制的存在还是在一次我的 Visual Studio 卡炸了，我给 Visual Studio 官方报告了问题，然后 Sam Harwell 经过了分析，找到了是我所在团队写的 dotnetCampus.Ipc 库的 Source Generator 影响了 Visual Studio 的性能，大佬给的建议是在这个库上 Incremental Generators 机制，详细请看 https://github.com/dotnet-campus/dotnetCampus.Ipc/issues/97

当前是关于 Incremental Generators 的使用还没有非常正式的文档，官方权威的文档只有放在 GitHub 的文档： https://github.com/dotnet/roslyn/blob/main/docs/features/incremental-generators.md

这也就是为什么大佬在今年 2022 年 5 月告诉我这个技术，我到现在还没有开始动手的原因。我感觉他有点将我当成小白鼠了，毕竟要是我翻车了，我肯定会去找他。然而他没想到的是，我最近的技能都点去 MAUI 去了，毕竟 Visual Studio 卡的话，那不是日常么。尽管入门的等级我学会了，但感觉改造 dotnetCampus.Ipc 还是一个大工程，先写博客再说

尽管文档不多，但是好在还是延续 Roslyn 的设计，看 API 不看文档的情况下，我还是能用起来。只是在刚开始用的时候就被自己逗了一下哈，在熟悉 Source Generator 的基础上，用起来的难度很低。我看了 GitHub 上的文档，这篇文档很长，前部分在介绍设计和约束，中间是核心介绍，接下来也就是占最多的部分是讲 API 的设计和具体行为，最后是一些优化设计。如果只是入门的话，看中间的核心介绍也就足够了，甚至看介绍的代码即可

为了方便演示，本文将创建一个叫 WhacadenaKewarfellaja 的项目，和一个用来做代码生成的 WhacadenaKewarfellaja.Analyzers 项目。本文的所有代码都可以在本文最后找到下载地址

推荐大家按照本文的步骤，照着做一次，做一次将会更好的了解增量的代码生成的逻辑是如何写的

在 WhacadenaKewarfellaja 项目里面，只包括一个叫 Program.cs 的文件，这个文件的代码如下，只是定义一个主函数和调用一个叫 HelloFrom 的分部函数，此 HelloFrom 分部函数将会由代码生成项目生成实际定义代码

namespace WhacadenaKewarfellaja
{
    public static partial class Program
    {
        public static void Main(string[] args)
        {
            HelloFrom("Fxx");

            Console.WriteLine("Hello, World!");
        }

        static partial void HelloFrom(string name);
    }
}

在 WhacadenaKewarfellaja 的项目文件 csproj 文件里，加上了对 WhacadenaKewarfellaja.Analyzers 代码生成项目的引用，加上此应用的用途是为了方便调试代码生成项目。通过使用 Source Generator 在编译你的 .NET 项目时自动生成代码 - walterlv 可以了解到，要让代码生成项目可以运行，有两个方法，第一个方法就是打包为 NuGet 包，通过引用 NuGet 的方式执行到代码生成项目。第二个方法是通过本文以下使用的项目引用方法，使用项目引用的方法更加方便调试。使用 NuGet 的方法是用来进行发布，两个不冲突

<Project Sdk="Microsoft.NET.Sdk">

  <PropertyGroup>
    <OutputType>Exe</OutputType>
    <TargetFramework>net6.0</TargetFramework>
    <ImplicitUsings>enable</ImplicitUsings>
    <Nullable>enable</Nullable>
  </PropertyGroup>

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

</Project>

从以上代码可以看到，和其他的项目引用唯一的不同点在于 ProjectReference 设置了 OutputItemType="Analyzer" ReferenceOutputAssembly="false" 两个属性

如此即可完成搭建被测试的项目，预期是在执行 WhacadenaKewarfellaja 应用，调用的 HelloFrom 方法的实际逻辑是由 WhacadenaKewarfellaja.Analyzers 生成的代码。下一步是搭建 WhacadenaKewarfellaja.Analyzers 的项目

