Tìm hiểu mô hình AOP

tìm hiểu mô hình AOP

1 Giới thiệu .5 1.1 Mục đích và cấu trúc của tài liệu .5 1.2 Các thuật ngữ .5 1.3 Hạn chế của các phương pháp lập trình hiện tại .6 2 Các đặc điểm của AOP .7 2.1 Quản lý các concern hệ thống 8 2.2 Phương pháp luận của AOP .11 2.2.1 Ưu điểm của AOP .12 2.2.2 Những nhược điểm .12 2.3 Một số công cụ hỗ trợ làm việc với AOP 12 3 Giới thiệu AspectJ .13 3.1 Giới thiệu 13 3.2 Một số khái niệm 13 3.2.1 Join point .13 3.2.2 Pointcut .14 3.2.3 Advice .15 3.2.4 Introduction .16 3.2.5 Aspect 16 3.2.6 Static crosscutting .18 3.3 Một số ứng dựng cơ bản của AOP 19 4 Giải quyết bài toán với AOP .19 4.1 Sử dụng AOP trong bước thiết kế .20 4.2 Sử dụng AOP trong bước thi công 20 4.3 Sử dụng AOP trong bước kiếm tra 21 4.4 Sử dụng AOP trong giai đoạn bảo trì 21 5 Triển khai một số pattern trên AspectJ .22 5.1 Các mẫu thiết kế cho việc tạo đối tượng .22 5.1.1 Singleton pattern .22 5.1.2 Prototype pattern .25 5.1.3 Abstract Factory pattern 27 5.1.4 Factory Method pattern .29 5.1.5 Builder pattern .30 5.2 Các mẫu thiết kế cho cấu trúc của đối tượng 31 5.2.1 Composite pattern .31 5.2.2 Flyweight pattern 35 5.2.3 Bridge Pattern .36 5.2.4 Decorator pattern .37 5.2.5 Adapter pattern 39 5.2.6 Proxy Pattern .39 5.3 Các mẫu thiết kế cho hành vi của đối tượng .42 5.3.1 Observer pattern 42 5.3.2 Command Pattern 45 5.3.3 Iterator pattern .49 5.3.4 Mediator pattern 50 5.3.5 Chain of Responsibility Pattern 52 5.3.6 Memento Pattern .56 5.3.7 Visitor Pattern .58 5.3.8 Strategy pattern 60 5.3.9 State Pattern 62 6 Kết luận .64 7 Tài liệu tham khảo .65 Mục lục hình ảnh Hình 1: Mô hình các concern mức hệ thống 8 Hình 2: Mô hình ánh xạ yêu cầu người dùng sử dụng AOP .9 Hình 3: Mô hình đa chiều về sự phụ thuộc giữa các module với nhau .9 Hình 4: Mô hình ánh xạ từ các concern hệ thống sang các phương pháp lập trình truyền thống .10 Hình 5: Các module yêu cầu logging đều phải nhúng các đoạn mã để gọi logging API .10 Hình 6: Giải quyết các concern hệ thống bằng phương pháp AOP 11 Hình 7: Các giai đoạn phát triển sử dụng phương pháp AOP .12 Hình 8: Cấu trúc của aspect trừu tượng với interface và các hàm được định nghĩa để hỗ trợ Singleton pattern .23 Hình 9:Một ứng dụng trước và sau khi được tác động bởi Singleton pattern 24 Hình 10: Các bước thực hiện của mẫu thiết kế Singleton trong ứng dụng .24 Hình 11: Cấu trúc của PrototypePattern aspect .25 Hình 12:Một ứng dụng trước và sau khi được tác động bởi Prototype pattern 26 Hình 13: Sử dụng Prototype pattern trong ứng dụng 27 Hình 14: Lược đồ UML của AbstractFactory Pattern .28 Hình 15: Lược đồ UML của factory method pattern .29 Hình 16: Cấu trúc của CompositePattern aspect .32 Hình 17: Mô hình các đối tượng trước khi áp dụng Composite pattern .34 Hình 18: Mô hình các đối tượng sau khi áp dụng Composite pattern 34 Hình 19: Hoạt động của composite pattern trong ứng dụng .34 Hình 20: Cấu trúc của FlyweightPattern aspect 35 Hình 21:Cấu trúc của