AOP實(shí)現(xiàn)原理：從命令式編程和聲明式編程說起
面向方面編程（Aspect Oriented Programming，簡(jiǎn)稱AOP）是一種聲明式編程（Declarative Programming）。聲明式編程是和命令式編程（Imperative Programming）相對(duì)的概念。我們平時(shí)使用的編程語言，比如C++、Java、Ruby、Python等，都屬命令式編程。命令式編程的意思是，程序員需要一步步寫清楚程序需要如何做什么（How to do What）。聲明式編程的意思是，程序員不需要一步步告訴程序如何做，只需要告訴程序在哪些地方做什么（Where to do What）。比起命令式編程來，聲明式編程是在一個(gè)更高的層次上編程。聲明式編程語言是更高級(jí)的語言。聲明式編程通常處理一些總結(jié)性、總覽性的工作，不適合做順序相關(guān)的細(xì)節(jié)相關(guān)的底層工作。
如果說命令式編程是拼殺在第一線的基層工作人員，聲明式編程就是總設(shè)計(jì)師、規(guī)則制定者。聲明式編程語言的概念，和領(lǐng)域?qū)Ｓ谜Z言（Domain Specific Language，簡(jiǎn)稱DSL）的概念有相通之處。DSL主要是指一些對(duì)應(yīng)專門領(lǐng)域的高層編程語言，和通用編程語言的概念相對(duì)。DSL對(duì)應(yīng)的專門領(lǐng)域（Domain）一般比較狹窄，或者對(duì)應(yīng)于某個(gè)行業(yè)，或者對(duì)應(yīng)于某一類具體應(yīng)用程序，比如數(shù)據(jù)庫等。
最常見的DSL就是關(guān)系數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)查詢語言SQL。同時(shí)，SQL也是一門聲明式語言。SQL只需要告訴數(shù)據(jù)庫，處理符合一定條件的數(shù)據(jù)，而不需要自己一步步判斷每一條數(shù)據(jù)是否符合條件。SQL的形式一般是 select … where …，update … where …，delete … where …。當(dāng)然，這樣一來，很多基層工作，SQL做不了。因此，大部分?jǐn)?shù)據(jù)庫都提供了另外的命令式編程語言，用來編寫存儲(chǔ)過程等，以便處理一些更加細(xì)節(jié)的工作。
常見的DSL還有規(guī)則引擎（Rule Engine）語言、工作流（Workflow）語言等。規(guī)則引擎和工作流同時(shí)帶有命令式編程和聲明式編程的特點(diǎn)。規(guī)則引擎允許用戶按照優(yōu)先級(jí)定義一系列條件組合，并定義對(duì)滿足條件的數(shù)據(jù)的處理過程。工作流也大致類似。工作流把最基本的條件判斷和循環(huán)語句的常見組合，定義為更加高級(jí)復(fù)雜的常用程序流程邏輯塊。用戶可以用這些高級(jí)流程塊組合更加復(fù)雜的流程塊，從而定義更加復(fù)雜的流程跳轉(zhuǎn)條件。用戶也可以定義當(dāng)程序運(yùn)行上下文滿足一定條件的時(shí)候，應(yīng)該做什么樣的處理工作。規(guī)則引擎和工作流的語言形式有可能是XML格式，也有可能是Ruby、Python、Javascript等腳本格式。我個(gè)人比較傾向于腳本格式，因?yàn)閄ML適合表達(dá)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，而不擅長表達(dá)邏輯流程。當(dāng)然，XML格式的好處也是顯而易見的。解析器可以很容易分析XML文件的結(jié)構(gòu)，XML定義的條件或者程序流程都可以很方便地作為數(shù)據(jù)來處理。
介紹了聲明式編程和DSL之后，我們來看本章題目表達(dá)的內(nèi)容——AOP。AOP是聲明式編程，AOP語言也可以看作是DSL。AOP語言對(duì)應(yīng)的專門領(lǐng)域（Domain）就是程序結(jié)構(gòu)的方方面面（Aspect），比如程序的類、方法、成員變量等結(jié)構(gòu)，以及針對(duì)這些程序結(jié)構(gòu)的通用工作處理，比如日志管理、權(quán)限管理、事務(wù)管理等。
AOP處理的工作內(nèi)容一般都是這樣的一些總結(jié)性工作：“我想讓所有的數(shù)據(jù)庫類都自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫映射”、“我想打印出所有業(yè)務(wù)類的工作流程日志”、“我想給所有關(guān)鍵業(yè)務(wù)方法都加上事務(wù)管理功能”、“我想給所有敏感數(shù)據(jù)處理方法都加上安全管理授權(quán)機(jī)制”等等。
下面我們介紹AOP的實(shí)現(xiàn)原理和使用方法。
AOP實(shí)現(xiàn)原理
AOP的實(shí)現(xiàn)原理可以看作是Proxy/Decorator設(shè)計(jì)模式的泛化。我們先來看Proxy模式的簡(jiǎn)單例子。
- Proxy {
