代码改变世界

使用PostSharp在.NET平台上实现AOP

2010-11-30 20:06  T2噬菌体  阅读(35137)  评论(54)  编辑  收藏  举报

摘要

本文首先介绍AOP（面向方面编程）的相关概念及理论，然后介绍如何使用PostSharp框架在.NET平台上实现AOP，最后对PostSharp的机制及AOP的优劣进行一个简单的分析。

AOP（Aspect-Oriented Programming）

AOP的基本定义及作用

根据维基百科的定义，“AOP（Aspect-Oriented Programming）是一种将函数的辅助性功能与业务逻辑相分离的编程泛型（programming paradigm），其目的是将横切关注点（cross-cutting concerns）分离出来，使得程序具有更高的模块化特性。AOP是面向方面软件开发（Aspect-Oriented Software Development）在编码实现层面上的具体表现（面向方面软件开发AOSD是一个囊括面向方面分析、面向方面设计和面向方面编程等一系列概念的完整工程系统——笔者注）。AOP包括编程模型和具体用于实现AOP的框架两部分。”

下面对上文提到的定义进行一些解释。

在当前大多数支持面向对象的编程语言中（例如C#，Java等），函数（Function）是表述程序功能的最小单元，而一个函数的代码层面往往同时含有核心业务逻辑和辅助性功能。核心业务逻辑指一个函数本身主要要实现的业务功能，例如在一个在线电子商务系统中，“PlaceOrder”函数其核心业务逻辑是“下订单”，而“UpgradeMember”函数其核心业务是“提升一个会员的等级”。但是，一个函数除了核心业务代码外，往往还会有一些辅助性功能代码，如事务处理、缓存处理、日志记录、异常处理等等。而这些辅助性功能一般会存在于大多数甚至所有业务函数中，即形成AOSD中所谓的横切关注点，如图1所示。

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图1、横切关注点示意

横切关注点的存在，造成了如下几个问题。

  • 代码编写和维护困难。

横切关注点不仅横切各个函数，还可能在不同类甚至不同工程间横切，使得同一个辅助功能（如事务处理）分散到各处，如果要增加新函数时要时刻注意别忘了添加所有需要的横切代码。另外，如果需要对其进行修改，则需要到所有被横切的函数中修改，维护难度极大。

  • 引入大量冗余代码

由于同一个辅助性功能的代码几乎是完全相同的，这样就会令同样的代码在各个函数中出现，引入了大量冗余代码。

  • 降低代码质量

横切关注点令核心业务代码和辅助性代码杂糅纠缠在一起，破坏了业务函数代码的纯净性和函数职责的单一性，引入了大量繁杂的代码和结构，使得代码质量下降。

所以，AOP的核心思想就是在编写代码时将横切关注点分离出来，形成单独的模块，单独编写和维护，不再分散到各业务函数，使得业务函数仅包含核心业务代码，从而解决以上问题。而在程序编译或运行时，通过某些手段（下文介绍）令独立的横切关注点代码可以与核心业务代码自动协作运行，完成本身需要的功能。

AOP相关术语

方面（Aspect）

一个Aspect指上文提到的横切关注点在编程中的具体实现，它包含一个横切关注点所需要实现的具体辅助功能。具体到代码中，Aspect可能会被实现为一个Class，一个Function或一个Attribute。

连接点（Join Point）

连接点指一个业务函数代码中的一个位置或时机，在这个位置或时机允许Aspect代码插入执行。常见的连接点有进入函数执行业务代码前时、执行完全部业务代码离开函数前、当有异常发生在异常处理代码执行前等等。

织入（Weaving）

织入指将指定的Aspect代码插入指定连接点，使得横切代码与业务代码交合在一起。

连接模型（JPM, Join Point Model）

JPM主要是面向方面语言（如AspectJ）或面向方面框架的语义模型。主要包含以下三点：有哪些可用连接点，如何指定连接点以及如何织入。

AOP的实现方式

一般来说，在纯编译型语言（如C、C++）等语言中实现AOP非常困难，必须完全从编译器角度入手。本文主要讨论托管型语言（如C#，Java）中AOP的实现方式。AOP的主要实现方式有编译时AOP和运行时AOP两种，下面分别介绍。

编译时AOP（静态织入）

编译时AOP的实现思想是给语言的编译器做扩展，使得在编译程序的时候编译器将相应的Aspect代码织入到业务代码的指定连接点，输出整合的结果。图2是编译时AOP的示意图（以.NET平台为例）。

