Аспектно-орієнтоване програмування

 

Аспектно-орієнтоване програмування (АОП) [15-17] - це парадигма побудо­ви гнучких до змін ПС шляхом додавання нових аспектів (функцій), що забезпечу­ють, наприклад, безпеку, взаємодію компонентів з іншим середовищем, а також синхронізацію одночасного доступу частин ПС до даних і виклик нових компонентів із загальносистемних середовищ.

Аспектом може бути компонент повторного використання, фрагмент програ­ми, що реалізує концепцію взаємодії компонентів у середовищі, захисту даних то­що. Програмна система, яка створюється з КПВ, об'єктів, невеликих методів та ас­пектів, доповнюється необхідними засобами взаємодії, синхронізації та захисту. Отже, вбудовані фрагменти наповнюють компоненти новим змістовним аспектом.

Практична реалізація аспектів, розміщених у різних частинах елементів ПС, забезпечується механізмом перетинних посилань і точками з'єднання, через які відбувається зв'язок з аспектним фрагментом для отримання визначеної додаткової функції.

В основі АОП лежить метод, подібний до методу розбиття задач ПрО на ряд функціональних компонентів, визначення необхідності використання різного роду додаткових аспектів і встановлення точок розташування аспектів в окремих компо­нентах, де це потрібно. Ці роботи виконуються на етапі ЖЦ процесу розробки, до­повнюють реалізацію ПС засобами забезпечення взаємодії компонентів або їх син­хронізації. Подібний підхід застосовується під час налагодження програм, коли до­даткові фрагменти коду вбудовуються в певні точки початкової програми для вида­чі результатів перевірки. Якщо вони налагодження закінчується позитивно, ці фрагменти вилучаються. У випадку аспектів - їхні програмні фрагменти залишаються в основній програмі.

Створення кінцевої ПС в АОП виконується за технологією, що відповідає розробці компонентних систем, з тією різницею, що використані аспекти визнача­ють особливі умови виконання компонентів у середовищі взаємодії. Аспекти мож­на асоціювати з виконанням різних ролей взаємодіючими особами, що наближає аспект до ролі програмного агента, який виконує додаткові функції при визначенні архітектури системи та якості компонентів.

В АОП при виробленні проектних рішень використовується механізм фільтрації вхідних повідомлень, за допомогою яких проводиться зміна параметрів і імен текстів аспектів у конкретно заданому компоненті системи. Код компонента стає «нечистим», коли його перетинають аспекти, і при композиції з іншими компонентами загальні засоби (виклик процедур, RРС, RМІ, IDL і ін.) стають недостатніми. Оскільки аспекти вимагають декларативного зчеплення описів, особливо коли їх фрагменти беруться з одних об'єктів для інших.

Один з механізмів композиції компонентів і аспектів — фільтр композиції, що оновлює аспекти без зміни їх функціональних можливостей. Фактично фільтрація стосується вхідних і вихідних параметрів повідомлень, які пере визначають відпові­дні імена об'єктів. Іншими словами, фільтри делегують внутрішнім частинам компонентів параметри, переадресовуючи раніше встановлені посилання, перевіряють і розмішують у буфері повідомлення, локалізують обмеження і готують відповідний компонент для виконання.

В ООП – системах можуть використовуватися методи, призначені для виконання деяких розрахунків при звертання до інших зовнішніх методів. У [17] сформулювало закон, відповідно до якого не повинні створюватися довгі послідовності дрібних методів, тому що в вихідному коді з'являться операції, які не пов'язані з іменами класів компонентів.

З погляду моделювання, аспекти можна розглядати як каркаси декомпозиції системи, в яких окремі аспекти перетинають КПВ, як схематично показано на рис. 5.7 для програм Р₁, Р₂ і Р₃, тобто в певних точках різних КПВ може бути звернення до одного аспекту.

На наведеному рисунку, наприклад, програма Р₍ містить у собі аспект, що здійснює звертання до деякої точки програми Р₂, яка після отримання інформації записує її у захищену БД, а потім аспект програми Р₂ забезпечує взаємодію з програмою Р₃ для передавання відомостей про запис необхідної інформації у БД.

Різним аспектам проектованої системи можуть відповідати й різні парадигми програмування: об'єктно-орієнтовані, структурні й ін. Утворюється мультипарадигменна концепція розробки спроектованої системи.

 

Рис. 5.7. Приклад розташування аспектів у програмах Р₁, Р₂ і Р₃

 

Через аспектні механізми встановлюються зв'язки з іншими предметними областями в сімействі програм або систем ПрО. Мова АОП дозволяє описувати ас­пекти для різних систем сімейства. Після компіляції описів перетинних аспектів, вони генеруються [16], поєднуються, оптимізуються і орієнтуються на виконання в динаміці. При цьому кожний аспект може стати модулем-посередником, що реалі­зує шаблон взаємодії окремих програм або систем.

Інакше кажучи, на етапі розробки виявляється, що аспекти надто щільно «переплетені» з компонентами й тому потрібна мінімізація зчеплень між аспектами й компонентами через посилання до варіантів використання, зіставлення із шаблоном або блоком коду, у якому встановлені перетині посилання. Природно, що вказані перетини можуть спричинити зниження ефективності виконання програм або систем, де вони розташовані.

Аналіз ПрО закінчується побудовою характеристичної моделі та встановленням статичних або динамічних зв'язків з додатковими аспектами моделі. Різним аспектам ПС, як правило, відповідають різні парадигми програмування, які вимагають їхнього вдосконалення й узагальнення при розробленні ПЗ для нової ПрО.

