1、引言


軟件設計因為引入面向對象思想而逐漸變得豐富起來。“一切皆為對象”的精義，使得程序世界所要處理的邏輯簡化，開發者可以用一組對象以及這些對象之間的關系將軟件系統形象地表示出來。而從對象的定義，進而到模塊，到組件的定義，利用面向對象思想的封裝、繼承、多態的思想，使得軟件系統開發可以向搭建房屋那樣，循序漸進，從磚石到樓層，進而到整幢大廈的建成。應用面向對象思想，在設計規模更大、邏輯更復雜的系統時，開發周期反而能變的更短。自然其中，需要應用到軟件工程的開發定義、流程的過程控制，乃至于質量的缺陷管理。但從技術的細節來看，面向對象設計技術居功至偉。然而，面向對象設計的唯一問題是，它本質是靜態的，封閉的，任何需求的細微變化都可能對開發進度造成重大影響。
可能解決該問題的方法是設計模式。GOF將面向對象軟件的設計經驗作為設計模式紀錄下來，它使人們可以更加簡單方便地復用成功的設計和體系結構，幫助開發人員做出有利于系統復用的選擇。設計模式解決特定的設計問題，使面向對象設計更靈活、優雅，最終復用性更好。然而，設計模式雖然給了我們設計的典范與準則，通過最大程度的利用面向對象的特性，諸如利用繼承、多態，對責任進行分離、對依賴進行倒置，面向抽象，面向接口，最終設計出靈活、可擴展、可重用的類庫、組件，乃至于整個系統的架構。在設計的過程中，通過各種模式體現了對象的行為，暴露的接口，對象間關系，以及對象分別在不同層次中表現出來的形態。然而鑒于對象封裝的特殊性，“設計模式”的觸角始終在接口與抽象中大做文章，而對于對象內部則無能為力。
Aspect-Oriented Programming（面向方面編程，AOP）正好可以解決這一問題。它允許開發者動態地修改靜態的OO模型，構造出一個能夠不斷增長以滿足新增需求的系統，就象現實世界中的對象會在其生命周期中不斷改變自身，應用程序也可以在發展中擁有新的功能。AOP利用一種稱為“橫切”的技術，剖解開封裝的對象內部，并將那些影響了多個類的行為封裝到一個可重用模塊，并將其名為“Aspect”，即方面。所謂“方面”，簡單地說，就是將那些與業務無關，卻為業務模塊所共同調用的邏輯或責任，例如事務處理、日志管理、權限控制等，封裝起來，便于減少系統的重復代碼，降低模塊間的耦合度，并有利于未來的可操作性和可維護性。
面向方面編程（AOP）是施樂公司帕洛阿爾托研究中心（Xerox PARC）在上世紀90年代發明的一種編程范式。但真正的發展卻興起于近幾年對軟件設計方興未艾的研究。由于軟件系統越來越復雜，大型的企業級應用越來越需要人們將核心業務與公共業務分離。AOP技術正是通過編寫橫切關注點的代碼，即“方面”，分離出通用的服務以形成統一的功能架構。它能夠將應用程序中的商業邏輯同對其提供支持的通用服務進行分離，使得開發人員從重復解決通用服務的勞動中解脫出來，而僅專注于企業的核心商業邏輯。因此，AOP技術也就受到越來越多的關注，而應用于各種平臺下的AOP技術也應運而生。但由于AOP技術相對于成熟的OOP技術而言，在性能、穩定性、適用性等方面還有待完善，同時AOP技術也沒有形成一個統一的標準，這使得AOP技術的研究更具有前沿性的探索價值。
2、AOP技術基礎
2.1 AOP技術起源
AOP 技術的誕生并不算晚，早在1990年開始，來自Xerox Palo Alto Research Lab（即PARC）的研究人員就對面向對象思想的局限性進行了分析。他們研究出了一種新的編程思想，借助這一思想或許可以通過減少代碼重復模塊從而幫助開發人員提高工作效率。隨著研究的逐漸深入，AOP也逐漸發展成一套完整的程序設計思想，各種應用AOP的技術也應運而生。
AOP技術在Java 平臺下是最先得到應用的。就在PARC對于面向方面編程進行研究的同時，美國Northeastern University的博士生Cristina Lopes和其同事也開始了類似的思考。最終，美國國防先進技術研究計劃署（Defense Advanced Research Projects Agency即DARPA）注意到了這項工作，并提供了科研經費，鼓勵將二者的工作成果結合起來。他們通過定義一套Java語言的擴展系統，使開發者可以方便的進行面向方面的開發，這套擴展系統被稱為AspectJ。之后，AspectJ在2002年被轉讓給Eclipse Foundation，從而成為在開源社區中AOP技術的先鋒，也是目前最為流行的AOP工具。
