Thema: Aspekt-orientierte Entwicklung: Einführung

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1 Thema: Aspekt-orientierte Entwicklung: Einführung Student: Doris Tchouaffé Studiengang: Master Technische Informatik Matrikelnummer: Betreuer: Prof. Dr. Hans W. Nissen Abgabedatum:

2 Inhaltsverzeichnis INHALTSVERZEICHNIS...2 ABSTRAKT EINFÜHRUNG IN ASPEKTORIENTIERUNG PROBLEME DER OBJEKTORIENTIERTE PROGRAMMIERUNG (OOP) QUERSCHNEIDENDEN ANFORDERUNGEN Code-Verstreuung (Code Scattering) Code Vermischung (Code Tangling) WAS IST EIN ASPEKT? AOP BEGRIFFE JOINPOINT POINTCUT ADVICES WEAVERS IMPLEMENTIERUNGSSTRATEGIE VON ASPEKTE STATISCHE WEAVING DYNAMISCHE WEAVING IMPLEMENTIERUNG DER AOP AN DEM BEISPIEL VON ASPECTJ EINFÜGEN EINES CONCERNS OHNE AOP IN MAIN-KLASSE EINFÜGEN EINES CONCERNS MIT AOP IN MAIN-KLASSE SCHLUSSBETRACHTUNG...19 ANHANG A: LITERATURVERZEICHNIS...20 ANHANG B: ABBILDUNGSVERZEICHNIS...21

3 Abstrakt Abstrakt Diese Ausarbeitung umfasst die Einführung in die Aspektorientierte Programmierung (AOP). Der Aspektorientierte Programmierung ist heute bereits in der Softwaretechnik im Einsatz und kein theoretischer Ansatz mehr. Sie wurde von der Firma Xerox PARC durch Gregor Kickzales im 1996 entwickelt. Sie bringt ein neues Prinzip, welches besagt, dass unterschiedliche Funktionalitäten (Concerns) unabhängig voneinander implementieren werden soll (Separation of Concerns). So werden Probleme, die aus Code Scattering (wenn z.b. sich redundante Code im verschiedenen Module wieder findet) und Code Tangling (wenn z.b. fachlichen Code durch Blöcke mit technischer Code vermischt ist) entstehen, vermieden. Damit ist es möglich gut wartbaren und wieder verwendbaren Programmcode zu schreiben. Ein Aspekt besteht aus Pointcut und Advices. Redundanten Code Blöcke werden in der AOP innerhalb der Advices beschrieben. Die Pointcuts beschreiben die Schnittpunkte zwischen denen die Advices eingefügt werden. Das Verweben (Der Prozess des Einfügens der Advices) von Aspekten mit dem Code geschieht über den Weaver. Die Aspekte können sowohl vor dem Compilervorgang (statisch) als auch zur Laufzeit (dynamisch) bestimmt werden. Einige Weaver wie z.b. AspectJ für Java, die in der Entwicklungsumgebung Eclipse durch das Plug-in AJDT integriert sind, existieren als Open Source Software: Microsoft Dot Net besitzt auch Weavers, wie z.b. AspectDNG. 3

4 Abstrakt Liste der vorhanden Weavers für verschiedene Sprachen: C: Aspect-C C++: Aspect-C ++. C#, VB.NET: AspectDNG Java: AspectJ, JAC, JBoss AOP PHP: phpaspect Die Arbeit gliedert sich in 5 Kapitel: Das erste Kapitel besteht aus der Einführung in Aspektorientierung. In diesem Kapitel wird zuerst die Aspektorientierung definiert. Danach werden Probleme der objektorientierten Programmierung, welche die Aspektorientierung lösen soll, beschrieben. Weiterhin wird der Begriff Aspekt definiert. Im zweiten Kapitel werden die Konstrukte der AOP beschrieben. Das Ziel des dritten Kapitels ist die Implementierungsstrategie von Aspekte. Sie ist in zwei Teile aufgegliedert: a) Statische Weaving b) Dynamische Weaving Das Kapitel vier behandelt einen Beispielfall mit AspectJ. Im fünften Kapitel gehe ich auf meine persönlichen Erfahrungen, die ich im Verlauf der Ausarbeitung gesammelt habe. 4

