Software - Frameworks

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1 Software - Frameworks Lerninhalte laut Lehrplan Entwicklungswerkzeuge für Software Frameworks, z.b. J2EE oder.net ausgewählte Komponenten und Technologien der Software Frameworks J2EE oder.net in den Bereichen Präsentation, Anwendungslogik und Datenhaltung Implementierung praxisorientierter Probleme anhand der Software Frameworks, z.b. J2EE oder.net Analyse, Vergleich und Bewertung verschiedener Technologieansätze unter Berücksichtigung der inhärenten Grenzen Relevanz Für Entwickler Entwickler können mit Hilfe von Frameworks ihre Produktivität und Qualität ihrer Software erhöhen. Die heute verwendeten Frameworks sind meistens Open Source und damit kostengünstig, verbreitet und meist dennoch von Firmen unterstützt. Entwickler können durch Frameworks sehr gut Architekturen von Software kennen lernen. Durch das Nutzen von bestehenden Frameworks kann ein Entwickler die Qualität der Software erhöhen, da er das Rad nicht neu erfinden muss und sich auf eigentliche Business-Probleme fokussieren kann. Das Arbeiten auf der richtigen Abstraktionsebene wird erleichtert. Es gibt zu den Frameworks meist guten Support im Internet durch OpenSource Communities oder beim Hersteller. Für Kunden (intern, extern) Aus Kundensicht bringen Frameworks den Vorteil, dass keine unnötige Entwicklung und somit Kosten für Funktionalitäten die es schon gibt aufgewändet werden. Bereits gelöste Probleme werden nicht noch mal gelöst. Die Wartbarkeit der Anwendung ist eher gewährleistet und wechselnde oder neue Entwickler finden sich im Code schneller zurecht, da Frameworks gewisse Strukturen Strukturen und eine Codeaufteilung vorgeben. Warum ist Ruby-On-Rails ein gutes Beispiel für ein Framework? Java ist mit J2EE/JEE zweifelsohne neben.net, das am weitesten verbreitete Framework der letzten Jahre, was Anwendungsentwicklung im Business-Umfeld angeht. In den letzten Jahren haben sich vor allem im Web-Umfeld auch Frameworks, die auf dynamischen Sprachen wie Ruby und Python basieren etabliert. Sprachen, wie PHP, die ihre Verbreitung im und durch das Internet gefunden haben, werden inzwischen auch im Bereich der internen Business- Entwicklung verwendet. So sind einige der größten Internet-Portale neben den oben genannten Frameworks (wie z.b. ebay in Java), auch in anderen Sprachen implementiert (Facebook.com in PHP, Youtube.com in Python, groupon.com in Ruby (mit Rails)). Generell zeichnet sich ab, dass sowohl im Internet als auch intern in Firmen immer öfter zu Spezial-Sprachen und -Frameworks für bestimmte Probleme gegriffen wird. So ist z.b. das Facebook-Chat-Backend eine Kombination aus C++ und Erlang. Ruby ist ebenfalls eine solche Spezialsprache, die es erlaubt durch seine klare Syntax und Anpassbarkeit viele Probleme zu lösen. Durch Rails wurde ein Problem - die Erstellung vom Webanwendungen im MVC-Pattern - gelöst.