AspectWerkz則是基于Java的動態的、輕量級AOP框架。AspectWerkz仍然是開源社區中的產品，由BEA System提供贊助，開發者則是BEA的兩名員工Jonas Bonér和Alexandre Vasseur。最近版本是AspectWerkz 2.0。2005年1月，AspectJ和AspectWerkz達成協議，同意將二者的成果綜合到一起，取其精華創建一個單一的工具。他們合作的第一個發布版本為AspectJ 5，它擴展了AspectJ語言，以支持基于Annotation開發風格而又支持類似AspectJ代碼風格。AspectJ 5也為Java 5的語言特性提供完全的AOP支持。
在Java陣營中，商用軟件制造商JBoss在其2004年推出的JBoss 4.0中，引入了AOP框架和組件。在JBoss 4.0中，用戶可以在JBoss應用服務器外部單獨使用JBoss AOP，該版本為JBoss AOP 1.0，是在2004年10月發布的。在2005年，JBoss AOP框架又發布了1.3.0版本，新版本對加載期織入（Weev）和切點（point cut）匹配的性能做了很大的優化，使應用程序的啟動時間大大縮短。
作為輕型的Framework，Spring在開發輕量級的J2EE時，應用是非常廣泛的。它通過IoC模式（Inversion of Control，控制反轉模式）來實現AOP，通常被稱為Spring AOP。在2004年，被作為Spring框架的擴展而發布，目前版本已更新到1.1.3。Spring AOP作為一種非侵略性的，輕型的AOP框架，開發者無需使用預編譯器或其他的元標簽，在Java程序中應用AOP。目前，AOP的功能完全集成到了 Spring事務管理、日志和其他各種特性的上下文中。
在.Net的陣營中，AOP技術的應用遠不如Java陣營對AOP的關注。2005年1 月，微軟發布的Enterprise Library提供了7種不同的“應用程序塊（application blocks）”。有個別專家認為，這些組件可以被認為是方面。但該觀點并未得到一致的認同。事實上，在.Net平臺下，推動AOP技術發展的原動力并非微軟，而是開源社區。雖然，微軟的技術專家們亦然聽到了在.Net Framework中增加AOP技術的群眾呼聲，但作為如此巨大的軟件公司，要讓它靈活地轉變戰略方向，顯然是不太現實的。正因為此，才賜予了開源社區在 AOP技術的研究與探索上一個巨大的發展空間。
與Java陣營中的AOP技術不同，目前在.Net平臺下的各種AOP工具，基本上還停留在實驗室階段。但一些在技術上領先且逐漸成熟的AOP產品，也在開源社區中漸露崢嶸。這其中主要包括Aspect#，AspectDNG，Eos AOP等。
Aspect# 是基于Castle動態代理技術來實現的。Castle源于Apache Avalon項目，其目的在于實現一個輕量級的IoC容器。Aspect#于2005年6月被收錄為Castle的其中一個子項目。它是針對CLI （.Net和Mono）實現的AOP框架，利用了反射、代理等機制。目前的Aspect#版本為2.1.1。
AspectDNG目前的版本為 0.7，仍然處于beta版的階段。它的實現技術是基于rail的靜態織入。Rail屬于IL級別下的代碼織入，它自定義的一套xml格式的ILML語言，能夠將原有的程序集拆散成ILML格式，以便于對靜態程序集進行修改和擴展，從而達到靜態織入的目的。因為 AspectDNG是屬于IL級別下的代碼織入，因此在.Net平臺下，并不受具體的編程語言限制。
Eos AOP與AspectDNG一樣，仍然采用靜態織入的方式，但從語法定義上，它更近似于AspectJ關于AOP的實現。它擴展了C#語法，引入了 aspect、introduce、before、after等關鍵字，并且提供了專用的Eos編譯器。Eos項目是于2004年9月開始啟動，2005 年6月推出的0.3.3版本為最新版本，主要的開發人員為Hridesh Rajan和Kevin Sullivan。前者為Virginia大學計算機系的研究生，Eos項目最初是由Hridesh Rajan提出的；而后者則為該計算機系的副教授（Associate Professor）。所以自Eos誕生之初，就帶有濃厚的學院派特色。
從AOP技術的整體發展來看，高性能、穩定、可擴展、易用的AOP框架是其趨勢與目標。從上述對各種AOP技術的分析來看，AOP技術無疑是具有共同特點的，而各種實現技術就是圍繞著這些共性深入與延伸。接下來，我將概要地介紹AOP的本質，以及它的技術要素。
2.2 AOP技術本質
2.2.1 技術概覽