XWindowBridge aspect .37 Hình 22: Sử dụng các hành vi của lớp Window trong ứng dụng 37 Hình 23: Cấu trúc của DecoratorPattern aspect .38 Hình 24:Lớp TextDisplay trước và sau khi áp dụng DecoratorPattern .38 Hình 25: Áp dụng Adapter pattern .39 Hình 26: Cấu trúc của ProxyPattern aspect .39 Hình 27: Cấu trúc của ObserverPattern aspect 42 Hình 28: Cấu trúc lớp trước khi áp dụng ObserverPattern .44 Hình 29:Cấu trúc lớp sau khi áp dụng ObserverPattern .44 Hình 30:Sử dụng ObserverPattern trong ứng dụng .45 Hình 31: Cấu trúc của CommandPattern và các hàm hỗ trợ pattern .45 Hình 32: Trước khi áp dụng CommandPattern 47 Hình 33:Trước khi áp dụng CommandPattern .48 Hình 34: Sử dụng CommandPattern trong ứng dụng 49 Hình 35: IteratorPatternAspect và interface định nghĩa vài trò của pattern 49 Hình 36: Mô tả sự tương tác của EmployeeIteration với ứng dụng 50 Hình 37: Cấu trúc của MediatorPattern aspect 51 Hình 38: Trước và sau khi áp dụng Mediator pattern .52 Hình 39: Cấu trúc của ChainOfResponsibilityPattern aspect .52 Hình 40: Sau khi áp dụng ChainOfResponsibilityPattern 54 Hình 41:Sử dụng ChainOfResponsibilityPattern trong ứng dụng .56 Hình 42: Cấu trúc của MementoPattern aspect .57 Hình 43: Sử dụng MementoPattern trong ứng dụng .57 Hình 44: Cấu trúc của Visitor pattern aspect .58 Hình 45: Cấu trúc của Computeur .59 Hình 46: Cấu trúc Computeur sau khi áp dụng Visitor pattern .60 Hình 47:Sử dụng VisitorPattern trong ứng dụng .60 Hình 48:Cấu trúc của StrategyPattern aspect 61 Hình 49: Cấu trúc các lớp sắp xếp khi chưa áp dụng StrategyPattern .62 Hình 50: Cấu trúc các lớp sắp xếp sau khi áp dụng StrategyPattern .62 Hình 51: Sử dụng Strategy Pattern trong ứng dụng 62 Hình 52: Sử dụng state pattern trong ứng dụng .63 1 Giới thiệu Việc chuyển đổi các yêu cầu của người dùng vào trong một hệ thống phần mềm bao giờ cũng rất khó khăn, mặc dù hiện nay đã có rất nhiều phương pháp tiếp cận như lập trình hướng đối tượng, hướng thành phần, các design pattern .Chúng cũng đã giải quyết được một số vấn đề nhưng vẫn chưa có một phương pháp nào thoả mãn việc giải quyết các yêu cầu đan xen ở mức hệ thống, các yêu cầu này được mô tả bằng khái niệm crosscutting concern. Các nhà nghiên cứu lý thuyết đã đưa ra mô hình AOP để giải quyết các vấn đề mà các mô hình lập trình hiện tại chưa đáp ứng được hoặc đáp ứng được nhưng việc thực hiện nó quá phức tạp. AOP không phát minh và điều gì mới mà chỉ giải quyết các vấn đề đã tồn tại theo cách tốt hơn. (How to do the bad things in better way) 1.1 Mục đích và cấu trúc của tài liệu Tài liệu này được tổng hợp từ nhiều nguồn khác nhau (xem phần tài liệu tham khảo), bao gồm các cuốn sách, các bài báo, các luận văn …về vấn đề nghiên cứu và ứng dụng AOP trong ngành công nghệ phần mềm. Tài liệu nhằm mục đích tìm hiểu mô hình AOP và đi sâu trình bày một trong những kỹ thuật quan trọng của ngành công nghệ phần mềm hiện nay là design pattern trên mô hình AOP Trước khi đọc tài liệu này bạn cần có kiến