Aspektorientierte Programmierung (aspect-oriented programming, AOP)

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1 Aspektorientierte Programmierung (aspect-oriented programming, AOP) Abstract Die aspektorientierte Programmierung ist ein neues Programmierparadigma, das die Probleme und Nachteile, die aus der prozeduralen und objektorientierten Programmierung entstehen, zu verhindern sucht. In dieser Präsentation werden die grundlegenden Begriffe der AOP erläutert und ein einführendes Beispiel gegeben. Grundlagen der Software-Entwicklung Die Entwicklung großer Software-Systeme gliedert sich in mehrere Phasen. Eine der wichtigsten Phasen ist der korrekte und vollständige Entwurf (Design) bzw. die Modellierung des Software-Systems. In der Entwurfsphase kommt es üblicherweise zu einer Untersuchung und Zerlegung des Gesamtproblems in kleinere Teilprobleme, die auf Konstrukte der eingesetzten Programmiersprache abgebildet und unabhängig voneinander implementiert werden können. funktionaler Dekomposition oder Modularisierung Als Programmierkonstrukte kommen bei der objektorientierten Programmierung Klassen bzw. Objekte und deren Methoden in Frage.

2 Probleme bei der Modellierung Bestimmte Concerns ( Anforderungen oder Belange ) des Software-Systems lassen sich nicht eindeutig einer Klasse zuordnen. Man unterscheidet: Common-Concerns lassen sich eindeutig in einer Klasse kapseln Crosscutting-Concerns betreffen viele oder sogar alle Teile des Software-Systems Beispiele für Crosscutting-Concerns: Authentifizierung von Benutzern Protokollierung von Systemereignissen Synchronisation Einhaltung von Zeitschranken Datenkonsistenz Code Tangling und Code Scattering Problem: OO-Sprachen bieten dem Entwickler kein anderes Konstrukt außer Klassen an, um Crosscutting-Concerns zu modellieren. Dies führt zu Code Tangling Durcheinander an Code, der ganz verschiedene Anforderungen implementiert, aber dennoch in einer Klasse gekapselt ist Code Scattering Verteilen von Code, der eine bestimmte Aufgabe erfüllt (z.b. Einhaltung von Zeitschranken), über viele verschiedene Klassen hinweg Widerspruch zum Prinzip der funktionalen Dekomposition Prinzip der Kapselung Probleme motivieren eine Erweiterung der OOP um Möglichkeiten, Crosscutting-Concerns zu kapseln und den Software-Entwurf flexibler zu gestalten. Auf diese Anforderungen bietet die AOP eine Antwort.

3 Vorgehensweise der AOP Weaver Joinpoints Unter einem Joinpoint versteht man einen bestimmten Punkt oder ein bestimmtes Ereignis im Ablauf eines Programms. Beispiele: Aufruf einer Methode Werfen einer Ausnahme Ausführung eines Konstruktors Lesen und Schreiben von Attributen

4 Pointcut Ein Pointcut definiert auf welche Joinpoints reagiert werden soll, definiert also einen Filter für Joinpoints. Beispiele: Reaktion auf Methode mit bestimmten Namen Reaktion auf Methode mit bestimmter Signatur Reaktion auf einen Konstruktor In AspectJ werden Pointcuts mit dem Schlüsselwort pointcut deklariert. Advice Da ein Pointcut nur definiert, auf welche Joinpoints reagiert werden soll, aber nicht wie, benötigt man ein weiteres Konstrukt, welches Advice genannt wird. Ein Advice verknüpft einen Pointcut mit Code, der bei Erreichen eines Joinpoints ausgeführt wird. AspectJ unterscheidet drei verschiedene Arten von Advice: before spezifizierter Joinpoint wurde erreicht, aber noch nicht abgearbeitet after spezifizierter Joinpoint wurde erreicht und abgearbeitet around Entwickler kann selbst entscheiden, wann Joinpoint abgearbeitet wird