В АОП використовується модель модульних розширень у рамках мета модельного програмування, що забезпечує оперативне використання нових механізмів композиції окремих частин ПС або їхніх сімейств із урахуванням предметно-орієнтованих можливостей мов (наприклад, SQL) і каркасів, які підтримують аспекти.

Технологія розробки ПС методами АОП містить у собі ряд загальних етапів (рис.5.8), описаних далі.

1. Декомпозиція функціональних задач із умовою багаторазового застосуван­ня модулів і виділених аспектів виконання (паралельно, синхронно тощо).

2. Аналіз мов специфікації аспектів для опису виділених аспектів й інших за­дач ПрО.

3. Визначення точок вбудовування аспектів у компоненти й формування по­силань і зв'язків з іншими елементами ПрО.

4. Розроблення фільтрів для їх подання на боці сервера в цілях керування відповідно заданими аспектами.

 

Рис.5.8. Технологічна схема проектування ПС засобами АОП

 

5. Визначення механізмів композиції (викликів процедур, методів, зчеплень) функціональних модулів, КПВ й аспектів у точках їхнього з'єднання, як фрагментів керування виконанням або звертання із цих точок до інших модулів.

6. Створення об'єктної або компонентної моделі, доповнення її вхідними й вихідними фільтрами повідомлень, що посилають об'єктам повідомлення з завдан­ням виконання методів або аспектів.

7. Компіляція, спільне налагодження модулів і аспектів, після чого компози­ція їх у готовий програмний продукт.

Дня ефективної реалізації аспектів розроблені системи Aspect, ІР - бібліотека розширень, активні бібліотеки, а також проведене розширення МП Smalltalk засо­бами опису аспектів (Aspect++, Aspect, AspectC#, JAC).

Систему Aspect розробив дослідницький центр Xerox PARC в цілях підтрим­ки АОП на базі мови Java [15, 16].

Мова цієї системи є розширенням мови Java засобами АОП, тобто будь-яка програма на Java буде виконуватися в системі Aspect. Система має компілятор, налагоджувач і генератор документації.

Компілятор видає байт-код, сумісний з віртуальною машиною Java. Розширення мови Java стосуються способів опису правил інтеграції аспектів і Java - об'єктів і базуються на таких ключових поняттях:

- точка під'єднання JoinPoint у програмі, асоційована з контекстом виконан­ня (виклик методу, конструктора, доступ до поля класу й ін.);

- набір точок зрізу Pointcut для точок JoinPoint, що задовольняє певні умови;

- набір інструкцій Advice у мові Java, виконуваних до, після або замість кож­ної із точок JoinPoint, що входять у заданий зріз;

- завдання аспекту Introduction для змінювання структури Java - класу шляхом додавання нових полів, методів і ієрархії.

Точка зрізу (точка у програмі, в яку вставляються певні інструкції, що були виконані до або будуть виконуватися замість цієї точки) й набір інструкцій визна­чають правила інтеграції й разом формують відповідний модуль системи.

Загальними принципами розробки ПС із використанням засобів мови Aspect є:

- виділення в окремі модулі наскрізної функціональності шляхом аспектної де ком позиції;

- реалізація кожної вимоги окремо;

- інтеграція аспектів у програмний код.

Інтеграція аспектів відбувається в момент компіляції. Модель побудови гото­вої ПС із компонентів, аспектів та фрагментів готового коду подано на рис 5.9 [15].

 

Рис.5.9. Інтеграція аспектів і компонентів

 

Після компіляції одержується готова система з функціональністю, інтегрова­ною за правилами, описаними в аспектних модулях.

Існують інші реалізації АОП: AspectC++, AspectC, AspectC#, розширення мов C++, С, С# аспектами; JAC - система, написана мовою Java, для створення розподі­лених ПС; Weave.NET - проект реалізації механізму підтримки АОП без прив'язки до конкретної МП усередині компонентної моделі.NET Framework і ін.

У процесі створення ПС із застосуванням аспектів можуть використовуватися: IP - бібліотека розширень, що містить у собі їх коди, а також активні бібліотеки, мова програмування SmallTalk, розширені засоби опису аспектів [17].

В IP - бібліотеці розміщені деякі функції компіляторів, методів, засобів оптимізації, редагування, відображення тощо. Наприклад, бібліотека матриць, за допо­могою якої обчислюються вирази з масивами, забезпечує швидкість виконання, на­дання пам'яті й т.п.

Використання таких бібліотек у розширених середовищах програмування називають родовим програмуванням, а вирішення проблем економії, перебудови компіляторів під кожне нове мовне розширення, використання шаблонів і результатів попередньої обробки відносять до області ментального програмування [17]. Бібліотека IP містить у собі: окремі функції компіляторів, засоби оптимізації, редагування, відображення понять, перебудови окремих компонентів компіляторів під нове мовне розширення, а також засоби програмування на основі шаблонів і т.п. Бібліотеки з такими можливостями одержали назву бібліотек генерації.

Інший вид бібліотек АОП - активні бібліотеки, які містять у собі не тільки базовий код реалізації понять ПрО, а й цільовий код забезпечення оптимізації, адаптації, візуалізації й редагування. Активні бібліотеки поповнюються засобами й інструментами інтелектуалізації агентів, за допомогою яких забезпечується розроблення спеціалізованих агентів для реалізації конкретних задач ПрО.