thức cơ bản về kỹ thuật lập trình hướng đối tượng, các mẫu thiết kế, các kiến trúc của phần mềm, … trong ngành công nghệ phần mềm hiện nay. Đồng thời cũng cần kinh nghiệm thực tế về những khó khăn mà các phương pháp lập trình hiện tại đang gặp. Tài liệu được chia thành 2 phần chính sau Phần thứ nhất, từ mục 1 đến 5: Trình bày các vấn đề cơ bản về AOP, giới thiệu một phiên bản thi công của nó là AspectJ, cú pháp và các khái niệm của AspectJ. Ngoài ra trong phần này, tài liệu cũng đề cập đến các ứng dụng thích hợp cho việc áp dụng AOP. Phần thứ 2, từ mục 6 đến hết: Trình bày cách triển khai các mẫu thiết kế (design pattern) đã được sử dụng trong mô hình OOP sang mô hình AOP, cụ thể là triển khai trên cú pháp của AspectJ. 1.2 Các thuật ngữ Trước khi đi vào tìm hiểu về AOP (một phương pháp lập trình mới) chúng ta cần hiểu một số thuật ngữ trong ngành công nghệ phần mềm hiện nay. crosscutting concerns Chỉ các quan hệ giữa các module trong một hệ thống phần mềm. refactoring Refactoring là một kỹ thuật trong công nghệ phần mềm mà mã nguồn chương trình được cấu trúc lại nhằm đảm bảo tính mềm dẻo, mở rộng chức năng của chương trình đồng thời mã chương trình dễ hiểu hơn cho người đọc. middleware Là lớp trung gian trong các hệ thống phần mềm . Một số middleware tiêu biểu như EJB của Sun, Net Framework của Microsoft AOP Mô hình lập trình hướng tương quan design pattern Là giải pháp thực hiện khi thiết kế các ứng dụng nhằm đảm bảo chất lượng, tăng tính mềm dẻo, tính trong sáng của mã chương trình. Một số pattern hay được sử dụng như IOC (Inversion of Control), Singleton, Proxy, Abstract Factory Class 1.3 Hạn chế của các phương pháp lập trình hiện tại Có lẽ khái niệm về AOP hiện nay đã được nhiều người biết đến, vì vậy ở đây ta chỉ trình bày lại ngắn gọn các khái niệm cơ bản và các đặc điểm chính của AOP Để trả lời được câu hỏi AOP là gì? Tại sao phải có AOP? Chúng ta cần bắt đầu tìm hiểu sự hạn chế của của các phương pháp lập trình hiện tại trong việc đáp ứng các yêu cầu ngày càng phức tạp của các hệ thống phần mềm. Có lẽ các câu hỏi thường gặp nhất trong ngành công nghệ phần mềm hiện nay là:Thiết kế một phần mềm như thế nào được gọi là đủ? Các hệ thống tốt cần xem xét đến những yêu cầu hiện tại và cả những yêu cầu tiềm tàng trong tương lai. Sự lơ là các yêu cầu trong tương lai có thể dẫn đến thay đổi nhiều phần của hệ thống hoặc có thể phải xây dựng lại. Hay nói một cách khác, các thiết kế có khả năng đáp ứng nhu cầu cho tương lai kém có thể dẫn đến hiện tượng “tràn thiết kế”, khó hiểu, hệ thống phình ra không mong muốn. Từ đó hình thành một yêu cầu có một thiết kế có thể đáp ứng được các yêu cầu trong tương lai mà không ảnh hưởng đến chất lượng. Phương pháp lập trình OOP hiện tại đã tạo ra một cuộc cách mạng lớn trong công nghệ phần mềm, ảnh hưởng đến tất cả các pha từ xác định yêu cầu, phân tích, thiết kế, cài đặt, kiểm thử đến các hệ quản trị cơ sở dữ liệu . Tuy nhiên, người ta nhận thấy OOP modul