5 Aspekte Aspekte fassen mehrere Pointcuts und Advice zusammen, dienen also zur Kapselung selbiger. Ein Aspekt wird durch das Schlüsselwort aspect definiert und ist von der Struktur her einer Klasse vergleichbar. Von Aspekten können keine Exemplare mittels new erzeugt werden. Java und Echtzeit Implementierung eines Echtzeitsystems setzt echtzeitfähige Programmiersprache voraus Java ist auf Grund seiner Speicherverwaltung nicht echtzeitfähig: Objekte werden mittels new erzeugt und auf dem Heap abgelegt nicht mehr benötigte Objekte werden durch Garbage Collector (GC) entfernt GC ist als eigenständiger Thread mit höchster Priorität implementiert Folge: GC kann zu beliebigen Zeitpunkten den Programmablauf für unbestimmte Zeit unterbrechen Unterbrechungszeit der Anwendungsthreads ist nicht deterministisch

6 Arbeitsweise des Garbage Collector Real-Time Specification for Java entwickelt von der Real-Time for Java Expert Group (RTJEG) Quelle: Erweiterung der Java Sprachspezifikation und der JVM Spezifikation Hauptziele: Analyse Erzeugung Ausführung Verifikation von Threads, die Zeitanforderungen genügen müssen

7 RealtimeThread und NoHeapRealtimeThread Einführung von zwei neuen Thread-Klassen: RealtimeThread besitzt niedrigere Priorität als der GC kann unterbrochen werden erlaubt die Festlegung von SchedulingParameters und ReleaseParameters NoHeapRealtimeThread besitzt höhere Priorität als der GC kann nicht unterbrochen werden verwendet keinen Heap-Speicher AspectJ AspectJ ist eine frei verfügbare Aspektsprache für Java, entwickelt von Xerox PARC. Quelle: AspectJ erweitert Java um aspektorientierte Programmkonstrukte. Die Menge der gültigen AspectJ-Programme ist demnach eine Obermenge der gültigen Java-Programme, d.h. jedes gültige Java- Programm ist auch ein gültiges AspectJ-Programm. Vorteile: Verfügbarkeit von zahlreichen Werkzeugen (Debugger, Dokumentationsgenerator, Aspektvisualisierer, ) Integration in zahlreiche Entwicklungsumgebungen (NetBeans, SunONE, JBuilder, Eclipse, )

8 Beispiel: Logging (1) public class ExampleClass1 public void method1() System.err.println("Logger: ExampleClass1:method1 wurde betreten."); // Anweisungen von Methode 1... System.err.println("Logger: ExampleClass1:method1 wird verlassen."); public void method2() System.err.println("Logger: ExampleClass1:method2 wurde betreten."); // Anweisungen von Methode 2... System.err.println("Logger: ExampleClass1:method2 wird verlassen.");... Beispiel: Logging (2) Nachteile: In jeder Methode müssen die Statusmeldungen manuell eingefügt werden. Da eine Statusmeldung immer die gleiche Form hat, kommt es zu Code-Replikation. Sollte neben der Meldung, dass eine Methode betreten bzw. verlassen wurde, noch weitere Informationen benötigt werden, wie beispielsweise die Systemzeit, müssen alle Programmstellen manuell geändert werden. inflexibel gegenüber Änderungen. Werden die Statusmeldungen nicht mehr benötigt, müssen sie manuell wieder entfernt werden.

9 Beispiel: Logging (3) import org.aspectj.lang.*; public aspect LoggerAspect pointcut executionmethods() : execution(void ExampleClass2.method*()); before() : executionmethods() Signature s = thisjoinpoint.getsignature(); System.err.println("Logger: " + s.getdeclaringtypename() + ":" + s.getname() + " wurde betreten."); after() : executionmethods() Signature s = thisjoinpoint.getsignature(); System.err.println("Logger: " + s.getdeclaringtypename() + ":" + s.getname() + " wird verlassen."); Quellen Ramnivas Laddad: I want my AOP!, Part 1 Separate software concerns with aspect-oriented programming, Januar 2002 Ramnivas Laddad: I want my AOP!, Part 2 Learn AspectJ to better understand aspect-oriented programming, März 2002 Ramnivas Laddad: I want my AOP!, Part 3 Use AspectJ to modularize crosscutting concerns in real-world problems, April 2002 The AspectJ project at Eclipse.org, Eclipse.org home,