AOP （Aspect-Oriented Programming，面向方面編程），可以說是OOP（Object-Oriented Programing，面向對象編程）的補充和完善。OOP引入封裝、繼承和多態性等概念來建立一種對象層次結構，用以模擬公共行為的一個集合。當我們需要為分散的對象引入公共行為的時候，OOP則顯得無能為力。也就是說，OOP允許你定義從上到下的關系，但并不適合定義從左到右的關系。例如日志功能。日志代碼往往水平地散布在所有對象層次中，而與它所散布到的對象的核心功能毫無關系。對于其他類型的代碼，如安全性、異常處理和透明的持續性也是如此。這種散布在各處的無關的代碼被稱為橫切（cross-cutting）代碼，在OOP設計中，它導致了大量代碼的重復，而不利于各個模塊的重用。
而AOP 技術則恰恰相反，它利用一種稱為“橫切”的技術，剖解開封裝的對象內部，并將那些影響了多個類的公共行為封裝到一個可重用模塊，并將其名為 “Aspect”，即方面。所謂“方面”，簡單地說，就是將那些與業務無關，卻為業務模塊所共同調用的邏輯或責任封裝起來，便于減少系統的重復代碼，降低模塊間的耦合度，并有利于未來的可操作性和可維護性。AOP代表的是一個橫向的關系，如果說“對象”是一個空心的圓柱體，其中封裝的是對象的屬性和行為；那么面向方面編程的方法，就仿佛一把利刃，將這些空心圓柱體剖開，以獲得其內部的消息。而剖開的切面，也就是所謂的“方面”了。然后它又以巧奪天功的妙手將這些剖開的切面復原，不留痕跡。
使用“橫切”技術，AOP把軟件系統分為兩個部分：核心關注點和橫切關注點。業務處理的主要流程是核心關注點，與之關系不大的部分是橫切關注點。橫切關注點的一個特點是，他們經常發生在核心關注點的多處，而各處都基本相似。比如權限認證、日志、事務處理。Aop 的作用在于分離系統中的各種關注點，將核心關注點和橫切關注點分離開來。正如Avanade公司的高級方案構架師Adam Magee所說，AOP的核心思想就是“將應用程序中的商業邏輯同對其提供支持的通用服務進行分離。”
實現AOP的技術，主要分為兩大類：一是采用動態代理技術，利用截取消息的方式，對該消息進行裝飾，以取代原有對象行為的執行；二是采用靜態織入的方式，引入特定的語法創建“方面”，從而使得編譯器可以在編譯期間織入有關“方面”的代碼。然而殊途同歸，實現AOP的技術特性卻是相同的，分別為：
1、join point（連接點）：是程序執行中的一個精確執行點，例如類中的一個方法。它是一個抽象的概念，在實現AOP時，并不需要去定義一個join point。
2、point cut（切入點）：本質上是一個捕獲連接點的結構。在AOP中，可以定義一個point cut，來捕獲相關方法的調用。
3、advice（通知）：是point cut的執行代碼，是執行“方面”的具體邏輯。
4、aspect（方面）：point cut和advice結合起來就是aspect，它類似于OOP中定義的一個類，但它代表的更多是對象間橫向的關系。
5、introduce（引入）：為對象引入附加的方法或屬性，從而達到修改對象結構的目的。有的AOP工具又將其稱為mixin。
上述的技術特性組成了基本的AOP技術，大多數AOP工具均實現了這些技術。它們也可以是研究AOP技術的基本術語。 2.2.2 橫切技術
“橫切”是AOP的專有名詞。它是一種蘊含強大力量的相對簡單的設計和編程技術，尤其是用于建立松散耦合的、可擴展的企業系統時。橫切技術可以使得AOP在一個給定的編程模型中穿越既定的職責部分（比如日志記錄和性能優化）的操作。
如果不使用橫切技術，軟件開發是怎樣的情形呢？在傳統的程序中，由于橫切行為的實現是分散的，開發人員很難對這些行為進行邏輯上的實現或更改。例如，用于日志記錄的代碼和主要用于其它職責的代碼纏繞在一起。根據所解決的問題的復雜程度和作用域的不同，所引起的混亂可大可小。更改一個應用程序的日志記錄策略可能涉及數百次編輯——即使可行，這也是個令人頭疼的任務。
在AOP中，我們將這些具有公共邏輯的，與其他模塊的核心邏輯糾纏在一起的行為稱為“橫切關注點（Crosscutting Concern）”，因為它跨越了給定編程模型中的典型職責界限。
2.2.2.1 橫切關注點
一個關注點（concern）就是一個特定的目的，一塊我們感興趣的區域，一段我們需要的邏輯行為。從技術的角度來說，一個典型的軟件系統包含一些核心的關注點和系統級的關注點。舉個例子來說，一個信用卡處理系統的核心關注點是借貸/存入處理，而系統級的關注點則是日志、事務完整性、授權、安全及性能問題等，許多關注點——即橫切關注點（crosscutting concerns）——會在多個模塊中出現。如果使用現有的編程方法，橫切關注點會橫越多個模塊，結果是使系統難以設計、理解、實現和演進。AOP能夠比上述方法更好地分離系統關注點，從而提供模塊化的橫切關注點。
