面向方面的程序设计.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,面向方面的程序设计,兼谈计算科学的创新,哈尔滨工程大学 计算机学院,刘大昕,Email,：,ldx12399,sina,.com,1,面向方面的程序设计,Aspect oriented programming（AOP）,2,Xerox(,施乐,),公司,PARC,研究中心在,1997,年的欧洲面向对象编程大会（,ECOOP97,）,上首次提出,Aspect-oriented programming（,AOP,）,。,自,2002,年起，每年分别在欧洲和美国轮流召开专门的面向方面软件开发（,AOSD国际会议。与会者包括美国、加拿大、荷兰、英国、法国、丹麦、日本、以色列等。我国一些学校也对,AOP,给以关注并开展了一些研究工作。,从,AOP,概念提出经过了近十年的时间，这种技术现在已经开始被工业界采用。,3,AOP,产生的背景,计算机软件设计的一个重要原则，就是要清晰,分离各种关注点,（,separation of concerns,），,然后分而治之，各个击破，最后形成统一的解决方案。,业务逻辑,存储,日志,安全,需求,关注点,标识,4,关注点：是指一个特定的目标、概念或者兴趣域。,从技术的角度，软件系统分别包括,核心级和系统级,的关注点。,核心级关注点是系统要完成的,业务功能,；系统级关注点是完成核心级关注点所必须的,配套设施,，这些配套设施通常被认为是整个系统的系统特性，或者是业务功能的功能约束。,例如：信用卡处理系统,核心关注点是,处理付款,；,系统级关注点包括,日志、事务、认证、安全和性能,等等。,5,软件系统中，某个行为，例如操作日志的记录，存在于软件的各个部分中，这个行为可以看作是横向存在于软件之中，他所关注的是软件的各个部分的一些共有的行为。,在很多情况下，这种行为不属于业务逻辑的一部分。这种操作并不是业务逻辑调用的必须部分，但是，我们却往往不得在代码中显式进行调用，并承担由此带来的后果。,6,在目前的技术框架下，通常,系统级关注点在,逻辑上,相互之间,彼此正交（相互独立），,同时在,实现上,趋向于,和若干核心模块交织,。,例如：信用卡管理系统的每个核心业务关注点都和安全、日志等系统关注点相联系。,7,核心级关注点,（业务）多数情况下可以被很好地分解，并,通过编程语言模块化实现（子模块或软构件）,。,系统级关注点,（横向关注点），使用当前的程序设计方法导致,在许多构件中要重复包含（扩散）这些代码,。,8,横切示例,(,crosscutting),Authentication,权限,Caching,缓存,Context passing,内容传递,Error handling,错误处理,Lazy loading 懒,加载,Debugging,调试Logging,、,tracing,、,profiling and monitoring,日志、跟踪、优化、校准,Performance optimization,性能优化,Persistence,持久,化,Resource pooling,资源,池,Synchronization,同步,Transactions,事务,9,现有软件技术的不足,目前的实现技术只提供了,一维方法学实现系统的关注点，,该单一维度一般是核心需求和关注点的模块化实现，,其他类型的需求也被迫和该主导维度一致。,安全,事务,业务,业务主导维,问题空间是,n,维的，而解空间是一维的。这种失配必然导致需求和实现之间的失配。,10,源程序就会变成一些为不同关注目的而编制的,指令的缠结混乱物。,缠结现象,是现有软件系统中许多不必要的,复杂性的核心,。,它增加了功能构件之间的依赖性，,分散了构件原来假定要做的事情，,提供了许多程序设计出错的机会，,使得一些功能构件难以复用，,源代码难以开发、理解和发展。,11,某一应用的领域专家，不太可能对分布、认证、访问控制、同步、加密、冗余等问题的复杂实现机制很熟悉，所以就不能保证他们在程序中进行正确的调用。,开发人员很难正确预见到未来对程序的新需求,。,12,方面（,Aspect,）,设计上讲，是横切系统的一些软件系统级关注点。,实现上讲，它支持将横切系统的关注点封装在单独的模块单位中，它是,AOP,将横切关注点局部化和模块化的实现机制。,常见的“,方面,”：,异常和出错处理,同步和并发控制,内存访问模式,日志、安全,事务、性能,13,AOP,核心内容就是所谓的,“,横切关注点,”,，即,“,方面,”,，,Aspect,是,AOP,提供的一种程序设计单元。,而在,OOP,中,这些一般关注点的实现单元叫作类,AOP,的目标，是要将这些横切关注点与业务逻辑代码相分离，从而得到更好的软件结构、性能以及稳定性等方面的好处。,AOP,被认为是后面向对象时代的一种新的重要的程序设计技术。,14,AOP,的基本思想,通过分别描述系统的不同关注点及其关系，以一种松耦合的方式实现单个关注点，然后依靠,AOP,环境的支撑机制，将这些关注点组织或编排成最终的可运行程序。