2 Frameworks allgemein Vorteile Software Frameworks fassen spezialisierte Problemlösungen zusammen und geben einen Rahmen für die Entwicklung einer Anwendung vor Software Frameworks unterscheiden sich von Bibliotheken dadurch, dass das Framework vorgibt, wie der Code aufgerufen wird und nicht das eigentliche Programm (Man spricht hier von Inversion of Control oder auch Hollywood principle - Don t call us, we ll call you. ) Der Rahmen wird meist durch Interfaces oder Abstrakte Klassen realisiert, die der Frameworknutzer dann implementieren muss Software Frameworks können sich aus gut durchdachter Software herauskristallisieren Software Frameworks erlauben es den Anwendungsentwicklern sich auf das eigentlich zu lösende Problem (z.b. Kontoführung) zu konzentrieren ohne Code für allgemeine Prob- leme schreiben zu müssen (z.b. Transaktionsbehandlung) Vorteile beim Nutzen von Frameworks: Probleme können auf hoher Abstraktionebene gelöst werden. Hierbei muss sichergestellt werden, dass für das Problem das richtige/passende Framework gewählt wird Reduzierung der Komplexität. Die Unsicherheit bzgl. des Gesamtproblems wird reduziert, da der allgemein Teil des Problems bereits durch das Framework gelöst ist. In der Komplexitätsnomenklatur von Cynefin kann man ggf. ein Gesamtproblem, das komplex ist in kompliziert schieben. Konzentration auf eigentliche Probleme. Das Framework nimmt die allgemeine Arbeit ab, so dass man sich auf das Businessproblem konzentrieren kann Getestete, bewährte Lösungen: Die meisten Frameworks sind weit verbreitet und entsprechend gut getestet und bereits lange im Einsatz. Welche weiteren Vorteile könnte es geben? Nachteile Nachteile beim Nutzen von Frameworks: Komplizierterer Code. Durch den Code des Frameworks wird eine gewisse Struktur vorgeben, die das Debugging, Profiling, Testen schwerer gestalten kann. Eine Einarbeitung in die Codestruktur ist erforderlich. Gefahr von Bloatware. Frameworks sind meist sehr umfangreich. Meist wird nur ein Teil des vom Framework bereitgestellten Codes selbst genutzt. Dies führt zu viel nicht genutztem/ausgeführtem Code, der dennoch Ressourcen verbrauchen und evtl. Sicherheitsriskien mitbringen kann. Abhängigkeit von Anbietern und deren Releasezyklen. Da ein großer Teil und die Gesamt-Struktur der Anwendung vom Frameworkhersteller anhängt ist eine starke Bindung an die Features und Releasesyklen des Anbieter gegen. Welche weiteren Nachteile könnte es geben?

3 Beispiele von Frameworks Frameworks sind in vielen Bereichen verbreitet. Object Relational Mapping ORM steht für Object-Relational-Mapping ORM Frameworks befassen sich mit dem Laden und Speichern von Objekten, sowie derer Attribute aus OO- Sprachen in relationalen DB-Systemen ORM Frameworks verwalten Assoziationen zwischen Objekten und deren Abbildungen in Objekten und der DB (1:1,1:n,n:m) Beispiele: ActiveRecord, Hibernate, ibatis, ADO.Net Concurrency Concurrency (Nebenläufigkeit) wird aufgrund von Multi-Core-Architekturen und verteilten Rechennetzen immer relevanter Ansätze, die dieses Problem mit Locks lösen funktionieren ab einer bestimmten Größe nicht mehr besonders gut Ansätze wie Message-Passing/Actor-Model eignen sich auf für größere nebenläufige Systeme Die Verwaltung zum Aufbau eines solches Systems kann gut durch ein Framework übernommen werden Beispiele: Akka (Java/Scala), OTP (Erlang) Compute-Modelle (z.b. Map-Reduce) MapReduce ist ein Programmiermodell zur parallelen Berechnung bestimmter Alogrithmischer Probleme mit großen Datenmengen Die Umsetzung der eigentlichen Berechnung (durch den Nutzer) und der Verwaltungsteil von MapReduce lassen sich