《编程机制探析》第二十一章 AOP

《编程机制探析》第二十一章 AOP

第二十一章 AOP

程序设计的一个重要目标就是提高重用性，避免重复代码。
到目前为止，我们已经接触到了诸多重用手段——过程式编程，面向对象编程，函数式编程，泛型编程，设计模式，等等。
本章介绍一种新的重用手段——面向方面编程（Aspect Oriented Programming），简称AOP。
什么叫做方面（Aspect）？这个词很难从字面上解释。我们还是通过具体的应用场景来看理解AOP的概念。
在程序设计中，我们虽然有各种手段来消除重复代码，但是，总有那么一些地方，遍布着重复代码，而那些地方，是我们现有的重用手段无法涉及的领域。我给那些地方起个名字，叫做设计死角。
那么，有哪些地方是设计死角呢？让我们来看几个具体的例子。
第一个例子，程序运行日志（Log）。
为了方便程序员（或者管理员）追踪应用程序的运行状态，程序员通常在程序代码中加入日志记录功能。
在原始的年代里，程序员大量使用print语句来输出程序运行的当前状态。虽然现在还是有很多程序员这么做。但是，这种做法已经是被摒弃的。正确的做法是使用日志（Log）编程接口。
通过日志（Log）编程库，我们可以定义日志开关，决定是否记录日志；我们可以定义日志存放位置，屏幕、文件、或者数据库；我们可以定义日志格式，简单文本、XML或者HTML；我们可以定义日志内容，决定哪些内容记录，哪些内容不记录；对于多个模块，我们可以定义多种日志记录方式；总之，日志编程库的好处不胜枚举。
现代程序员基本上都用日志编程库进行日志记录。但是，他们使用日志编程库的手段还是那么原始，他们照样把日志记录语句写得到处都是，遍布程序中各个角落。
那些日志记录语句就是重复代码，那些日志记录语句所在之地，就是设计死角。因为，日志记录遍及所有的对象类型中，我们无法用现有的设计手段进行统一设计。
第二个例子，数据库事务（Transaction）。
数据库是应用开发中最常用到的存储结构。数据库事务是操作数据库中最常遇到的问题。
这里简单地介绍一下数据库事务的概念。
数据库事务的和“原子操作”的概念有些相似。
在数据库中，我们执行一件任务，涉及到改动多处数据，我们希望这些改动，要么一次都成功，要么一切都保持原状。这样的一种“多个步骤合成一个原子步骤”的操作，就叫做数据库事务。
数据库事务分为两种——局部事务（Local Transaction）和全局事务（Global Transaction）。
局部事务中，涉及的数据库只有一个，涉及的数据也只在一个数据库中，这是我们在应用程序开发中最常遇到的事务。
局部事务的处理也很简单，就是把数据库的自动提交（Auto Commit）功能关掉，自己在所有数据操作都成功之后，在手动进行提交（Commit）处理；否则就进行回滚（Roll back）操作，一切恢复原状。
全局事务的情况就要复杂一些，涉及到多个数据库中的数据操作。这时候，就要保证所有数据库中的操作全都要同时成功提交，或者同时回滚、恢复原状。全局事务多见于一些拥有多个数据服务器的大型机构中。
全局事务的处理相当复杂，卷入全局事务的所有数据库，相互之间要进行复杂的通信和确认，才能保证全局事务的“原子性”。
当然，数据库事务的繁简与否，不是我们关心的问题。我们关心的是，这些事务代码分布在哪里。我们需要把事务代码分布到几乎所有的数据库操作代码中。
我们应该如何设计，才能消除这些重复的事务代码？要知道，进行操作数据库的对象各种各样，没有统一的接口定义。
这些事务代码遍及之处，就是设计死角。
看过了这两个例子，你应该对方面（Aspect）这个词有了感性体会。是的，Aspect就是设计死角。Aspect就是遍及在程序中的日志代码。Aspect就是遍及在程序中的事务代码。在AOP的概念中，这是两个不同的Aspect，分别叫做Log Aspect和Transaction Aspect。
AOP的目的就是把这些重复代码从程序中抽离出来，在程序编译或者运行的时候，再把这些重复代码自动“回填”程序中的对应位置，从而免除了程序员的重复劳动。
从AOP的目的，可以看出AOP模型中的两个主要组成部分——重复代码和回填位置。
重复代码就是日志代码、事务代码等。回填位置就是重复代码原来所在的位置，即设计死角，或者叫做Aspect。
AOP处理器（编译器或者解释器）的工作很简单，就是在所有的回填位置中，加入程序员定义的重复代码。
AOP用户的工作是什么？就是定义重复代码和回填位置。
代码部分不用说了，我们来看回填位置应该如何定义。
首先，我们需要明确，回填位置都可以包括哪些位置。
重复代码是否可以填入到程序中的任何一条语句的前面或者后面？可以说，这种想法只存在理论上的可行性。
实现上的效率且不说，就从用法上来说，也没有什么现实意义。
想象一下，我们需要给AOP编译器（或者解释器）定义这样一个任务：请把重复代码加入到方法f中的if(x > 0)语句之前。
为了描述“方法f中的if(x > 0)语句之前”这个位置，我们写的东西可能比重复代码还要长，还不如直接就把重复代码加到“方法f中的if(x > 0)语句之前”呢。
因此，这里有一个原则，回填位置的定义必须是简洁的。
既然语句级别不行，那么我们再上一级，到方法（过程、函数）的级别，这已经是代码块容身的*别了。如果这个级别也不行。那么，AOP也就别实现了。
幸运的是，这个级别是可行的。因为方法名简单易写，方法存身的类名、包名、模块名也很容易写，而且，还可以用通配符（*）来定义一批相似的回填范围。
AOP处理器（编译器或者解释器）根据回填位置定义，就可以把重复代码回填到方法（过程、函数）定义的前后。这个 “回填”的工作实际上相当于“篡改”了方法的原有行为，很像是黑客或者计算机病毒的行为。不过，AOP的“篡改”工作不是为了破坏，而是为了帮助。另外，“回填”这个动作，除了“篡改”这个别名之外，还有一个用得更广的别名，叫做“织入”（weave，编织），意思就是，把回填代码“编织”进原来的代码中。
AOP的“回填”动作的实现，基本上都是在Proxy Pattern（代理模式）的基础上实现的，即用一个Proxy对象包装原有对象的方法。例如：
LogProxy {
  innerObject; // 真正的对象
  f1() {
// Log here