,普通关注点可以使用传统的结构化方法和面向对象方法体统的机制。,系统关注点使用,Aspect,机制。,15,AOP,程序设计的一般步骤,一、,对需求规约进行,Aspect,分解。,确定哪些功能是组件必须实现的，即提取出,核心关注点。,哪些功能可以以,aspect,的形式动态加入到系统组件中去，即提取出系统级的,横切关注点,。,16,AOP,程序设计的一般步骤,二、,对标识出的,Aspect,分别通过程序机制实现。,构造系统的组件。,利用,组件语言,实现系统的组件。对于,OOP,语言，这些组件可以是类；对于过程化程序设计语言，这些组件可以是各种函数和,API,。,构造系统的,aspect,。,利用一种或多种,aspect,语言,实现,aspect,。,aspect,语言必须提供声明,aspect,的机制。,aspect,如何声明,连接点如何定义,aspect,代码如何定义,aspect,的参数化程度等,17,三、,用,aspect,编织器将所有的单元编排重组在一起，形成最终的可运行系统。,为组件语言和,aspect,语言构造相应的语法树；依据,aspect,中的连接点定义对语法树进行联结；在连接的语法树上生成中间文件或目标代码。,aspect,语言必须提供将,aspect,代码和基础代码组合编排（,weaving,）,在一起的机制。,定义编排语言和规则。,解决,aspect,之间潜在的冲突。,为组装和执行建立外部约束。,aspect,语言必须提供生成可运行系统的实现机制。,系统的组合是在编译时静态组装还是运行时动态进行。,对程序单元分别进行编译的模块化编译机制。,对组装结果的验证机制等。,18,AOP,的本质,将横切关注点（如日志、权限验证、并发控制等非功能需求,）,单独用,aspect,实现，而业务功能用现有的软件技术实现。由,AOP,机制提供将这些分离的关注点编织为一个可执行程序。,提高代码的可理解性、可维护性、可复用性等。,横切关注点,19,AOP,系统的软件开发过程,业务逻辑,存储,日志,安全,需求,关注点,标识,编织器,Aspect,分解,Aspect,重组,20,AOP,与,OOP,比较,OOP,是,AOP,的技术基础，,AOP,是对,OOP,的继承和发展。,可扩展性：,指软件系统在需求更改时程序的易更改能力。,OOP,主要通过提供继承和重载机制来提高软件的可扩展性。,AOP,通过扩展,Aspect,或增加,Aspect,，,系统相关的各个部分都随之产生变化。,21,可重用性：,指某个应用系统中的元素被应用到其他应用系统的能力。,OOP,以类机制作为一种抽象的数据类型，提供了比过程化更好的重用性。,OOP,的重用性对非特定于系统的功能模块有很好的支持，如堆栈的操作和窗口机制的实现。,对于不能封装成类的元素，如异常处理等，很难实现重用。,AOP,使不能封装成类的元素的重用成为可能。,22,易理解性和易维护性,代码缠结问题的存在，使,OOP,技术在易理解性和易维护性方面都难有很大的提高。,统计发现：“如果一个他人写的程序有,37,处需要改动，对于一个最优秀的软件开发人员，也大概只能找到,35,个”。,对于,AOP,，,对一个,Aspect,修改可以通过联结器影响到系统相关的各个部分，从而大大提高系统的易维护性。,23,AOP,特性,Aspect,的实现和传统开发方法中,模块的实现不同,。,Aspect,的开发彼此独立，是一种松耦合关系。,主代码的开发者甚至可能没有意识到,aspect,的存在。只是在最后系统组装时，才将各,aspect,代码和主代码编排融合在一起。,主代码和,Aspect,之间采用,“,隐式调用,”,。,某一应用的领域专家，不太可能对分布、认证、访问控制、同步、加密、冗余等问题的复杂实现机制很熟悉，所以就不能保证他们在程序中进行正确的调用。,开发人员很难正确预见到未来对程序的新需求。,24,AspectJ,AspectJ,是,Xerox PARC,开发的基于,Java,语言的,AOP,扩展，它既是一种规约语言，也是一种,AOP,的实现语言。,AspectJ,是一种支持“面向,Aspect”,概念的语言。,25,AspectJ,AspectJ,提供了支持“面向,Aspect”,概念的如下语言结构及定义：,Joinpoints,：,预定义好的程序的特定执行点。,例如：,方法的调用和执行,对属性的读写访问,异常处理,对象和类的初始化执行,构造器的调用和执行,26,Pointcuts,：,用来指明所需连接点的语言元素,。,可能包括一系列的连接点,，,同时它还可以为在连接点上执行的通知提供上下文,。,例如：,pointcut callSetter,();call(public void,HelloWorld,.set*(.),。,其中：,pointcut,说明声明的是一个切入点，命名,callSetter,，,后面的空括号表示该切入点不需要上下文信息。,Call,表示该切入点捕获的是对指定方法的调用，指定的方法是在类,HelloWorld,中声明的共有的、返回值为空、以,set,开头、拥有任意参数的方法。