- innerObject; // 真正的對(duì)象
- f1() {
- // 做一些額外的事情
- innerObject.f1(); // 調(diào)用真正的對(duì)象的對(duì)應(yīng)方法
- // 做一些額外的事情
- }
- }
在Python、Ruby等動(dòng)態(tài)類型語言中，只要實(shí)現(xiàn)了f1()方法的類，都可以被Proxy包裝。在Java等靜態(tài)類型語言中，則要求Proxy和被包裝對(duì)象實(shí)現(xiàn)相同的接口。動(dòng)態(tài)語言實(shí)現(xiàn)Proxy模式要比靜態(tài)語言容易得多，動(dòng)態(tài)語言實(shí)現(xiàn)AOP也要比靜態(tài)語言容易得多。假設(shè)我們用Proxy包裝了10個(gè)類，我們通過調(diào)用Proxy的f1()方法來調(diào)用這10個(gè)類的f1()方法，這樣，所有的f1()調(diào)用都會(huì)執(zhí)行同樣的一段“額外的工作”，從而實(shí)現(xiàn)了“所有被Proxy包裝的類，都執(zhí)行一段同樣的額外工作”的任務(wù)。這段“額外的工作”可能是進(jìn)行日志記錄，權(quán)限檢查，事務(wù)管理等常見工作。
Proxy模式是可以疊加的。我們可以定義多種完成特定方面任務(wù)（Aspect），比如，我們可以定義LogProxy、SecurityProxy、TransactionProxy，分別進(jìn)行日志管理、權(quán)限管理、事務(wù)管理。
- LogProxy {
- f1(){
- // 記錄方法進(jìn)入信息
- innerObject.f1();// 調(diào)用真正的對(duì)象的對(duì)應(yīng)方法
- // 記錄方法退出信息
- }
- }
- SecurityProxy {
- f1(){
- // 進(jìn)行權(quán)限驗(yàn)證
- innerObject.f1();// 調(diào)用真正的對(duì)象的對(duì)應(yīng)方法
- }
- }
- TransactonProxy {
- f1(){
- Open Transaction
- innerObject.f1();// 調(diào)用真正的對(duì)象的對(duì)應(yīng)方法
- Close Transaction
- }
- }
根據(jù)AOP的慣用叫法，上述的這些Proxy也叫做Advice。這些Proxy（or Advice）可以按照一定的內(nèi)外順序套起來，最外面的Proxy會(huì)最先執(zhí)行。包裝f1（）方法，也叫做截獲（Intercept）f1()方法。Proxy/Advice有時(shí)候也叫做Interceptor。
看到這里，讀者可能會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)問題。
問題一：上述代碼采用的Proxy模式只是面向?qū)ο蟮奶匦裕趺磿?huì)扯上一個(gè)新概念“面向方面（AOP）”呢？
問題二：Proxy模式雖然避免了重復(fù)“額外工作”代碼的問題，但是，每個(gè)相關(guān)類都要被Proxy包裝，這個(gè)工作也是很煩人。AOP Proxy如何能在應(yīng)用程序中大規(guī)模使用呢？
下面我們來解答著兩個(gè)問題。
對(duì)于問題一，我們來看一個(gè)復(fù)雜一點(diǎn)的例子。假設(shè)被包裝對(duì)象有f1()和f2()兩個(gè)方法都要被包裝。
- RealObject{
- f1() {…}
- f2() {…}
- }
這個(gè)時(shí)候，我們應(yīng)該如何做？難道讓Proxy也定義f1()和f2()兩個(gè)方法？就象下面代碼這樣？
- Proxy {
- innerObject; // 真正的對(duì)象
- f1() {
- // 做一些額外的事情
- innerObject.f1(); // 調(diào)用真正的對(duì)象的對(duì)應(yīng)方法
- // 做一些額外的事情
- }
- f2() {
- // 做一些額外的事情
- innerObject.f2(); // 調(diào)用真正的對(duì)象的對(duì)應(yīng)方法
- // 做一些額外的事情
- }
- }
這樣做有幾個(gè)不利之處。一是會(huì)造成代碼重復(fù)，Proxy的f1()和f2()里面的“做一些額外的事情”代碼重復(fù)。二是難以擴(kuò)展，被包裝對(duì)象可能有多個(gè)不同的方法，不同的被包裝對(duì)象需要被包裝的方法也可能不同。現(xiàn)在的問題就變成，“Proxy如何才能包裝截獲任何類的任何方法？”
答案呼之欲出。對(duì)，就是Reflection。Java、Python、Ruby都支持Reflection，都支持Method（方法）對(duì)象。那么我們就利用Method Reflection編寫一個(gè)能夠解惑任何類的任何方法的Proxy/Advice/Interceptor。
- MethodInterceptor{