编辑 WhacadenaKewarfellaja.Analyzers 的 csproj 项目文件，替换为以下代码

<Project Sdk="Microsoft.NET.Sdk">

  <PropertyGroup>
    <TargetFramework>netstandard2.0</TargetFramework>
    <AppendTargetFrameworkToOutputPath>false</AppendTargetFrameworkToOutputPath>
  </PropertyGroup>

  <ItemGroup>
    <PackageReference Include="Microsoft.CodeAnalysis.Analyzers" Version="3.3.3" PrivateAssets="all" />
    <PackageReference Include="Microsoft.CodeAnalysis.CSharp" Version="4.2.0" PrivateAssets="all" />
  </ItemGroup>

</Project>

如使用 Source Generator 在编译你的 .NET 项目时自动生成代码 - walterlv 博客提到，此项目要求使用 TargetFramework 为 netstandard2.0 的版本，如此才能有更好的兼容性。核心原因是 Visual Studio 2022 现在还没有能完全迁移到 dotnet core 上，而 dotnet 工具本身是跟随 SDK 走的，两个构建工具有所不同，为了更好的兼容，就期望使用 .NET Standard 2.0 版本

以上代码的 AppendTargetFrameworkToOutputPath 属于可选项，只是为了让输出的文件夹更加清真

上面代码也通过 PackageReference 分别安装了 Microsoft.CodeAnalysis.Analyzers 和 Microsoft.CodeAnalysis.CSharp 库。采用这两个 NuGet 包即可进行源代码生成

在 WhacadenaKewarfellaja.Analyzers 新建一个叫 CodeCollectionIncrementalGenerator 的类型，类型名称随意，将在此类型里面编写增量的代码生成逻辑

增量代码生成和普通的 Source Generator 一样，需要在代码生成入口类型上标记特性，如以下代码

    [Generator(LanguageNames.CSharp)]
    public class CodeCollectionIncrementalGenerator
    {
    }

为了使用增量的代码生成，需要让 CodeCollectionIncrementalGenerator 继承 IIncrementalGenerator 接口，实现 Initialize 方法，代码如下

    [Generator(LanguageNames.CSharp)]
    public class CodeCollectionIncrementalGenerator : IIncrementalGenerator
    {
        public void Initialize(IncrementalGeneratorInitializationContext context)
        {
        }
    }

对于增量的代码生成，只需要有 Initialize 方法即可，所有逻辑都在这个方法里面实现

按照官方的设计，将会分为三个步骤完成增量代码生成：

告诉框架层需要关注哪些文件的变更
- 在有对应的文件的变更情况下，才会触发后续步骤。如此就是增量代码生成的关键
告诉框架层从变更的文件里面感兴趣什么数据，对数据预先进行处理
- 预先处理过程中，是会不断进行丢掉处理的
- 其中第一步和第二步可以合在一起
使用给出的数据进行处理源代码生成逻辑
- 这一步的逻辑和普通的 Source Generator 是相同的，只是输入的参数不同

下面开始编写代码逻辑

先从 IncrementalGeneratorInitializationContext 里面获取参数，例如对全体的尝试构建的文件感兴趣，可以使用如下代码

context.CompilationProvider

又如官方给出的例子，对所有的后缀名为 txt 的附加文件感兴趣的代码可以如此写

        IncrementalValuesProvider<AdditionalText> textFiles = initContext.AdditionalTextsProvider.Where(static file => file.Path.EndsWith(".txt"));

也就是说对于增量代码生成来说，可以很方便的实现从其他文件生成源代码的功能。例如通过 xml 文件生成代码等。这就是为什么 WPF 仓库里面，有大佬在尝试使用源代码生成的方式实现 XAML 生成 cs 代码的原因

继续回到本文的例子，本文的逻辑是对任何的尝试构建的代码变更感兴趣，变更之后获取的是整个代码的信息。当然，这只是本文的例子，在很多情况下，都会附加很多判断逻辑

            // 找到对什么文件感兴趣
            IncrementalValueProvider<Compilation> compilations =
                context.CompilationProvider
                        // 这里的 Select 是仿照 Linq 写的，可不是真的 Linq 哦，只是一个叫 Select 的方法
                        // public static IncrementalValueProvider<TResult> Select<TSource,TResult>(this IncrementalValueProvider<TSource> source, Func<TSource,CancellationToken,TResult> selector)
                    .Select((compilation, cancellationToken) => compilation);