hoá yêu cầu theo kiểu mô phỏng một đối tượng (object) trong thế giới thực. Nhưng sự mô phỏng này chỉ dừng ở mức tĩnh. Các đối tượng trong OOP hoạt động theo qui trình: Sinh-Hoạt động-Tử, nhưng ở thế giới thực, thường thì một object có một chu kỳ sống: Sinh-Hoạt động-Phát triển-Tử. Ở đây, 'Phát triển' là điều quan trọng, giải quyết được nó tức bạn đã giải quyết được tính tiến hoá, thay đổi yêu cầu của bài toán phần mềm. Theo OOP, bạn phải cân nhắc giữa dự đoán trước các yêu cầu phát triển  Phát triển phần mềm nặng nề, hoặc bỏ qua các yêu cầu phát triển tương lai  hệ thống thiếu tính khả mở, tiến hoá. Nhược điểm trên của OOP là thấy rõ nhất, nhược điểm thứ hai là: Một hệ thống thực tế là sự đan xen nhau giữa các yêu cầu. Lấy ví dụ: Bạn cần xử lý nghiệp vụ truy xuất dữ liệu. Trong bản thiết kế, bạn có thể phân công trách nhiệm này cho một object cụ thể nào đó và vấn đề này rất bình thường. Nhưng cùng với yêu cầu nghiệp vụ trên, thường thì cần bổ sung vào các yêu cầu: Chứng thực, Phân quyền, Bảo mật, Lưu vết . Như vậy trong method TruyXuatDuLieu() của một đối tượng được chỉ định nào đó, bạn phải bổ sung code cho các yêu cầu nêu trên. Tình trạng này, người ta gọi là sự chồng chéo giữa các yêu cầu. Nó làm nên một hệ thống lộn xộn, khó bảo trì, phát triển, tính tiến hoá cũng bị ảnh hưởng. Vì khi cần bổ sung thêm một nghiệp vụ nào khác, bạn phải thay đổi tất cả các yêu cầu nghiệp vụ liên quan. 2 Các đặc điểm của AOP AOP được xây dựng trên các phương pháp lập trình hiện tại như OOP và lập trình có cấu trúc , bổ sung các khái niệm và cấu trúc để module hoá các quan hệ đan xen. Với AOP, các quan hệ cơ bản sử dụng các phương pháp cơ bản, nếu sử dụng OOP sẽ thực thi các quan hệ cơ bản dưới hình thức lớp. Các aspect trong hệ thống đóng gói các quan hệ đan xen lại với nhau. Chúng sẽ qui định cách các module khác nhau gắn kết với nhau để định hình lên hệ thống cuối cùng. Nền tảng cơ bản AOP khác với OOP là cách quản lý các quan hệ đan xen.Việc thực thi của từng quan hệ của AOP bỏ qua các hành vi được tích hợp vào nó. Ví dụ, bussiness module sẽ không quan tâm nó cần được log hoặc xác thực như thế nào. Kết quả là việc thực thi của từng concern tiến triển một cách độc lập. 2.1 Quản lý các concern hệ thống Concern là các yêu cầu cụ thể hay mối quan tâm đặc trưng được xác định để thoả mãn mục tiêu chung của hệ thống. Hệ thống phần mềm là sự gắn kết của tập các concern. Ví dụ, hệ thống ngân hàng bao gồm các concern sau đây: quản lý khách hàng và quản lý tài khoản, các giao dịch nội ngân hàng, các giao dịch ATM, chăm sóc khách hàng, lưu giữ các thực thể trong hệ thống, xác nhận truy cập các dịch vụ, …Ngoài ra một phần mềm còn phải đảm bảo khả năng dễ hiểu, dễ bảo hành và duy trì, dễ phát triển. Concern được chia làm hai loại 1. Concern thành phần: Thể hiện các chức năng nội tại của một module. 