,27,Advices,：,要在,Pointcuts,执行的,Aspect,的代码。,AspectJ,提供了,3,种把通知关联到连接点的方式：,after,、,before,、,around,。,after,和,before,分别表示通知在连接点的前面或者后面运行，,around,则表示通知在连接点的外面运行，并可以决定是否运行此连接点。,例如：,在银行信息系统中，实现帐户存取模块、权限验证模块和日志记录模块。帐户存取模块可用,OOP,技术来实现，其他的模块可采用,AOP,技术。,在,around,通知中验证权限，只有验证通过才运行该连接点，在,before,和,after,通知中就输出日志记录。,Aspect,：,上述三者的结合。以类似于类的概念，将,Pointcut,和,Advice,组合在一起，形成一个程序单元。,28,AspectJ,为程序员提供了编译、调试等工具。,Aspect,编排器,将不同,aspect,组装到一起。,Aspect,调试器,独立的,Aspect,浏览器,和一些流行的,IDE,环境（,Forte,、,Jbuilder,、,Emacs,）,的集成。,AspectJ,可以引入新的数据成员和新的方法。,29,应用示例,1:,一个简单的使用面向对象方法设计的,图元编辑器,的示例。,在该图元编辑器中，抽象图元类,FigureElement,有两个图元子类,Point,和,Line,，,分别对点和线进行管理。这两个类体现了良好的模块性，类中源代码都紧密相关，内聚度很高，并且每个类的接口都很清晰,。,显示更新的需求：无论图元何时移动、移动到哪里，都要通知屏幕管理器（,Display,）,其位置发生了改变。,30,采用面向对象的设计方法，典型的做法是在每个移动图元的操作代码中，都插入一段通知,Display,其位置发生了改变的代码（调用,Display.update(),方法），如图所示。,Class Line,private Point _p1,_p2;,Point getP1()return _p1;,Point getP2()return _p2;,void setP1(Point p1),this._p1=p1;,Display.update();,void setP2(Point p2),this._p2=p2;,Display.update();,Class Point,private,int,_x1,_x2;,int,getX,()return _x1;,int,getY,()return _x2;,void,setX,(,int,x1),this._x1=x1;,Display.update();,void,setY,(,int,x2),this._x2=x2;,Display.update();,31,Aspect,DisplayUpdating,Pointcut,move():,call(void Line.setP1(Point)|,call(void Line.setP2(Point)|,call(void Point.,setX,(,int,)|,call(void Point.,setY,(,int,);,after()returning:move(),Display.update();,Class Line private Point _p1,_p2;Point getP1()return _p1;Point getP2()return _p2;void setP1(Point p1)this._p1=p1;void setP2(Point p2)this._p2=p2;,Class Point private,int,_x1,_x2;,int,getX,()return _x1;,int,getY,()return _x2;void,setX,(,int,x1)this._x1=x1;void,setY,(,int,x2)this._x2=x2;,32,假设我们想用,aspect,做以下的事情：,在任何对象调用,TestClass,.,sayHello,(),方法的前后打印一条消息。,测试,TestClass,.,sayAnyThing,(),方法的参数至少有三个字符。,public class,TestClass,public void,sayHello,(),System.out.,println,(“Hello,，,AOP”);,public void,SayAnyThing,(String s),system.out.,println,(s);,),public static void main(String,args,),TestClass,t=,newTestClass,(),；,t.,sayHello,();,t.,sayAnyThing,(“ok”);,应用,2,33,public aspect,MyAspect,public,pointcut sayMethodCall,(),：,call(public void,TestClass,.say*(),；,pub1ic,pointcut,sayMethodCal1Arg(String,str,),：,call(public void,TestClass,.,sayAnyThing,(string)&,args,(,str,),；,before(),:,sayMethodCal1(),System.out.print1n(“,nTestClass,.”