这里的 Select 等方法是仿照 Linq 写的，可不是真的 Linq 哦，只是一个叫 Select 的方法，方法的定义如下

 public static IncrementalValueProvider<TResult> Select<TSource,TResult>(this IncrementalValueProvider<TSource> source, Func<TSource,CancellationToken,TResult> selector)

我就是在这里被逗了，以为是通过 Linq 的方式，返回集合。由于是以为返回的是集合，对于增量的理解就错了。这里其实一个写入条件，后续将会根据条件决定是否执行增量的逻辑。例如写了 Where 过滤，如官方例子里面，只是对于 txt 文件的变更感兴趣，那如果改动的是其他的 xml 文件，那自然不会触发后续逻辑

大部分的写法是使用 Where 进行过滤，获取到需要增量感兴趣的变更，接下来通过 Select 进行数据处理。数据处理过程随时可以被打断，因为用户的增量变更可能是用户习惯不断按下 ctrl+s 键保存，如果快速两次保存，第一次就不需要等待执行完成

本文的例子里面是使用所有的代码信息，这是不推荐的，但是其实没啥问题

接下来编辑核心的逻辑，根据增量的信息生成代码

使用 IncrementalGeneratorInitializationContext 的 RegisterSourceOutput 注册源代码生成的逻辑

     context.RegisterSourceOutput(compilations, (sourceProductionContext, compilation) =>
     {

     });

这里的 RegisterSourceOutput 参数比较复杂，要求注入条件，和执行的委托。注入的条件就是 IncrementalValueProvider<T> 类型的参数，如上文，采用 Where 或 Select 配合创建的 compilations 变量。执行的委托有两个参数，分别是源代码生产的上下文信息，可以在此上下文信息里面传入源代码，以及注入的条件过滤之后的内容

从 IncrementalGeneratorInitializationContext 里构建出 IncrementalValueProvider<T> 对象，此对象用作过滤条件和获取信息，在 RegisterSourceOutput 里，将 IncrementalValueProvider<T> 的 T 作为参数传入到委托。底层实现是通过 RegisterSourceOutput 的第一个参数，也就是 IncrementalValueProvider<T> 进行过滤当前的增量变更，发现有数据可以输出时，则调用后续传入的委托方法

在委托方法里面，和其他的源代码生成的不同只在于参数。例如本文的代码将获取参数里传入的 compilation 用来判断是否 Program 类型发生变更，如有变更，那么重新生成 HelloFrom 方法

判断传入的 compilation 是否包含 Program 类型的变更，第一步是获取到符号树

            context.RegisterSourceOutput(compilations, (sourceProductionContext, compilation) =>
            {
                var syntaxTree = compilation.SyntaxTrees.FirstOrDefault();
                if (syntaxTree == null)
                {
                    return;
                }
            });

接着判断是否类型是 Program 类型

                var root = syntaxTree.GetRoot(sourceProductionContext.CancellationToken);

                // 选择给 Program 的附加上
                var classDeclarationSyntax = root
                    .DescendantNodes(descendIntoTrivia: true)
                    .OfType<ClassDeclarationSyntax>()
                    .FirstOrDefault();
                if (classDeclarationSyntax?.Identifier.Text!="Program")
                {
                    // 如果变更的非预期类型，那就不加上代码，否则代码将会重复加入
                    return;
                }

如果是的话，那就加上生成的源代码

                string source = @"
using System;

namespace WhacadenaKewarfellaja
{
    public static partial class Program
    {
        static partial void HelloFrom(string name)
        {
            Console.WriteLine($""Says: Hi from '{name}'"");
        }
    }
}
";
                sourceProductionContext.AddSource("GeneratedSourceTest", source);

