Прикладные и теоретические методы программирования

5.1.5. Аспектно-ориентированное программирование

Аспектно-ориентированное программирование (АОП) [5.15-5.17] - это парадигма построения гибких к изменению ПС путем добавления новых аспектов (функций), обеспечивающих безопасность, взаимодействие компонентов с другой средой, также синхронизацию одновременного доступа частей ПС к данным и вызов новых общесистемных средств.

Аспектом может быть ПИК, фрагмент программы, реализующий концепцию взаимодействия компонентов в среде, защиту данных и др. ПС, которая создается из ПИК, объектов, небольших методов и аспектов, дополняется необходимыми фрагментами взаимодействия, синхронизации, защиты и т.п. путем встраивания их в точки компонентов ПС, где они необходимы. В результате встроенные фрагменты дополняют компоненты новым содержательным аспектом и тем самым значительно усложняют процесс вычислений.

Практическая реализация аспектов, размещенных в разных частях элементов ПС, обеспечивается механизмом перекрестных ссылок и точками соединения, через которые осуществляется связь с аспектным фрагментом для получения определенной дополнительной функции.

В основе АОП лежит метод разбиения задач ПрО на ряд функциональных компонентов, определения необходимости применения разного рода дополнительных аспектов и установления точек расположения аспектов в отдельных компонентах, где это требуется. Эти работы выполняются на этапах ЖЦ процесса разработки, способствуют реализации ПС с ориентацией на взаимодействие компонентов или их синхронизацию. Такой подход известен при проведении отладки программ, когда фрагменты отладочных программ встраиваются в отдельные точки исходной программы для выдачи промежуточных результатов. Когда отладка завершается успешно, эти участки удаляются. В случае аспектов - их программные фрагменты остаются в программе.

Создание конечного продукта ПС в АОП выполняется по технологии, соответствующей разработке компонентных систем, с той особенностью, что используемые аспекты определяют особые условия выполнения компонентов в среде взаимодействия. Аспекты можно рассматривать как выполнение разных ролей взаимодействующими лицами, что приближает аспект к роли программного агента, выполняющего дополнительные функции при определении архитектуры системы и повышение качества компонентов.

Для использования аспектов при выработке проектных решений используется механизм фильтрации входных сообщений, с помощью которых проводится изменение параметров и имен текстов аспектов в конкретно заданном компоненте системы. Код компонента становится "нечистым", когда он пересечен аспектами, и при композиции с другими компонентами общие средства (вызов процедур, RPC, RMI, IDL и др.) становятся недостаточными. Это так как аспекты требуют декларативного сцепления описаний и связано с тем, что фрагменты находятся или берутся из различных объектов. Один из механизмов композиции компонентов и аспектов - фильтр композиции, который обновляет аспекты без изменения функциональных возможностей. Фактически фильтрация касается входных и выходных параметров сообщений, которые переопределяют соответствующие имена объектов. Иными словами, фильтры делегируют внутренним частям компонентов параметры, переадресовывая ранее установленные ссылки, проверяют и размещают в буфере сообщений, локализуют ограничения и готовят компонент для выполнения.

В ОО-программах могут быть методы, выполняющие дополнительно некоторые расчеты с обращением на другие методы внешнего уровня. Деметр сформулировал закон [5.17], согласно которому длинные последовательности мелких методов не должны выполняться. В результате создается код алгоритма с именами классов, не задействованных в расчетных операциях, а также дополнительный класс, который расширяет код этими расчетами.

С точки зрения моделирования, аспекты можно рассматривать как каркасы декомпозиции системы, в которых отдельные аспекты пересекают ряд многократно используемых ПИК (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Пример расположения аспектов в программах Р1, Р2 и Р3

Разным аспектам проектируемой системы могут отвечать и разные парадигмы программирования: объектно-ориентированные, структурные и др. Они по отношению к проектируемой ПрО образуют мультипарадигмную концепцию обработки, такую как синхронизация, взаимодействие, обработка ошибок и др. со значительными доработками процессов их реализации. Кроме того, этот механизм позволяет устанавливать аспектные связи с другими предметными областями в терминах родственных областей. Языки АОП позволяют описывать аспекты для разных ПрО. В процессе компиляции пересекаемые аспекты объединяются, оптимизируются, генерируются [5.16] и выполняются в динамике.