2. Concern đan xen: Thể hiện các quan hệ ràng buộc giữa các module trong hệ thống Một ứng dụng doanh nghiệp điển hình có thể bao gồm các concern đan xen sau: authentication, logging, resource pooling, performance, storage management, data persistence, security, multithread safety, transaction integrity, error checking… Các concern được phục vụ cho một vài module. Ví dụ, logging tác động tới tất cả module trong hệ thống, authencication tác động tới module có yêu cầu kiểm soát truy cập Hình 1: Mô hình các concern mức hệ thống Việc xác định được các concern trong hệ thống, chúng ta sẽ tập trung vào các concern một cách độc lập và sẽ giảm độ phức tạp của hệ thống. Hình 2: Mô hình ánh xạ yêu cầu người dùng sử dụng AOP Hình 3: Mô hình đa chiều về sự phụ thuộc giữa các module với nhau Các concern đan xen nhau giữa các module, các kỹ thuật thi công hiện tại sẽ trộn chúng vào một module. Hình sau minh hoạ sự thực hiện này: Với mô hình biểu diễn nhiều chiều của các concern được ánh xạ trên các ngôn ngữ một chiều như sau. Hình 4: Mô hình ánh xạ từ các concern hệ thống sang các phương pháp lập trình truyền thống Trong thiết kế phần mềm cách tốt nhất để đơn giản các hệ thống phức tạp là xác định các concern rồi module hoá chúng. OOP được thiết kế để phục vụ việc module hoá các concern cơ bản, nhưng khi gặp concern mức hệ thống thì OOP không đáp ứng được yêu cầu. Hình sau minh hoạ một ví dụ thiết kế dùng phương pháp truyền thống. Ngay cả khi bạn có một bản thiết kế tốt của logging module như: cung cấp các API trừu tượng (Abstract API), giấu cách định dạng log message…Các module còn lại vẫn cần phải nhúng các đoạn mã để gọi các logging API. Hình 5: Các module yêu cầu logging đều phải nhúng các đoạn mã để gọi logging API Đây chính là vấn đề sẽ được giải quyết bằng AOP, sử dụng AOP các module khác không cần chứa đoạn mã gọi logging API. Hình 7 chỉ ra cách thực hiện module logging [...]... s) { s.println("Drawing Leaf: " + this); } Hình 17: Mô hình các đối tượng trước khi áp dụng Composite pattern Hình 18: Mô hình các đối tượng sau khi áp dụng Composite pattern Hình 19: Hoạt động của composite pattern trong ứng dụng 5.2.2 Flyweight pattern Mẫu thiết kế này hỗ trợ giảm sự chi tiết của các đối tượng trong hệ thống bằng cách chia sẻ các đối tượng Hình 20: Cấu trúc của FlyweightPattern aspect... lập tức 4.2 Sử dụng AOP trong bước thi công Khi sử dụng AOP trong bước thi công bạn nên nhấn mạnh vào trên một vài thực tiễn có tính chất chung Cũng như cần theo một số chỉ dẫn để việc thi công các concern lõi và concern đan xen dẽ nhất có thể Cũng có một số phương pháp refactoring theo mô hình AOP bạn có thể sử dụng 1 Thực thi các concern lõi a b c d Viết các concern lõi theo mô hình refactoring tốt... với AOP AOP hiện nay đã được nghiên cứu và áp dụng vào hầu hết các ngôn ngữ như Java, C, C#, Python, PHP Tên dự án 1 AspectJ 2 AspectWerkz 3 Jboss AOP Địa chỉ Aspectj.org Aspectwerkz.codehaus.org Jboss.org 4 5 6 7 Sping AOP Aspect# AspectC++ JAC www.spring framework.org Aspectsharp.sourceforge.net Aspectc.org Jac.objectweb.org 3 Giới thiệu