Codeseitig sehr gut trennen. Aufgaben wie die Verteilung der Daten auf einzelene Rechnenknoten etc. kann komplett vom Framework übernommen werden. Der Entwickler muss nur die Schnittstelle des Frameworks zu bedienen. Beispiel: Hadoop (Java, Python, ), Storm (diverse Sprachen) Web-Frameworks Test-Frameworks Test-Frameworks erlauben das automatisierte Testen von Software Dabei wird vom Framework die Ausführung, das Fehlerreporting und die Auswertung der Tests übernommen. Der Entwickler muss nur die eigentlichen Tests erstellen Neben selbstgeschriebenen Tests ermöglichen Property-Based-Testing Frameworks das automatische generieren von Test-Fällen basierend auf definierten Systemeigentschaften (z.b. Array muss mindestens 3 Elemente beinhalten ) Dependency Injection Eine der Grundideen von OO-Programmierung ist die Wiederverwendung von Komponenten Durch nutzen von Interfaces und abstrakten Abhängigkeiten wird die Wiederverwendbarkeit erhöht Um die konkreten Implementierungen von Klassen im laufenden System zusammen stecken zu können, werden meist Dependance Injektion Frameworks eingesetzt Beispiele: Google Guice (Java), Pico Container (Java), Spring (Java)

4 Welche weiteren Problembereiche könnte es geben, in denen Frameworks sinnvoll einzusetzen sind? Versuchen Sie Bereiche zu finden für die es offensichtlich Frameworks gibt. Web-Frameworks HTTP Request Zyklus HTTP-Requests sind voneinander unabhängig. Das bietet einige Vorteile (Caching wird ermöglicht, mehrere Server können Requests bearbeiten). Der HTTP-Request-Zyklus - einer Webanwendung - besteht im Wesentlichen aus folgenden Schritten: - Browser fragt URL beim Webserver ab (z.b. - Webserver/Applicationserver findet die zum Rendern nötige Komponente, die die URL bedient - Die Komponente bearbeitet den Request: Code wird ausgeführt und ein Ergebnis, meist in form einer HTML Seite, wird erstellt - der Webserver liefert das Ergebnis an den Browser aus - der Browser stellt das Ergebnis dar Versuchen Sie mit Ihrem Browser (Mit Firefox z.b. mit der Erweiterung Firebug bei Chrome mit rechter Maustaste in Inspect Element => Network ). Einen HTTP-Request-Zyklus nachzuvollziehen. Session-Management Da die einzelnen Requests unabhängig von einander sind, und dies nicht ohne weiteres erlaubt Features wie z.b. Einloggen/Ausloggen, Warenkörbe o.ä. abzubilden, wurde das Prinzip der Cookies erfunden. Ein Cookie ist eine Textzeile, die für den Benutzer nicht direkt sichtbar in der Antwort durch den Webserver mit übertragen und danach bei jedem Request an den Webserver (der gleichen Domain) mit übertragen wird. Beispiel - Header-Teil eines HTTP-Requests: Cookie: session=b2d3e d-4d20-bece-0d725db0ce94; Durch Cookies werden neben HTTP-Sessions auch diverse Tracking-Mechanismen ermöglicht, die vor allem von Werbetreibenden im Internet sehr stark genutzt werden. Die Sessionverwaltung wird durch Web-Frameworks vereinfacht indem die Erstellung und das Management von Cookies automatisch verwaltet wird und der Zugriff auf Sessiondaten über das Framework vereinfacht wird. Beispielcode aus Rails: session[:current_user] = user.id Diese Zeile Code erzeugt (falls noch nicht vorhanden) einen Session-Cookie und weist die User-ID zu. Unter session[:current_user] kann dann in folgenden Requests auf die User-ID zur Identifizierung des Users Zugegriffen werden. Im Hintergrund wird im Cookie nicht der Inhalt der Session übertragen, sondern lediglich eine eindeutige, nicht zu erratende Session-ID, über die im Applicationserver intern die hinterlegten Daten referenziert werden. Versuchen Sie in Ihrem Browser die aktuellen Cookies inkl. deren Inhaltes anzuzeigen.