innerObject.f1(); // 调用原来对象的对应方法

// Log here too
  }
}
再例如：
TransactionProxy {
  innerObject; // 真正的对象
  f1() {
// start Transaction

innerObject.f1(); // 调用原来对象的对应方法

// finish Transacion
  }
}
这些Proxy是可以叠加在一起的。叠加顺序由程序员自己指定。
当然，一个对象中的方法可能不止一个。这时候，我们就需要包装对象中所有需要AOP处理的方法。比如：
LogProxy {
  innerObject; // 真正的对象
  f1() {
// Log here

innerObject.f1(); // 调用真正的对象的对应方法

// Log here too
  }

  f2() {
// Log Hear

innerObject.f2(); // 调用真正的对象的对应方法

// Log here too
  }
}
这里面还是存在重复代码。Bad Smell。我们可以利用Reflection机制，写一个通用的方法截获器。截获器的英文叫做Interceptor。这个词汇有拦截的意思。
还有种叫法，叫做劫持（Hijack）。我们经常听说，某种浏览器被某某木马插件劫持了。就是这个意思。为了避免这种不良联想，我们还是用Interceptor这个更通用的词汇。
MethodInterceptor{

  around( method ){
    before(method)
 
    method.invoke(…); // 调用真正的对象方法
  
    after(method, result)
  }
}
Proxy可以继承这个MehtodInterceptor，实现before()和after()两个方法，把重复代码填进去。
函数式语言中，每个函数对象只有一个方法，用代理模式来包装，更加容易。从回填位置的声明上来说，回填位置定义中的通配符，等同于函数式编程中的模式匹配（Pattern Match）。从这两个方面看，函数式语言更有利于实现AOP。
Proxy Pattern + Method Reflection Interceptor + 代码自动生成（即回填）
这样一个三元组合，就是AOP的基本实现原理。AOP的实现多种多样，但是，其实现原理都脱不了这个范式。
AOP就像一个大染缸，本来干干净净的对象，经AOP一处理，就染上了（织入了）本来不属于它的特性。
AOP实现之间的区别，主要就在于代码自动生成（织入，填入）的方案。一般有两种方案。一种是在源代码上做文章，在编译器中加入插件，在编译源代码的过程中，把重复代码填进去（织进去），最后一起编译成目标代码。
一种是在目标代码上做文章。这种AOP直接处理目标代码，在目标代码中间填入（织入）重复代码。
这两种方案都是代码生成技术，我都不喜欢。实质上，重复代码还是分布在各处了。写在一处，复制到各处。
我喜欢第三种方案——在解释器或者虚拟机里做文章。当解释器或者虚拟机在执行代码的过程中，遇到回填位置，就会执行相应的重复代码。
这种实现方案就摆脱了代码生成技术，重复代码只有一处。但是，这种方案有一种致命的缺陷，那就是效率。
如果采取这种方案，那么，解释器或者虚拟机每次调用方法的时候，都需要查找“回填位置表”，看看这个方法是否在回填范围中。当然，我们可以做有限的优化。在第一次查找某方法之后，就在这个方法上贴上一个标签，比如，“无Interceptor”、“有LogInterceptor”、“有LogInterceptor、TransactionInterceptor”等。下一次，再遇到这个方法的时候，就可以不用查表了。但是，一个应用程序中的方法如此之多，这种优化的作用是很有限的。所以，这种方案是不现实的。我没有看到过这种方案，也没有想出解决思路。所以，目前的AOP还是代码生成技术的天下。
AOP的实现原理，讲到这里就结束了。我们这里稍微涉及一下具体的应用。由于AOP目前还是一种代码生成技术，不符合我的审美观。而且，AOP的入门例子到处都是，也不值得占用本书的篇幅。我们这里说明一下常见的AOP声明语法。
首先，我先给出，我理想中的AOP声明语法是什么样的，然后我们再来看现有AOP实现框架中的语法惯例。
我理想中的AOP声明语法是这样的。形式上类似于Haskell函数。
weave   拦截器列表   回填位置列表
用英文表示就是