5 1. Einführung in Aspektorientierung 1. Einführung in Aspektorientierung Das Ziel der Softwareentwicklung ist, eine Software so zu schreiben, dass sie erweiterbar und wartbar bleibt. Beim Entwurf eines Programms, ist der Entwickler häufig mit diesen quer schneidenden Funktionalitäten konfrontiert. Dies macht die Entwicklung und die Wartung einer Software aufwändig und somit teurer. Querschneidende Funktionalitäten sind Teilcode eines Programms, die sich über verschiedene Komponenten verteilt, da diese sich nicht kapseln lassen. Dazu gehören z.b. Logging, Tracing, Sicherheitsprüfungen wie Authentisierung, Persistence. Die aspektorientierte Programmierung soll eine Lösung für diese Probleme der Modularisierung bringen, indem die nicht fachlichen (querschneidenden) Funktionalitäten von den fachlichen unabhängig voneinander implementiert werden. Bei der Generierung des lauffähigen Programms wird durch das Weben (weaving) der fachliche Code mit den querschneidenden Funktionalitäten zusammenfügt. Aspektorientierte Programmierung ist wie Objektorientiertes Programmieren eine Art Programmierstil. Sie ist keine Programmiersprache sondern eine Erweiterung dieser Probleme der Objektorientierte Programmierung (OOP) Eine erste Technik war die prozedurale Programmierung, bei den verschiedenen Funktionen als modulare, teilweise wieder verwendbare Prozeduren gekapselt werden. Die objektorientierte Programmierung hat in den letzten Jahren neue Konzepte, zur Strukturierung von Software eingeführt. Der Programmcode (Prozeduren) werden in Klassen gekapselt. Sog. fachliche Klassen sollen ein Objekt aus der realen Welt repräsentieren. Die Klassen die aus Eigenschaften (das sind Attribute und Methoden) bestehen, sollen z.b. die fachlichen Anforderungen erfüllen. 5

6 1. Einführung in Aspektorientierung Mit der Zerlegung in Klassen mit ihren Anforderungen (Modularisierung) wird die Gesamtaufgabe in Teile gegliedert, die dann unabhängig voneinander gewartet werden können. Die Problematik der OOP tritt bei Anforderungen auf, die die gesamte Software durchdringen und sich somit nicht kapseln lassen. Diese heißen querschneidenden Anforderungen (Crosscutting Concerns). Die Implementierung solche Anforderungen führen zu Problemen wie Code Verstreuung (Code Scattering) (Abb.1.1) und Code Vermischung (Code Tangling) (Abb.1.2). Dadurch wird eine saubere Modularisierung verhindert Querschneidenden Anforderungen Querschneidenden Anforderungen sind Teilcode eines Programms, die sich nicht kapseln lassen. Man unterscheidet zwischen Code Verstreuung (Code Scattering) und Code Vermischung. (Code Tangling) [3] Code-Verstreuung (Code Scattering) Code Scattering trifft auf, wenn eine Anforderung über mehrere Module verstreut ist. Scattering führt meistens zu redundanten Code-Blöcken in allen betroffenen Modulen und damit zu einer schlechten Wartbarkeit. Will man eine Änderung in einem Module vornehmen, ist es kaum möglich zu verfolgen, in welchen Modulen eine bestimmte Funktionalität implementiert ist. Dies kann zu einer schlechte Lesbarkeit und hohen Fehlerquote des Programms führen. Die Abbildung 1.1 zeigt das Scattering: Hier ist der Belang Persistence verstreut, d.h. er ist in allen Modulen implementiert und eine Änderung führt dazu, dass alle Module geändert werden müssen, was somit wartungsaufwändig ist und eine hohe Fehlerquote verursacht. 6

7 1. Einführung in Aspektorientierung Abbildung 1.1. Verstreuung (Scattering) innerhalb Module (Klassen) einer Software Code Vermischung (Code Tangling) In einem Modul sind verschiedene Anforderungen durcheinander vertreten. Dadurch ist das Modul schlecht wieder verwendbar. Die Abbildung 1.2 illustriert ein Beispiel für Code Tangling: In diesem Modul sind neben der Fachlogik auch noch Security-, Persistence- und Logging - Funktionalität implementiert. 7