+,thisJoinPointStaticPart,.,getSignature,().,getName,()+”start”),；,after(),：,sayMethodCal1(),System.out.print1n(“,nTestClass,.”+,thisJoinPointStaticPart,.,getSignature,().,getName,()+”end”),；,before(String,str,),：,sayMethodCallArg,(,str,),if(,str,.1ength(),3),System.out.,println,(“Error,：I,cant say words less than 3 characters,”,),；,return,；,34,应用示例,3,：例外处理,以数据库查询为例，分别用,OOP,的,Java,语言,和,AOP,的,AspectJ,语言加以 实现。,public class,DBQuery,public,ResultSet,executeQuery,(String,sql,),try,/,数据库连接操作,/,数据库查询操作,catch(java.lang.,ClassNotFoundException,e),/,对,ClassNotFound,例外进行处理,catch(,SQLExceptione),/,对,SQL,例外进行处理,catch(Exception e),/,对其他例外进行处理,35,分析以上代码，主要存在以下几点不足：,要求编程人员掌握大量的例外类库和复杂的语法结构，实际应用中容易出错；,对例外的处理并不是,DBQuery,类的核心功能，但编程人员要花费大量精力在例外的处理上，而忽略了问题本身；,当,DBQuery,所在类包中定义了多个类或,DBQuery,中定义了多个方法时,(,如数据库记录的添加、更新、删除等操作），就要重复定义多个相同的例外处理；,大量的例外处理代码可能引起更多的不必要错误，给程序调试和维护带来了困难；,基于以上几点，可认为它是有安全隐患和不健壮的程序。,36,基于,AOP,安全编程的思想，在,DBQuery,类中保留单纯的数据库连接和查询代码，而将其中实现例外处理的代码抽取出来，组织成单独模块。,37,aspect,ExHandle,declare soft:Exception:within(,DBQuery,),；,pointcut,Callmethod,(,DBQuery,query):this(query)&call(*,DBQuery,.*(.),；,after,(,DBQuery,query)throwing(,java.lang.,ClassNotFoundException,e,):,Callmethod,(query),/,对,ClassNotFound,例外进行处理,after,(,DBQuery,query)throwing(,SQLException,e,):,Callmethod,(query),/,对,SQL,例外进行处理,after,(,DBQuery,query)throwing(,Exception e,):,Callmethod,(query),/,对其它,例外进行处理,38,以下几方面为突出的安全优点：,程序开发人员可专注于数据库连接和查询操作本身，而无须同时考虑对例外的处理；,安全代码被独立到单独的,aspect,中，使程序更易理解，且当安全策略需要修改时，只需变动,ExHandle代码，而无需改动,DBQuery,类；,当添加新的类或,DBQuery,类中添加新的方法时，编程人员不必考虑新的错误处理策略，甚至不必去了解这些策略，,ExHandle,代码将自动应用于它们。,39,应用,4,：一个异常处理的实例,下面的代码是一个简单的方面的例子，它打印所有的没有被包中定义的任何方法处理的异常。我们能在测试时使用这个代码，看是否有没预料到的错误，由此指出包中的一个漏洞。,public aspect,ExceptionPrinter,pointcut allMethods,(),：,executions(*(,),；,static after()throwing(Exception e),：,allMethods,(),System.out.,println,(“Uncaught exception,：”,+e),；,40,应用,5,：,AOP,技术在并发访问控制中的应用,当多个线程要访问同一个变量或对象时，为了保证数据的一致性，要实施一些并发访问控制策略。