1 Vortrag zum Praktikum Extreme Programming Thema: AspectJ – Eine Aspektorientierte...

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Vortrag zum Praktikum „Extreme Programming“

Thema:

AspectJ – Eine Aspektorientierte Programmiersprache

Von: Sven Bartel

Hinweis: Die Folien basieren auf Folien der Vorlesung „Aspect-Oriented Software Development 2004“

(Dr. Günter Kniesel u.M.)

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Überblick

1. Motivation

2. Aspektorientierte Programmierung

3. Eine beispielorientierte Einführung in AspectJ

3.1 Beispiel: ein Editor für Figuren3.2 Joinpoints3.3 Pointcuts3.4 Advice3.5 Aspekt

4. Details zu AspectJ

4.1 Wildcards4.2 Der Parameter-Mechanismus4.3 Anwendung: Bedingungen für Methoden4.4 Inter-type Declarations

5. Zusammenfassung

6. Übungsaufgabe

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1. Motivation

Grenzen der Objektorientierung:

• Dekomposition führt nicht immer zur „nahtlosen“ Kapselung von Verhaltensweisen

- Beispiele für solche Verhaltensweisen:

o Tracing

o Logging

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Schlechte Modularität (1)

Beispiel: Logging in org.apache.tomcat

Quelle: aspectj.org Webseite

• Code auf viele Klassen verteilt

• Logging ist nicht modularisiert – Logging ist ein „crosscutting concern“

- Weitere Beispiele: Sicherheit, Debugging, Synchronisation, Transaktionen,…

1. Motivation

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AspectJ – Eine Aspektorientierte Programmiersprache 1. Motivation

Schlechte Modularität (2)

Begriffsbildung

• Scattering: Code eines bestimmten Concern ist über verschiedene Teile des Programms verteilt

• Tangling: Code in einem bestimmten Teil adressiert verschiedene Concerns

Folgen

• Redundanz

• schwer nachzuvollziehender Code

• Probleme bei Änderungen

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2. Aspektorientierte Programmierung (AOP)

• realisiert cross-cutting concerns als first-class Elemente

• extrahiert cross-cutting concerns von der ursprünglichen Objekt-Struktur

- realisiert diese in einer zusätzlich geschaffenen Dimension

- dabei verwendete Struktur: textuell, genannt „Aspekt“

concerns

ursprünglicheObjekt-Struktur

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AspectJ – Eine Aspektorientierte Programmiersprache 2. Aspektorientierte Programmierung

Aspekte

Vorteile

• cross-cutting concerns werden modularisiert

• weniger Tangling, bessere Wartbarkeit, kürzerer Code, bessere Wiederverwendbarkeit

concerns

Aspekt

ursprünglicheObjekt-Struktur

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Technische Bestandteile von AOP

1. Modell gibt den Rahmen vor um die Struktur der crosscutting concerns zu definieren (AspectJ: Joinpoints)

2. Mittel zur Identifizierung von Joinpoints (AspectJ: Pointcuts)

3. Mittel zur Beeinflussung des Verhaltens bei Joinpoints (AspectJ: Aspekte)

4. Mittel für das „ Zusammenweben“ zu einem funktionellen System (AspectJ: ajc compiler kompiliert Java und webt Aspekte in Klassen)

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Begriffsbildung: („AOP is Quantification and Obliviousness“ [Filman2004])

• Quantification:

• Welche Mechanismen stehen zur Verfügung um Anwendungen mit Aspekten zu erstellen?

• Welche Prädikate stehen zur Verfügung um Situationen zu beschreiben auf die Aspekte angewendet werden

• Obliviousness:

• Anhand des Basis-Codes ist nicht feststellbar, dass der Aspekt ausgeführt wird

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3. Eine beispielorientierte Einführung in AspectJ

Hinweis: Folien orientieren sich am zweiten Teil des Tutorials:

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3.1 Beispiel: Ein einfacher Editor für Figuren

FigureElement

Display

Point

setX(int)setY(int)

Line

setP1(Point)setP2(Point)

Figure *

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makePoint(..)makeLine(..)

moveBy(int, int)

Operationen dieElemente bewegen

factory Methoden

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Quelltextauszug

3.1 Beispiel: Ein Editor für Figuren

class Line implements FigureElement{ private Point p1, p2; Point getP1() { return p1; } Point getP2() { return p2; } void setP1(Point p1) { this.p1 = p1; } void setP2(Point p2) { this.p2 = p2; } void moveBy(int dx, int dy) { ... }}

class Point implements FigureElement { private int x = 0, y = 0; int getX() { return x; } int getY() { return y; } void setX(int x) { this.x = x; } void setY(int y) { this.y = y; } void moveBy(int dx, int dy) { ... }}

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Aufgabe: Aktualisieren des Displays

• Ansammlung von Figurelementen

- die sich bewegen

- müssen das Display bei Bedarf aktualisieren

- Anzahl der Figurelemente kann komplex sein

- Events treten asynchron auf

3.1 Beispiel: Ein Editor für Figuren

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3.2 Joinpoint

• Wohldefinierte Punkte in der Ausführung eines Java-Programms, wie z.B.