例如一個復雜的系統，它由許多關注點組合實現，如業務邏輯、性能，數據存儲、日志和調度信息、授權、安全、線程、錯誤檢查等，還有開發過程中的關注點，如易懂、易維護、易追查、易擴展等，圖2.1演示了由不同模塊實現的一批關注點組成一個系統。

圖2.1 把模塊作為一批關注點來實現
通過對系統需求和實現的識別，我們可以將模塊中的這些關注點分為：核心關注點和橫切關注點。對于核心關注點而言，通常來說，實現這些關注點的模塊是相互獨立的，他們分別完成了系統需要的商業邏輯，這些邏輯與具體的業務需求有關。而對于日志、安全、持久化等關注點而言，他們卻是商業邏輯模塊所共同需要的，這些邏輯分布于核心關注點的各處。在AOP中，諸如這些模塊，都稱為橫切關注點。應用AOP的橫切技術，關鍵就是要實現對關注點的識別。
如果將整個模塊比喻為一個圓柱體，那么關注點識別過程可以用三棱鏡法則來形容，穿越三棱鏡的光束（指需求），照射到圓柱體各處，獲得不同顏色的光束，最后識別出不同的關注點。如圖2.2所示：

圖2.2 關注點識別：三棱鏡法則
上圖識別出來的關注點中，Business Logic屬于核心關注點，它會調用到Security，Logging，Persistence等橫切關注點。
public class BusinessLogic
{
? ? public void SomeOperation()
? ?? ? {
? ?? ?? ?? ???//驗證安全性；Securtity關注點；
? ?? ?? ?? ? //執行前記錄日志；Logging關注點；
? ?? ?? ?? ???DoSomething();
? ?? ?? ?? ???//保存邏輯運算后的數據；Persistence關注點；
? ?? ???//執行結束記錄日志；Logging關注點；
}
}
AOP 的目的，就是要將諸如Logging之類的橫切關注點從BusinessLogic類中分離出來。利用AOP技術，可以對相關的橫切關注點封裝，形成單獨的“aspect”。這就保證了橫切關注點的復用。由于BusinessLogic類中不再包含橫切關注點的邏輯代碼，為達到調用橫切關注點的目的，可以利用橫切技術，截取BusinessLogic類中相關方法的消息，例如SomeOperation()方法，然后將這些“aspect”織入到該方法中。例如圖2.3： 圖2.3 將橫切關注點織入到核心關注點中
通過利用AOP技術，改變了整個系統的設計方式。在分析系統需求之初，利用AOP的思想，分離出核心關注點和橫切關注點。在實現了諸如日志、事務管理、權限控制等橫切關注點的通用邏輯后，開發人員就可以專注于核心關注點，將精力投入到解決企業的商業邏輯上來。同時，這些封裝好了的橫切關注點提供的功能，可以最大限度地復用于商業邏輯的各個部分，既不需要開發人員作特殊的編碼，也不會因為修改橫切關注點的功能而影響具體的業務功能。
為了建立松散耦合的、可擴展的企業系統，AOP應用到的橫切技術，通常分為兩種類型：動態橫切和靜態橫切。
2.2.2.2 動態橫切
動態橫切是通過切入點和連接點在一個方面中創建行為的過程，連接點可以在執行時橫向地應用于現有對象。動態橫切通常用于幫助向對象層次中的各種方法添加日志記錄或身份認證。在很多應用場景中，動態橫切技術基本上代表了AOP。
動態橫切技術的核心主要包括join point（連接點），point cut（切入點），advice（通知）和aspect（方面）。在前面，我已經概要地介紹了這些術語分別代表的含義。接下來，我將以一個具體的實例來進一步闡述它們在AOP動態橫切中實現的意義。
考慮一個電子商務系統，需要對訂單進行添加、刪除等管理操作。毫無疑問，在實際的應用場景中，這些行為應與權限管理結合，只有獲得授權的用戶方能夠實施這些行為。采用傳統的設計方法，其偽代碼如下：
public class OrderManager
{
private ArrayList m_Orders;
public OrderManager()
{
? ?? ? m_Orders = new ArrayList();
}
public void AddOrder(Order order)
{
? ? if (permissions.Verify(Permission.ADMIN))
? ? {
? ?? ?? ?? ???m_Orders.Add(order);
? ? }
}