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图2、编译时AOP示意图

如图2所示，当使用静态织入时，带AOP扩展的编译器会在编译时将Aspect代码织入业务函数代码，形成整合后的IL，然后交由CLR运行。

运行时AOP（动态织入）

运行时AOP如图3所示。image

图3、运行时AOP的示意图

如图3所示，运行时AOP的实现方式是将扩展添加到运行虚拟机而不是编译器。Aspect和业务代码分别独立编译，而在运行时由虚拟机在必要时进行织入。

PostSharp

PostSharp简介

PostSharp是一个用于在.NET平台上实现AOP的框架，是我比较常用的一个AOP框架，官方网站为http://www.sharpcrafters.com。目前最新版本为2.0，但是2.0的license不再免费，因此个人建议下载1.5版，同时下文都是基于PostSharp1.5。

PostSharp使用静态织入方式实现AOP，其连接点非常丰富，使用简单，而且相对其它一些.NET平台上的AOP框架来说，PostSharp较为轻量级，但是功能却一点也不逊色，因此是我比较喜欢的一个AOP框架。更多关于PostSharp的介绍请参看其官方网站。

另外使用PostSharp与其它框架不太一样的是一定要下载安装包安装，只引用类库是不行的，因为上文说过，AOP框架需要为编译器或运行时添加扩展。

使用PostSharp实现AOP示例

这一节将通过一个例子演示如何使用PostSharp在.NET平台上实现AOP。这个例子将通过AOP为核心业务函数增加日志记录功能。

新建项目

首先新建一个C#的WinForm应用程序，如图4所示，这里将工程命名为“PostSharpExample”。

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图4、新建项目

编写核心业务函数

首先我们来编写核心业务。当然这里不存在真正的业务，我们只是模拟一个而已。将要模拟的核心业务是预定房间。先构建一个如图5所示的简单UI。

image

图5、UI界面

下面我们为项目增加一个“CoreBusiness”类，并在其中添加“Subscribe”方法。代码如下：

using System;

namespace PostSharpExample
{
    public class CoreBusiness
    {
        public static void Describe(string memberName, string roomNumber)
        {
            System.Windows.Forms.MessageBox.Show(String.Format("尊敬的会员{0}，恭喜您预定房间{1}成功！", memberName, roomNumber), "提示");
        }
    }
}

可以看到，这里Subscribe方法仅仅是输出一个提示框。当然，在真正项目中这种输出型代码不应该写在业务逻辑中，这里这样写主要是为了演示方便。然后，我们在Form1中调用Subscribe业务方法：

using System;
using System.Windows.Forms;

namespace PostSharpExample
{
    public partial class Form1 : Form
    {
        public Form1()
        {
            InitializeComponent();
        }

        private void BTN_SUBSCRIBE_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            if (!String.IsNullOrEmpty(TXB_NAME.Text.Trim()) && !String.IsNullOrEmpty(TXB_ROOM.Text.Trim()))
                CoreBusiness.Describe(TXB_NAME.Text.Trim(), TXB_ROOM.Text.Trim());
            else
                MessageBox.Show("信息不完整","提示");
        }
    }
}

运行程序就可以看到相应的效果：

image

图6、预定房间成功演示效果

使用AOP增加日志记录功能

现在加入我们要为程序添加日志功能，记录业务函数的执行情况。这里我们假定需要将日志记录到纯文本文件中，首先我们完成日志记录工具类，LoggingHelper。

using System;
using System.IO;

namespace PostSharpExample
{
    class LoggingHelper
    {
        private const String _errLogFilePath = @"log.txt";

        public static void Writelog(String message)
        {
            StreamWriter sw = new StreamWriter(_errLogFilePath, true);
            String logContent = String.Format("[{0}]{1}", DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd hh:mm:ss"), message);
            sw.WriteLine(logContent);
            sw.Flush();
            sw.Close();
        }
    }
}

如果不使用AOP，则我们要为包括Subscribe在内的每一个方法在核心业务代码的前后插入日志记录代码（Writelog），我们看看使用PostSharp如何将这种横切关注点分离出来。因为要使用PostSharp，所以要先添加对PostSharp库文件的引用，安装过PostSharp后，在系统可引用项中会多出“PostSharp.Laos”、“PostSharp.Public”和“PostSharp.AspNet”，这里我们做的是Winform程序，所以只需添加对“PostSharp.Laos”和“PostSharp.Public”的引用即可。