8 1. Einführung in Aspektorientierung Abbildung 1.2. Vermischung (Tangling) innerhalb eines Moduls (Klasse) einer Software 1.3. Was ist ein Aspekt? Die allgemeine Definition des Begriffs Aspekt lässt sich nicht direkt auf die Bedeutung des Begriffs innerhalb der AOP übertragen. In der Literatur sind folgende Erklärungen zu finden: Nach Langenscheidt sind die Begriffe Sichtweise, Gesichtspunkt ein Synonym. [12] Nach dem Duden bedeutet Aspekt Ansicht, Gesichtspunkt. [13] 8

9 1. Einführung in Aspektorientierung Nach Gradecki, A structure analogous to a Java class that encapsulates joinpoints, pointcuts, advice and inter-type declaration [1]. Nach Filman, An aspect is a modular unit designed to implement a concern. An aspect definition may contain some code [ ] and the instruction on where, when and how to invoke it [2] Auch wenn dies unterschiedliche Definitionen sind, schließen diese sich nicht aus. Gradecki beschreibt aus welchen Komponenten ein Aspekt besteht, schränkt dies jedoch auf die Java-Welt ein. Dazu ist (in Einführung) erwähnt, dass die AOP für verschiedene Programmiersprachen eingeführt wurde. Auch müssen Aspekte nicht unbedingt einer objektorientierten Software unterliegen, sondern können auch auf prozeduraler Ebene angewandt werden. Filman beschreibt in seiner Definition einen Aspekt in seiner Funktionsweise. Somit ist ein Aspekt eine modulare Einheit ähnlich wie einer Klasse. Die wie erwähnt aus den Komponenten joinpoints, poincuts, advice and inter-type declaration bestehen, zu den im folgenden die relevanten Komponenten poincuts, advice beschrieben werden: Die advices beschreiben zum einen die Concerns (Codeblöcke, die die quer schneidenden Anforderungen beschreib en) die innerhalb der Software an mehreren Stellen eingefügt werden sollen. Es gibt drei Arten von Advices: Around, After und Before. Diese werden in Kapitel 2.3 beschrieben. Die poincuts beschreiben die Schnittpunkte innerhalb des zugrunde liegenden Programmcodes. Sie enthalten ein Muster (Pattern) die eine Menge von Klassen und deren Methoden oder Zuweisungen von Variablen des Programmcodes 9

10 1. Einführung in Aspektorientierung beschrieben, in denen die entsprechenden Concerns eingefügt werden. Zu diesen wird in Kapitel 2.2 noch eingegangen. Abbildung 1.3. Beispiel eines Aspekts in Java mit AspectJ Die Abbildung 1.3 zeigt, dass ein Aspekt aus Konstrukte wie Pointcut und Advice besteht. Diese werden im nächsten Kapitel noch genauer erklärt. 10

11 2. AOP Begriffe 2. AOP Begriffe 2.1. Joinpoint Ein Joinpoint ist ein bestimmter Punkt oder eine Stelle eines Programms, an denen die querschneidenden Funktionalitäten in den Programmcode eingewoben werden sollen. Dazu gehören: das Aufrufen einer Methode, ein Zugriff auf eine Variable, das Behandeln einer Exception oder das Initialisieren des Objektes über den Konstruktor. Die Abbildung 2.1 zeigt zwei Joinpoints von der Klasse Angestellte: Der erste Joinpoint ist hier die Ausführung der Methode setjob() und der zweite der Zugriff auf das Attribut job. Abbildung 2.1. Joinpoints von der Klasse Angestellte 2.2. Pointcut Ein Pointcut beschreibt eine Menge von Joinpoints innerhalb der Software. Ein Beispiel für den ersten oben beschriebenen Joinpoint ist folgender von Pointcut: 11

12 2. AOP Begriffe Abbildung 2.2. Definition eines Pointcut Die Abbildung 2.2 zeigt die Definition eines Pointcut. Den Ausdruck nach dem doppelten Punkt ist die Definition des Pointcut mypointcut() Dieser wird bei einem Aufruf auf die Methode setjob der Klasse Angestellter ausgelöst Advices Wie schon in Kapitel 0 angesprochen beschreiben die Advices den Concern also der Codeblock der zwischen den Joinpoints eingefügt werden soll Man unterscheidet 3 Typen von Advice: Before Advice: Der Concern wird vor dem Methodenaufruf eingefügt After Advice: Der Concern wird nach dem Methodenaufruf eingefügt Around Advice: Der Concern sowohl vor als auch nach dem Methodenaufruf eingefügt. Die Stelle in der der Methodenaufruf innerhalb des Concerns ausgeführt werden soll, wird mit dem Schlüsselwort proceed beschrieben Weavers Weaving oder Verweben ist das Weben des Hauptcodes mit den Aspekten. Es wird zwischen statische Weaving und dynamische Weaving unterscheiden. Diese soll im folgenden Kapitel beschrieben werden. 12