public void RemoveOrder(Order order)
{
? ? if (permissions.Verify(Permission.ADMIN))
? ? {
? ?? ?? ?? ???m_Orders.Remove(order);
? ? }
}
}
同樣的，在該電子商務系統中，還需要對商品進行管理，它采用了同樣的授權機制：
public class ProductManager
{
private ArrayList m_Products;
public ProductManager()
{
? ?? ? m_Products = new ArrayList();
}
public void AddProduct(Product product)
{
? ? if (permissions.Verify(Permission.ADMIN))
? ? {
? ?? ?? ?? ???m_Products.Add(product);
? ? }
}
public void RemoveProduct(Product product)
{
? ? if (permissions.Verify(Permission.ADMIN))
? ? {
? ?? ?? ?? ???m_Products.Remove(product);
? ? }
}
}
如此以來，在整個電子商務系統中，核心業務包括訂單管理和商品管理，它們都需要相同的權限管理，如圖2.4所示：

圖2.4 電子商務系統的權限驗證實現
? ? 毫無疑問，利用AOP技術，我們可以分離出系統的核心關注點和橫切關注點，從橫向的角度，截取業務管理行為的內部消息，以達到織入權限管理邏輯的目的。當執行AddOrder()等方法時，系統將驗證用戶的權限，調用橫切關注點邏輯，因此該方法即為AOP的join point。對于電子商務系統而言，每個需要權限驗證的方法都是一個單獨的join point。由于權限驗證將在每個方法執行前執行，所以對于這一系列join point，只需要定義一個point cut。當系統執行到join point處時，將根據定義去查找對應的point cut，然后執行這個橫切關注點需要實現的邏輯，即advice。而point cut和advice，就組合成了一個權限管理aspect。

圖2.5 AOP動態橫切的技術實現
由于aspect是一個封裝的對象，我們可以定義這樣一個aspect：
private static aspect AuthorizationAspect{……}
然后在這個aspect中定義point cut，在point cut中，定義了需要截取上下文消息的方法，例如：
private pointcut authorizationExecution():
execution(public void OrderManager.AddOrder(Order)) ||
execution(public void OrderManager.DeleteOrder(Order)) ||
execution(public void ProductManager.AddProduct(Product)) ||
execution(public void ProductManager.DeleteProduct(Product));
由于權限驗證是在訂單管理方法執行之前完成，因此在before advice中，定義權限檢查：
before(): authorizationExecution()
{
if !(permissions.Verify(Permission.ADMIN))
{
? ? throw new UnauthorizedException();
}
}
通過定義了這樣一個完整的aspect，當系統調用OrderManager或ProductManager的相關方法時，就觸發了point cut，然后調用相應的advice邏輯。如此以來，OrderManager和ProductManager模塊就與權限管理模塊完全解除了依賴關系，同時也消除了傳統設計中不可避免的權限判斷的重復代碼。這對于建立一個松散耦合、可擴展的系統軟件是非常有利的。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的AOP技术基础(转)的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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