下面我们就要写Aspect了，PostSharp的Aspect是使用Attribute实现的，下面是我实现的日志记录Aspect代码。

using System;
using PostSharp.Laos;

namespace PostSharpExample
{
    [Serializable]
    [AttributeUsage(AttributeTargets.Method, AllowMultiple = true, Inherited = true)]
    public sealed class LoggingAttribute : OnMethodBoundaryAspect
    {
        public string BusinessName { get; set; }

        public override void OnEntry(MethodExecutionEventArgs eventArgs)
        {
            LoggingHelper.Writelog(BusinessName + "开始执行");
        }

        public override void OnExit(MethodExecutionEventArgs eventArgs)
        {
            LoggingHelper.Writelog(BusinessName + "成功完成");
        }
    }
}

我们约定每个Aspect类的命名必须为“XXXAttribute”的形式。其中“XXX”就是这个Aspect的名字。PostSharp中提供了丰富的内置“Base Aspect”以便我们继承，其中这里我们继承“OnMethodBoundaryAspect ”，这个Aspect提供了进入、退出函数等连接点方法。另外，Aspect上必须设置“[Serializable] ”，这与PostSharp内部对Aspect的生命周期管理有关，具体为什么请参看这里。

我们的LoggingAttribute非常简单，就是在进入（Entry）和离开（Exit）函数时分别记录日志到log文件。现在我们把这个Aspect应用到业务方法上：

[Logging(BusinessName="预定房间")]
public static void Describe(string memberName, string roomNumber)
{
    System.Windows.Forms.MessageBox.Show(String.Format("尊敬的会员{0}，恭喜您预定房间{1}成功！", memberName, roomNumber), "提示");
}

可以看到，应用Aspect非常简单，就是将相应的Attribute加到业务方法上面。现在我们再运行预定房间程序，结果和上次没什么两样，但是如果我们打开程序目录，会看到多了一个“log.txt”文件，里面记录有类似图7的内容。

image

图7、日志内容

可以看到，我们已经通过AOP实现了日志记录功能。通过AOP将横切关注点分离出来后，日志记录的代码都放在LoggingAttribute里，需要修改只要修改一处即可。同时，业务方法仅含有业务代码，这样大大提高了程序代码的可读性和可维护性。

对PostSharp运行机制的简要分析

上文已经说到，PostSharp使用的是静态织入技术，下面我们分析一下PostSharp是如何实现的。

首先，当安装PostSharp时，它自动为Visual Studio编译器添加了AOP扩展。如果仔细观察PostSharpExample编译信息，会发现有这么两行：

image

图8、PostSharp编译信息

很明显，在.NET Complier编译完成后，下面PostSharp又做了一部分工作，这部分工作就是静态织入的过程。如果我们用.NET Reflector查看PostSharpExample.exe中Subscribe方法的反编译代码，会发现多了很多东西：

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图9、织入Aspect后的Describe代码（由.NET Reflector反编译）

这些多出来的代码，就是PostSharp静态织入进去的。当然，这些代码在每次编译完成后，PostSharp都会重新织入一次，所以整个过程对程序员是透明的，我们只需维护纯净的业务代码和Aspect代码即可。

使用PostSharp的优点和缺点（即使用AOP的优点和缺点）

总体来说，使用PostSharp，将会带来如下优点：

  • 横切关注点单独分离出来，提高了代码的清晰性和可维护性。
  • 只要在Aspect中编写辅助性功能代码，在一定程度上减少了工作量和冗余代码。

当然，使用PostSharp也不是没有缺点，主要缺点有如下两方面：

  • 增加了调试的难度。
  • 相比于不用AOP的代码，运行效率有所降低。

所以，对于是否引入AOP，请根据项目具体情况，权衡而定。

对于PostSharp的进一步学习

本文只是简要介绍了PostSharp以及实现了一个小例子，并不打算详细完整地介绍PostSharp的方方面面，而只想起到一个抛砖引玉的作用。PostSharp还有非常丰富的功能等待各位学习，因此，如果您对PostSharp十分有兴趣，想进一步学习，请参看PostSharp官方参考文档。

相关下载

本文用到的Example请点击这里下载。 

PostSharp1.5安装包请点击这里下载。