- around( method ){
- // 做些額外的工作
- method.invoke(…); // 調(diào)用真正的對(duì)象方法
- // 做些額外的工作
- }
- }
上述的MethodInterceptor就可以分別包裝和截獲f1()和f2()兩個(gè)方法。
這里的method參數(shù)就是方法對(duì)象，在Java、Ruby等面向?qū)ο笳Z言中，需要用Reflection獲取方法對(duì)象。這個(gè)方法對(duì)象就相當(dāng)于函數(shù)式編程的函數(shù)對(duì)象。在函數(shù)式編程中，函數(shù)對(duì)象屬于“一等公民”，函數(shù)對(duì)象的獲取不需要經(jīng)過Reflection機(jī)制。所以，函數(shù)式編程對(duì)AOP的支持，比面向?qū)ο缶幊谈谩Ｓ纱宋覀兛吹剑珹OP對(duì)應(yīng)的問題領(lǐng)域確實(shí)超出了OOP的力所能及的范圍。OOP只能處理同一個(gè)類體系內(nèi)的同一個(gè)方法簽名的截獲和包裝工作，一旦涉及到一個(gè)類的多個(gè)不同方法，或者多個(gè)不同類體系的不同方法，OOP就黔驢技窮，無能為力了。
使用Method Reflection的方式截獲任何方法對(duì)象，是AOP的常用實(shí)現(xiàn)手段之一。另一個(gè)常見手段就是自動(dòng)代碼生成了。這也回答了前面提出的問題二——如何在應(yīng)用系統(tǒng)中大規(guī)模使用AOP。
Proxy Pattern + Method Reflection + 自動(dòng)代碼生成這樣一個(gè)三元組合，就是AOP的基本實(shí)現(xiàn)原理。Proxy Pattern 和 Method Reflection，前面已經(jīng)做了闡述，下面我們來講解自動(dòng)代碼生成。
首先，AOP需要定義一種Aspect描述的DSL。Aspect DSL主要用來描述這樣的內(nèi)容：“用TransactionProxy包裝截獲business目錄下的所有類的公共業(yè)務(wù)方法”、“ 用SecurityProxy包裝截獲所有Login/Logout開頭的類的所有公共方法”、“用LogProxy包裝截獲所有文件的所有方法”等等。Aspect DSL的形式有多種多樣。有的是一種類似Java的語法，比如AspectJ；有的是XML格式或者各種腳本語言，比如，Spring AOP等。
有了Aspect DSL，AOP處理程序就可以生成代碼了。AOP生成代碼有三種可能方式：
（1）靜態(tài)編譯時(shí)期，源代碼生成。為每個(gè)符合條件的類方法產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的Proxy對(duì)象。AspectJ以前就是這種方式。
（2）靜態(tài)編譯時(shí)期，處理編譯后的字節(jié)碼。Java、Python之類的虛擬機(jī)語言都有一種中間代碼（Java的中間代碼叫做字節(jié)碼），AOP處理程序可以分析字節(jié)碼，并直接產(chǎn)生字節(jié)碼形式的Proxy。這種方式也叫做靜態(tài)字節(jié)碼增強(qiáng)。AspectJ也支持這種方式。Java有一些開源項(xiàng)目，比如 ASM、Cglib等，可以分析并生成Java字節(jié)碼。這些開源項(xiàng)目不僅可以靜態(tài)分析增強(qiáng)字節(jié)碼，還可以在程序運(yùn)行期動(dòng)態(tài)分析增強(qiáng)字節(jié)碼。很多AOP項(xiàng)目,比如Spring AOP，都采用ASM/Cglib處理字節(jié)碼。
（3）動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)期，即時(shí)處理裝載到虛擬機(jī)內(nèi)部的類結(jié)構(gòu)字節(jié)碼。這也叫做動(dòng)態(tài)增強(qiáng)。比如，Spring AOP。如前所述，Spring AOP使用ASM/Cglib之類的處理字節(jié)碼的開源項(xiàng)目。Java運(yùn)行庫本身也提供了類似于ASM/Cglib的簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)處理字節(jié)碼的API，叫做 Dynamic Proxy。
以上就是AOP的實(shí)現(xiàn)原理：Proxy Pattern + Method Reflection + Aspect DSL + 自動(dòng)代碼生成。
總體來說，實(shí)現(xiàn)AOP的便利程度，函數(shù)式編程語言 > 動(dòng)態(tài)類型語言 > 靜態(tài)類型語言。當(dāng)然，這個(gè)不等式并不是絕對(duì)的。有些動(dòng)態(tài)類型語言提供了豐富強(qiáng)大的語法特性，實(shí)現(xiàn)AOP的便利程度，可能要超過函數(shù)式編程語言。
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