13 3. Implementierungsstrategie von Aspekte 3. Implementierungsstrategie von Aspekte In der Aspekt orientierte Programmierung, gibt es zwei Arten von Weaving: das statische- und das dynamische-weaving statische Weaving Beim statischen Weaving findet das Weben von Aspekte mit den Modulen (Hauptprogramm) vor dem Kompiliervorgang statt z.b. AspectJ, C#, AspectDNG JBoss AOP 3.2. dynamische Weaving Beim dynamischen Weaving findet das Weben zur Laufzeit statt. Bei dieser Art von Weaving können zusätzlichen Aspekte zur Laufzeit mit dem Hauptcode eingewoben werden z.b. bei dem Framework JAC (Java Aspect Component) 13

14 4. Implementierung der AOP an dem Beispiel von AspectJ 4. Implementierung der AOP an dem Beispiel von AspectJ In diesem Abschnitt wird gezeigt, wie man das Problem der Querschneidende Funktionalitäten mit AOP lösen kann. Mit Hilfe von Weaver AspectJ (AspectJ ist eine Aspekt-orientierte Erweiterung von Java.) wird ein Programm mit Aspekten zusammengefügt. Im folgendem Bespiel wird eine Klasse TestMain mit zwei Methoden und eine Main() Methode erstellt, die das Ausführen des Programms ermöglicht. Die Klasse ist von den querschneidenden Funktionalitäten bereinigt, diese werden in den folgenden Beispiel-Aspekten in Abbildungen 4.3 und 4.4 beschrieben. Abbildung 4.1. Die Klasse TestMain ohne Aspekte 14

15 4. Implementierung der AOP an dem Beispiel von AspectJ Nach dem Ausführen des Programms hat man folgendes Ergebnis in der Konsole Ausgabe: Abbildung 4.2a. Ergebnis der Klasse TestMain Nun will man in der Klasse TestMain Aspekte wie Logging (Abbildung 4.3) und Tracing (Abbildung 4.4) einführen. Aspekte werden in Java wie Klassen programmiert. Zuvor soll jedoch kurz das Einfügen eines Concerns an hand eines Beispiels ohne AOP erläutert werden Einfügen eines Concerns ohne AOP in Main-Klasse Wenn man in der Main-Klasse (Abbildung 4.1) messen will, wie lange es gedauert hat, bis alle Methoden des Programms ausgeführt werden, wird für jede Methode der Klassen mit folgendem Code ausgestattet. Nach dem Ausführen des Programms hat man folgendes Ergebnis in der Konsole Ausgabe: 15

16 4. Implementierung der AOP an dem Beispiel von AspectJ Abbildung 4.2b. Ergebnis der Klasse TestMain 4.2. Einfügen eines Concerns mit AOP in Main-Klasse Man kann das Problem des obigen Beispiels als Aspekt (siehe Abbildung 4.3) lösen, indem man dieses unabhängig von dem Hauptprogramm implementiert. Abbildung 4.3. Aspekt Tracing Will man weitere Aspekte in dem Programm hinzufügen, kann dieser auch getrennt implementiert werden. Abbildung 4.4 zeigt ein Bespiel über einen Logging Concern. 16

17 4. Implementierung der AOP an dem Beispiel von AspectJ Abbildung 4.4. Aspekt Logging 17