,通常的做法是采用加锁和解锁的方法。即多个访问类同时访问一个共享数据对象时，每个访问类在访问这个数据对象时，将数据对象上锁，访问完成后，再解锁，供其他并发线程访问。,worker,Another,worker,数据对象,上锁,解锁,上锁,解锁,41,public aspect Lock,ReentrantWriterPreferenceReadWriteLock rwl,=new,ReentrantWriterPreferenceReadWriteLock,();,public,pointcut writeOperations,():,execution(public,boolean,Worker.,createData,()|execution(public,boolean,Worker.,updateData,()|execution(public,boolean,AnotherWorker,.,updateData,();,before():,writeOperations,(),rwl,.,writeLock,().acquire();/,在写操作之前上锁,after():,writeOperations,(),rwl,.,writeLock,().release();/,在写操作之后解锁,42,AOP,研究内容,Early aspects:aspect-oriented requirements engineering and architecture design.,Aspect-oriented modeling and design,Design patterns for aspect-oriented systems,43,Aspect-oriented programming languages,platforms and frameworks,Type systems for aspects,Composition models and operators for aspects,Optimization and performance improvement of aspect-oriented composition,44,Application of AOSD in specific areas such as embedded systems,banking systems,ambient computing,etc.,Aspects in feature-oriented approaches and product lines.,Aspects in reengineering,45,小结,AOP,起源于程序设计中“横切”引发的“代码散布”和“代码交织”问题。在目前的程序设计技术下，程序中的横切无法避免，其实现代码相互纠缠在一起，是软件复杂度的来源之一。,AOP,就是要能分离出那些隐含的、相互交织纠缠的系统关注点，并使之明确。使用,AOP,为程序员提供的新的模块化武器，横切的代码就可以局部化，程序的结构很明白，代码也常常很简短。,46,面向,方面,不仅,在增加分割系统特性上的价值,对基本系统的安全性、日志、持久性、调试、跟踪、分布式、执行监控等。,方面的,另一个,重要的目的是,提供了一个,把用例与方面连接起来,的新范型,。,（,在现存的构件模块性的顶端增加用例模块,）,47,子用例,异常用例,异常用例,异常用例,基本用例,面向方面技术也使,UML,中用例模块化,48,子用例,异常用例,异常用例,异常用例,基本用例,编织器,49,可以肯定的是：,AOP,不会是处理关注点分离问题的最后解决方案。,如果,AOP,对系统关注点的分离粒度太细，则会适得其反，导致模块间关系更加复杂，反而使复杂度增加。因此，应用,AOP,时仍然要遵从良好的设计原则，只分离需要分离的关注点。,50,AOP,的概念也就是面向方面的软件开发（,AOSD,将会使我们可以完美的继承已经存在的软件，在,系统的整个生命周期中，可以不断的进行开发迭,代和不断的发布更新版本。,我们今天叫做面向方面的技术将把软件生命周,期成本降低至少,20,。,51,它与“子程序”概念十分相像，但是,不是所有的关注点都能很利索地通过子程序实现。,子程序调用的程序员必须对调用的子程序有足够的了解。,一段程序必须知道要显式地调用另一段子程序，并且知道怎样去调用，这极大限制了程序员并行独立解决子问题的能力。,52,这不是一种横空出世的新思想，它依赖于十年前就已经众所周知的补丁技术（补丁技术已成为专利技术！）。然而什么是新的呢,?,就是实现了,“,正确地打补丁,”,，把补丁技术系统化、抽象化和形式化，这正是理解复杂系统的最自然方式。,53,反向思维，保持原衣服不动，把在何处打补丁的信息写在补丁上。,大部分创新的基本思想都来自日常生活，而且原理简单,打补丁反向打补丁,系统化、抽象化、形式化,实现两次创新！,54,希望寄托在年轻人身上！,55,谢 谢,再 见,56,