调用 AddSource 方法将源代码字符串加入即可。尝试运行 WhacadenaKewarfellaja 项目，可以看到调用 HelloFrom 的输出

但是如此写和普通的源代码生成有什么差别？其实最大的不同在于性能上，通过此方法可以使用很多缓存，减少生成的数据。例如可以定义一个静态的属性，通过此静态的属性了解增量的源代码生成被调用的次数。将以上代码的源代码生成 source 字符串的进行更改

                // 这是一个很强的技术，在代码没有变更的情况下，多次构建，是可以看到不会重复进入此逻辑，也就是 Count 属性没有加一
                // 可以试试对一个大的项目，修改部分代码，看看 Count 属性

                string source = $@"Console.WriteLine(""构建 {Count} 次"");";
                sourceProductionContext.AddSource("GeneratedSourceTest", source);

                Count++;

        private static int Count { set; get; } = 0;

可以试试不断构建代码或者更改代码之后再构建，通过输出了解 Count 的值，从而了解到这个增量生成源代码的性能提升

以下是核心的代码

    [Generator(LanguageNames.CSharp)]
    public class CodeCollectionIncrementalGenerator : IIncrementalGenerator
    {
        public void Initialize(IncrementalGeneratorInitializationContext context)
        {
            // 找到对什么文件感兴趣
            // 例如对全体的 cs 代码感兴趣
            IncrementalValueProvider<Compilation> compilations =
                context.CompilationProvider
                        // 这里的 Select 是仿照 Linq 写的，可不是真的 Linq 哦，只是一个叫 Select 的方法
                        // public static IncrementalValueProvider<TResult> Select<TSource,TResult>(this IncrementalValueProvider<TSource> source, Func<TSource,CancellationToken,TResult> selector)
                    .Select((compilation, cancellationToken) => compilation);

            context.RegisterSourceOutput(compilations, (sourceProductionContext, compilation) =>
            {
                var syntaxTree = compilation.SyntaxTrees.FirstOrDefault();
                if (syntaxTree == null)
                {
                    return;
                }

                var root = syntaxTree.GetRoot(sourceProductionContext.CancellationToken);

                // 选择给 Program 的附加上
                var classDeclarationSyntax = root
                    .DescendantNodes(descendIntoTrivia: true)
                    .OfType<ClassDeclarationSyntax>()
                    .FirstOrDefault();
                if (classDeclarationSyntax?.Identifier.Text!="Program")
                {
                    // 如果变更的非预期类型，那就不加上代码，否则代码将会重复加入
                    return;
                }

                // 这是一个很强的技术，在代码没有变更的情况下，多次构建，是可以看到不会重复进入此逻辑，也就是 Count 属性没有加一
                // 可以试试对一个大的项目，修改部分代码，看看 Count 属性

                string source = ... // 生成的代码
                sourceProductionContext.AddSource("GeneratedSourceTest", source);

                Count++;
            });
        }

        private static int Count { set; get; } = 0;
    }

本文的代码放在github 和 gitee 欢迎访问

可以通过如下方式获取本文的源代码，先创建一个空文件夹，接着使用命令行 cd 命令进入此空文件夹，在命令行里面输入以下代码，即可获取到本文的代码

git init
git remote add origin https://gitee.com/lindexi/lindexi_gd.git
git pull origin cfa6270bf2695851672ef9bad0deb2ef21f5ba2a

以上使用的是 gitee 的源，如果 gitee 不能访问，请替换为 github 的源。请在命令行继续输入以下代码

git remote remove origin
git remote add origin https://github.com/lindexi/lindexi_gd.git
git pull origin cfa6270bf2695851672ef9bad0deb2ef21f5ba2a

获取代码之后，进入 WhacadenaKewarfellaja 文件夹

本文会经常更新，请阅读原文： https://blog.lindexi.com/post/%E5%B0%9D%E8%AF%95-IIncrementalGenerator-%E8%BF%9B%E8%A1%8C%E5%A2%9E%E9%87%8F-Source-Generator-%E7%94%9F%E6%88%90%E4%BB%A3%E7%A0%81.html ，以避免陈旧错误知识的误导，同时有更好的阅读体验。

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