Существенной особенностью АОП является построение модели, которая пересекает структуру другой модели, для которой первая модель является аспектом. Так как аспект связан с моделью, то ее можно перестроить так, чтобы аспект стал, например, модулем и выполнял функцию посредника, реализуя шаблоны взаимодействия. Один из недостатков - пересечение отдельных компонентов аспектами может привести к понижению эффективности их выполнения.

Переплетение аспектов с компонентами проявиться на последующих этапах процесса разработки и поэтому требуется минимизация количества сцеплений между аспектами и компонентами через ссылки в вариантах использования, сопоставление с шаблоном или блоком кода, в котором установлены перекрестные ссылки.

В ходе анализа ПрО и построении ее характеристической модели устанавливается связь с дополнительными аспектами, что приводит к статическому или "жесткому" связыванию компонентов и аспектов модели, учету этого случая при компиляции.

Аспекты с точки зрения моделирования можно рассматривать как каркасы декомпозиции системы с многократным использованием. АОП становится мультипарадигмовой концепцией, сущность которой состоит в том, что разным аспектам проектируемой ПС, должны отвечать разные парадигмы программирования. Каждая из парадигм относительно реализации разных аспектов ПС (синхронизации, внедрения, обработки ошибок и др.) требует их усовершенствования и обобщения для каждой новой ПрО.

Рис. 5.9. Технологическая схема проектирования ПС средствами АОП

В АОП используется модель модульных расширений в рамках метамодельного программирования, которая обеспечивает оперативное использование новых механизмов композиции отдельных частей ПС или их семейств с учетом предметно-ориентированных возможностей языков (например, SQL) и каркасов, которые поддерживают аспекты. Технология разработки прикладной системы с использованием АОП включает общие этапы (рис. 5.9):

1. Декомпозиция функциональных задач с условием многоразового применения модулей и выделенных аспектов, т.е. свойств их выполнения (параллельно, синхронно, безопасно и т.д.).
2. Анализ языков спецификации аспектов и определение конкретных аспектов для обеспечения взаимодействия, синхронизации и др. задач ПрО.
3. Определение точек встраивания аспектов в компоненты и формирование ссылок и связей с другими элементами.
4. Разработка фильтров и описание связей аспектов с функциональными компонентами, выделенными в ПрО, отображение фильтров в модели EJB на стороне сервера и управление данными с обеспечением безопасности, защиты доступа к некоторым данным.
5. Определение механизмов композиции (вызовов процедур, методов, сцеплений) функциональных модулей многоразового применения и аспектов в точках их соединения, как фрагментов свойств управления выполнением этих модулей, или ссылок из этих точек на другие модули.
6. Создание объектной или компонентной модели, дополнение ее входными и выходными фильтрами сообщений, посылающих объектам ссылки, задания на выполнение методов или аспектов.
7. Анализ библиотеки расширений для выбора некоторых функциональных модулей, необходимых для реализации задач ПрО.
8. Компиляция, совместная отладка модулей и аспектов, после чего композиция их в готовый программный продукт.

В процессе создания ПС с применением аспектов используются ІР-библиотека расширений, активные библиотеки, Smalltalk и ЯП, расширенные средства описания аспектов [5.17].

ІР-библиотека содержит функции компиляторов, средства оптимизации, редактирования, отображения и др. Например, библиотека матриц для вычисления выражений с массивами, предоставляющая память и др., получила название библиотеки генерирующего типа.

Иной вид библиотек АОП - активные библиотеки, которые содержат не только базовый код реализации понятий ПрО, но и целевой код обеспечения оптимизации, адаптации, визуализации и редактирования. Активные библиотеки пополняются средствами и инструментами интеллектуализации агентов, с помощью которых обеспечивается разработка специализированных агентов для реализации конкретных задач ПрО.