18 4. Implementierung der AOP an dem Beispiel von AspectJ Mit Hilfe des Weavers, werden die Aspekte in das Hauptprogramm eingewoben (Abbildung 4.5). Die folgende Konsole-Ausgabe erfolgt bei Ausführen der Main- Methode und dem Einbinden der beiden Bespiel-Aspekte: Abbildung 4.5. Ergebnis TestMain mit Aspekt Logging und Tracing Die Abbildung 4.5 zeigt das Ergebnis der Testmain Methode mit den eingewobenen Aspekten. Die Konsole-Ausgaben Hallo und Ja sind ursprünglich innerhalb der TestMain Klasse implementiert. Alle weiteren Ausgaben sind durch Auslösen der Advices der Aspekte ausgegeben wurden. 18

19 5. Schlussbetrachtung 5. Schlussbetrachtung Diese Ausarbeitung zeigt erstmalig einen kleinen Einblick in die AOP. Die AOP ist keine neue Programmiersprache, sondern eine konzeptionelle Erweiterung schon Bestehender. In einem kundenorientierten Softwareprojekt ist durchaus der Vorteil darin zu sehen, dass damit eine Trennung der fachlichen und technischen Logik ermöglicht wird. Dadurch, dass bestimmte technisch orientierte Codeblöcke wie Logging oder Persistenzhaltung von Daten nicht mehr in jeder Klasse redundant implementiert werden müssen, wird der Codeaufwand kleiner und somit übersichtlicher und leichter zu warten. Flexibel ist die AOP, weil technische Anforderungen selbst implementiert werden können. (Was diverse Applikation Server Technologien wie EJBs Enterprise Java Beans aus dem J2EE Standard nicht ermöglichen.) Nachteil ist, dass die AOP mit ihre Notation für verschiedene Programmiersprachen in einem Team neu erlernt werden muss. 19

20 Anhang A: Literaturverzeichnis Anhang A: Literaturverzeichnis [1] Joseph D. Gradecki und Nicholas Lesiecki:. Mastering AspectJ: Aspect- Oriented Programming in Java, John Wiley and Sons, [2] Robert E Filman, Tzilla Elrad, Siohbán Clarke und Mehmet. Aksit Aspect- Oriented Software Development, Addison-Wesley, [3] Ramnivas Laddad: AspectJ in Action, Practical Aspect-Oriented Programming, Manning Publications 2003 [4] Ramnivas Laddad, JavaWorld.com, 01/18/02 [5] Lars Wunderlich: AOP Aspektorientierte Programmierung in der Praxis, Software & Support, 2005 [6] Tzilla Elrad, Robert E. Filman, Atef Bader: Aspect-oriented programming - introduction , Handout [7] Tzilla Elrad, Mehmet Aksit, Gregor Kiczales, Karl J. Lieberherr, Harold Ossher: Discussing aspects of AOP , Handout [9] Gregor Kiczales, Erik Hilsdale, Jim Hugunin, Mik Kersten, Jeffrey Palm, William G. Griswold: Getting started with ASPECTJ , Handout [10] Andrés Díaz Pace, Marcelo Campo: Analyzing the role of aspects in software design , Handout [11] Gail C. Murphy, Robert J. Walker, Elisa L. A. Baniassad, Martin P. Robillard, Albert Lai, Mik Kersten: Does aspect-oriented programming work? 75-77, Handout [12] Götz, Dieter und Hans Wellmann, Hrsg Großwörterbuch Deutsch als Fremdsprache. Berlin und München: Langenscheidt. [13] DUDEN: Rechtschreibung, 21., völlig neu bearbeitete und erweiterte Auflage Band 1, hrsg. von der Dudenredaktion; Dudenverlag; Mannheim, Leipzig, Wien, Zürich 20

21 Anhang B: Abbildungsverzeichnis Anhang B: Abbildungsverzeichnis Abbildung 1.1. Verstreuung (Scattering) innerhalb Module (Klassen) einer Software Abbildung 1.2. Vermischung (Tangling) innerhalb eines Moduls (Klasse) einer Software... 8 Abbildung 1.3. Beispiel eines Aspekts in Java mit AspectJ Abbildung 2.1. Joinpoints von der Klasse Angestellte Abbildung 2.2. Definition eines Pointcut Abbildung 4.1. Die Klasse TestMain ohne Aspekte Abbildung 4.2a. Ergebnis der Klasse TestMain Abbildung 4.2b. Ergebnis der Klasse TestMain Abbildung 4.3. Aspekt Tracing Abbildung 4.4. Aspekt Logging Abbildung 4.5. Ergebnis TestMain mit Aspekt Logging und Tracing