weave  InterceptorList  LocationList
具体例子就是：
weave  [LogInterceptor,  TransationInterceptor]  [ com.*,  net.db.* ]
这段声明的含义就是，把[LogInterceptor,  TransationInterceptor]这个列表里面的所有拦截器，都织入到[ com.*,  net.db.* ]这些位置的所有方法里面。
这样就够了吗？还不够。我们还需要一个过滤器，叫做Filter或者Exclude，用来过滤掉或者排除掉一些不需要拦截的特殊方法。我们可以直接在LocationList里面支持这种过滤和排除功能。比如：
weave  [LogInterceptor,  TransationInterceptor]  [ com.*,  net.db.*,  - net.db.test.* ]
net.db.test.*前面加了一个负号（-）。这就表示，把net.db.test.*里面的所有方法都排除出去。
我们看到，这种声明形式很像是合法的程序调用代码。事实上，AOP确实会提供类似于这样的程序编程接口。只不过，他们的用词惯例不同。他们把LocationList叫做PointCut（切点，切面），把Interceptor叫做Advice。换成他们的词，AOP声明形式就是这样：
weave  AdviceList  PointCut
这就是一个weave函数，接受两个参数，AdviceList和PointCut。
在解释语言中，我们可以直接用这种函数调用代码的形式来声明AOP。因为解释语言的程序本身就可以当做配置文件来用，随时修改，随时运行，不需要重新编译。
但是，编译语言就不行了。为了保持AOP定义的灵活，我们必须把AOP声明从代码中抽出来，放在一个配置文件中，通常是XML文件中。
我们可以看到解释语言（通常是动态类型语言）的优越性。这也是我为什么倾向于动态类型语言的又一个原因。
另外，关于用XML表达程序结构，我是不太赞成的。在我看来，XML就是用来存放树形数据的。用XML来表达程序结构，简直就是滥用。但是，由于XML很容易解析，因此，这种滥用现象越来越严重。毕竟，解析一门解释语言，需要一个颇为复杂的词法、语法分析器，而XML需要的解析器则简单许多。
由于个人的好恶，我这里坚决不给出XML声明AOP的例子。反正只不过是把好端端的代码转换成蹩脚的XML格式而已。
另外，需要说明的是，在AOP的惯例声明语法中，Advice并不是直接对应Interceptor，而是对应Interceptor里面的before和after两个方法。我们可以把上面的MethondInterceptor进一步细化，变成：
BeforeAdvice{
  before(method)
}

AfterAdvice{
  after(method)
}


MethodInterceptor{
  BeforeAdvice beforeAdvice
  AfterAdvice  afterAdvice

  around( method ){
    beforeAdvice.before(method)
 
    result = method.invoke(…); // 调用真正的对象方法
  
    afterAdvice.after(method, result)
  }
}
按理来说，AOP的声明也就这些，到这里就完了。但是，还没有完。有些AOP玩出了花活儿，发明出了新式的AOP声明方式——运用一些语言中提供的标注（Annotation）特性进行AOP声明。
这是怎么做的呢？这种声明方式要求程序员用某种Annotation标注每一个需要织入AOP重复代码的方法。然后，AOP实现框架就在代码中去寻找这些Annotaion，进行相应的织入重复代码的处理。
这种写法用散布在各处的Annotation替换了集中在一处的AOP声明。你可以说这是一种创新，你也可以说，这是开历史的倒车。
俗话说，分久必合，合久必分。分有分的道理，合有合的道理，分分合合，就是这个道理。
AOP的作用本来是把散落在各个方法中的重复代码合在一处，进行集中处理。现在，又用Annotiaon把它分散开了。这个游戏倒是有趣。
当然了，喜欢这种声明方式的程序员可以举出若干好处。比如，Annotion比重复代码更加简洁方便，比集中式声明更加一目了然，云云。但这劝服不了我。我仍然固执地认为，这就是一种没事找事型的做法。天下本无事，庸人自扰之。还是那句老话，这是我的个人偏见，不必当真。