AspectJ 3.1 Giới thiệu AspectJ là sự mở rộng theo mô hình AOP. .. sản phẩm 2.2.2 Những nhược điểm Mặc dù AOP có các ưu điểm trên khi thiết kế và thi công một hệ thống,nhưng trên thực tế AOP cũng có một vài đặc điểm gay trở ngại sau 1 AOP thực ra không giải quyết các vấn đề mới, không giải quyết được vấn đề vẫn chưa được giải quyết AOP giải quyết các bài toán theo cách tốt hơn 2 AOP không là cứu cánh cho các thiết kế cẩu thả 3 AOP phá vỡ tính đóng gói (encapsulation)... abstract class 3 Client không cần phải biết quá trình tạo object như thế nào Mô hình của pattern được mô tả trong hình sau Hình 14: Lược đồ UML của AbstractFactory Pattern Tạo một factory sử dụng aspect không mang ý nghĩa lắm bởi vì factory chứa các phương thức cụ thể đến các đối tượng có thể được tạo Ưu điểm duy nhất của AOP đối với pattern này là khả năng loại bỏ sự nương tựa vào một lớp abstract... dụng 4 Giải quyết bài toán với AOP Trong phần này chúng ta sẽ xem xét một số bài toán và một số giải pháp thực tiễn để giúp một ứng dụng triển khai được trên AOP Việc áp dụng một công nghệ mới để giải quyết bài toán không bao giờ dễ dàng, đặc biệt khi bạn còn chưa nhìn thấy một hệ thống nào triển khai thành công với công nghệ mới này Chúng ta sẽ tìm hiểu cách sử dụng mô hình hướng aspect như thế nào... này còn được gọi là quá trình dệt mã, sử dụng các thông tin trong aspect để cấu thành hệ thống đích Hình 7: Các giai đoạn phát triển sử dụng phương pháp AOP 2.2.1 Ưu điểm của AOP Khi sử dụng AOP để giải quyết các bài toán chúng ta cần suy nghĩ về thiết kế và thi công hệ thống theo một phương thức mới, với AOP ta sẽ có các ưu điểm sau 1 Tách biệt chức năng hơn của các module độc lập 2 Tính module hoá cao... logging chỉ ảnh hưởng duy nhất đến logging aspect Hình 6: Giải quyết các concern hệ thống bằng phương pháp AOP 2.2 Phương pháp luận của AOP Việc phát triển các hệ thống sử dụng AOP tương tự như phát triển các hệ thống sử dụng các phương thức khác: xác đinh concern, thực hiện chúng, kết hợp lại để thành hệ thống cuối cùng Tuy nhiên cộng đồng nghiên cứu AOP đề xuất ba bước thực hiện sau: 1 Aspectual decomposition:... công, test và bảo trì đều nhấn mạnh tới một số hành động 4.1 Sử dụng AOP trong bước thiết kế Nếu sử dụng AOP trong bước thiết kế chúng ta sẽ có được nhiều sự thuận lợi mà AOP đem lại Từ quan điểm về kiến trúc, sự thuận lợi chính là giúp chúng ta vượt qua sự bế tắc của các kiến trúc hiện tại Sau đây là một số bước điển hình sử dụng AOP trong pha thiết kế 1 Nhận biết các concern đan xen: Bước này là một... công nhận chính thức như một tài liệu thực tiễn cho mô hình lập trình hướng đối tượng (OOP) Các mẫu thiết kế trong quyển sách này được chia thành 3 loại, bao gồm: các mẫu thiết kế về cấu trúc đối tượng, hành vi đối tượng, và tạo lập đối tượng Các mẫu thiết kế được thực thi dựa trên cơ chế của các ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng đang có Với mô hình lập trình hướng aspect, các mẫu thiết kế được xây