5 Formular-Management Da die HTTP-Requests unabhängig sind, muss bei nochmaliger Darstellung von Formularen (z.b. bei Fehleingaben im Formular) dafür gesorgt werden, dass die aktuellen Werte wieder übermittelt werden. Dies geschieht nicht von alleine und ist bei manueller Verwaltung sehr mühsam. Diese Aufgabe wird also auch typischerweise von Web-Frameworks übernommen. Sie bieten dazu meist auch sogenannte Helper-Methoden an, die es vereinfachen Formulare zu erstellen und die automatische Wiederbefüllung, Validierung und anzeige von Fehlern ermöglichen. ORM, NoSQL und EventDriven Systems Die aktuellen Trends in der Applikationsentwicklung mit großen Datenmengen (zu denen auch diverse Webanwendungen gehören) gehen von der klassischen zentralen SQL-Datenbank in manchen Bereichen auf alternative Methoden zur Ablage der Daten. Ob die Daten nun semi-strukturiert in NoSQL -Datenbanken (wie z.b. Riak, Cassandra, o.ä.) oder direkt in Form eines Event-Stroms (z.b. Storm) abgelegt werden: Für fast jede Art der Datenspeicherung gibt es entsprechende Frameworks, die das Verwalten der jeweiligen speziellen Art der Speicherung und Abfrage vereinfachen. MVC Model-View-Controller-Webframworks nehmen dem Entwickler grundlegende Aufgaben der Webentwicklung wie z.b. Session-Handling ab und erleichtern das Behandeln von Formularen Meistens beinhalten Sie Template-Sprachen, um das HTML-Markup für das Frontend dynamisch zu erzeugen Je nach Framework gibt es noch eine ORM-Komponente für die Speicherung der Daten in einer relationalen Datenbank Recherchieren Sie: Wo kommt MVC her? Wo wird dieses Pattern sonst noch eingesetzt? CSS-Frameworks Beispiel Bootstrap Neben der Verwaltung des Code, der die Logik abbildet und die Oberfläche via HTML darstellt gibt es im Bereich der Webframeworks noch diverse Frameworks in Bereich der Darstellung (View-Layer). So hilft z.b. das CSS- Framework Bootstrap dabei ohne großen Aufwand mit vorgefertigten Komponenten eine sehr ansehnliche Benutzeroberfläche zu erstellen, die dennoch auf eigene Farbschemata und Anforderungen angepasst werden kann. Da Bootstrap komponentenbasiert aufgebaut ist, ermöglicht es eine sehr feingranulare Auswahl von Komponenten. Nicht genutzter CSS-Code kann somit vermieden werden. Recherchieren Sie: Gibt es neben Bootstrap andere aktuell verbreitete CSS oder Java-Script- Frameworks? Rails Rails ist ein Web-MVC-Framework Das Framework Rails wurde aus der Anwendung Basecamp extrahiert und entstammt somit einer echten Anwendung Rails basiert auf dem Prinzip Convention over Configuration, dass sinnvolle Standards vorgibt, Konfigurationen die abweichen jedoch erlaubt Jedes Rails-Projekt hat eine einheitliche Projektstruktur, die Verzeichnisse für Models, Controller, Views, DB- Migrationen vorgibt, so dass man sich als Entwickler leicht zurecht findet Rails wurde im Jahre 2003 als OpenSource-Framework veröffentlicht Rails basiert auf der objekt-orientierten Sprache Ruby Rails hat viele neue MVC-Frameworks mit ähnlichen Ansätzen in verschiedenen Sprachen inspiriert. z.b. Grails (Groovy), CakePHP (PHP), Django (Python)

6 Rails-Komponentnen Active-Record ActiveRecord ist die ORM-Komponente von Rails ActiveRecord ist eng an die Datenbank gekoppelt und definiert Methoden zum Zugriff auf die Datenkbankfelder ActiveRecord bietet viele Standardmöglichkeiten zur Validierung von Feldern, sowie die Möglichkeit sehr einfach eingene Validierungen zu ergänzen ActiveRecord ist eine Implementierung des ActiveRecord Patterns aus dem Buch Patterns of Enterprise Architeture ActiveRecord ermöglicht es Datenbank Relationen sehr einfach und sprechend in Models abzubilden: 1:n = has many (Gegenseite :belongs to), 1:1 = has one (Gegenseite be- longs to:), n:m (has many :through, Gegenseite ebenfalls has many :through) ActiveRecord ermöglicht via Callbacks bestimmte Events auszulösen, wenn ein Model gespeichert, erstellt oder gelöscht wird AR bietet ein sehr ausführliches Query-Interface mit dem komplexe Abfragen ohne schreiben von SQL möglich sind ActionView ActionView ist die View-Komponente und ist für das Rendern von HTML (oder anderen Ausgabeformaten) zuständig ActionView nutzt standardmäßig ERB als Template-Sprache unterstützt aber auch an- dere Template-Sprachen (wie z.b. HAML oder Liquid) ActionView beinhaltet Form-Helper, die es ermöglichen Formulare zu erstellen und URL-Helper, die die interne Generierung von URLs übernehmen ActionController ActionController ist für das Entgegennehmen von Requests verantwortlich Unter Routing versteht man die Zuweisung von URLs zu Controllern und Actions. Das Routing wird in config/routes.rb definiert ActionController bietet auch die Möglichkeit Filter zu definieren, die vor oder nach einem Request aufgerufen werden (z.b. zum prüfen von Rechten von Benutzern o.ä.) Rails unterstützt die REST-Architektur und bietet für die CRUD-Operationen (Create, Read, Update, Delete) einige Vereinfachungen an Schauen Sie sich mind. eine Rails-Guide zu einer der Komponenten an, um einen Überblick über den Umfang zu bekommen. Testen Für Ruby gibt es mittlerweile viele Testframeworks, die auch eine spezielle Railsunterstützung mitbringen: Die Standard-Rails-Tests verstehen unter Unit Tests Tests der Model-Klassen und unter Functional Tests Tests der Controller-Klassen Rails bietet einfache Möglichkeiten mit, um alle Komponenten der Anwendung zu testen Rails erlaubt die Entwicklung der Anwendung nach TDD, BDD und/oder Akzeptanz-Test getrieben Das automatische Testen von Ruby Anwendungen (wie bei allen dynamischen Sprachen) ist noch wichtiger als bei kompilierten Sprachen, da z.b. der Syntax-Check des Compilers fehlt

7 Deployment Rails fokussiert selbst nicht auf das Deployment und versteht sich eher als reines Entwicklungsframework Für Rails sind jedoch einige Deployment-Varianten und Tools vorhanden Als Deploymentplattorm ist die Kombination Apache oder nginx Webserver + Mongrel als Anwendungsserver, sowie Apache oder nginx + Phusion Passenger (ein Apache-Modul) verbreitet Das eigentliche Deployment wird meist mittels Capistrano umgesetzt Das Deployment auf Java-Application-Servern als WAR-Archiv ist via JRuby möglich Die Reise eines Requests durch Rails-eine Anwendung Request vom Browser an Webserver via URL ( Webserver leitet weiter an Application-Server (Webrick, Mongrel, Apache mit Passenger o.ä.) URL wird mittels Konfig in config/routes.rb an Controller geroutet (Komponente: ActionPack - ActionController) Zuständige Action wird im Controller aufgerufen (Komponente: ActionPack) Via ActiveRecord-Model (Customer und Order) wird in der DB nach Daten gesucht bzw. Daten geändert (Komponente: ActiveRecord) Template wird erstellt (Komponente: ActionView, Daten aus ActiveRecord-Model) Antwort wird an Webserver gesendet (Komponente: ActionController) Webserver sendet Antwort an Browser Gehen Sie wie oben einen (oder mehrere) Requests an Ihre eigene Railsanwendung mit dem Browser-Inspektor durch und beobachten Sie gleichzeitig das Rails-Server-Log.