- Methodenaufrufe & Konstruktorenaufrufe (call join points)

- Ausführung von Methoden & Konstruktoren (execution call points)

- Feldzugriffe (get & set)

A Line

dispatch

method execution join point

method call join point

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Aufbau:

public pointcut mypointcut() : call (void Line.setP1(Point))


3.3 Pointcut (1)

• Prädikat, das eine Menge von Joinpoints definiert

Accessspecifier

Pointcutname

KeywordPointcut

type

Signature

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Pointcut (2)

• Beispiel (anonymer Pointcut): call (void Line.setP1(Point))

• Pointcuts können durch Boolesche Ausdrücke logisch verknüpft werden

• Pointcuts können benannt werden

• Pointcuts können über mehrere Klassen selektieren

Beispiel: public pointcut move() :call (void Line.setP1(Point)) ||call (void Line.setP2(Point)) ||call (void Point.setX(int)) ||call (void Point.setY(int));

3.3 Pointcut

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Primitive Pointcuts

• call ist ein „Primitiver Pointcut“

3.3 Pointcut

Weitere Primitive Pointcut Bezeichner sind:

- call, execution - this, target, args

- get, set - within, withincode

- handler - cflow, cflowbelow

- initialization, staticinitialization

• Weitere Details: AspectJ Quick Reference

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Erläuterung primitiver Pointcuts: call, execution, within

:Test :Poin t

moveBy()se tX()

moveByca ll

moveBy execution

setX call se tXexecution

moveBy()

moveBy call&&

within (Line)moveBy execution

mainexecution

:Line

3.3 Pointcut

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3.4 Advice

• Code der einem Pointcut zugeordnet wird

• und damit zusätzliches Verhalten bei den vom Pointcut definierten Joinpoints einführt.

• der Code kann

- vor (before advice)

- nach (after advice)

- während (around advice)

einem Pointcut ausgeführt werden

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Beispiel: after advice

a Line

after advice wird aufdem "Rückweg" ausgeführt

3.4 Advice

Varianten:

• after throwing

• after returning

pointcut move():

call (void Line.setP1(Point)) ||call (void Line.setP2(Point));

after() returning: move() {

<nach jedem „move“ auszuführender Code>

}

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3.5 Aspekt

• Repräsentation eines „crosscutting concerns“ im Code

• Aspekte

- ähneln einer Klasse

- können Methoden, Felder, Pointcuts und Advices beinhalten

- können abstract sein

- können von Klassen abgeleitet werden und Interfaces implementieren

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Beispiel: Ein einfacher Aspekt

ohne AspectJ:

3.5 Aspekt

Box impliziert vollständig lauffähigen Code

class Line { private Point p1, p2;

Point getP1() { return p1; } Point getP2() { return p2; }

void setP1(Point p1) { this.p1 = p1; Display.update(); } void setP2(Point p2) { this.p2 = p2; Display.update(); }}

aspect DisplayUpdating {

pointcut move(): call(void Line.setP1(Point)) || call(void Line.setP2(Point));

after() returning: move() { Display.update(); }}

mit AspectJ:

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4. Details zu AspectJ

4.1 Wildcards

* beliebiger Teil einer Klasse, Interface oder eines Package

.. alle direkten und indirekten subpackages

+ alle Subtypen (Subklassen oder Subinterfaces)

Beispiel: javax..*Model+

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Übung: Signaturen (1)

Wiederholung:

AspectJ – Eine Aspektorientierte Programmiersprache 4.2 Wildcards

public pointcut mypointcut() : call (void Line.setP1(Point))

Accessspecifier

Pointcutname

KeywordPointcut

type

Signature

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Übung: Signaturen (2)

AspectJ – Eine Aspektorientierte Programmiersprache 4.2 Wildcards

• public void Line.*()

• public * Line.*()

• public * Line.*(..)

• !public * Line.*(..)

• * Line+.*(..)

• public void Line.set*(*)

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4.2 Parameter-Mechanismus

Ergänzung:

target(Line)

• selektiert alle Joinpoints, falls

• das Objekt, auf dem die Methode aufgerufen wird, instanceof Line ist

• (entsprechend gilt dies für Subklassen von Line)

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4.2 Parameter-Mechanismus

before (FigureElement fe) : move(fe) {

System.out.println( fe + “ is about to move”);

}

pointcut move(FigureElement figElt): target(figElt) && (call(void FigureElement.moveBy(int, int))

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Aspekt: Aktualisieren des Displays

aspect DisplayUpdating {

pointcut move(FigureElement figElt): target(figElt) && (call(void FigureElement.moveBy(int, int) || call(void Line.setP1(Point)) || call(void Line.setP2(Point)) || call(void Point.setX(int)) || call(void Point.setY(int)));

after(FigureElement fe) returning: move(fe) { Display.update(fe); }}

4.2 Der Parameter-Mechanismus

Demonstration des AJDT

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4.3 Anwendung: Bedingungen für Methoden

• Vorbedingungen: Prüfe, ob die Parameter gültig sind

• Nachbedingungen: Prüfe, ob die berechneten Werte gültig sind

• Während der Ausführung: Korrekte Werte erzwingen

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Einschub

1) proceed

<result type> proceed(arg1, arg2, …)

• nur im around advice

2) args

Beispiel: args(String,..,int)

• selektiert Joinpoints

• in allen Methoden, die als ersten Parameter String und als letzten int erwarten


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Vorbedingungen


aspect PointBoundsPreCondition { before(int newX): call(void Point.setX(int)) && args(newX) { assert(newX >= MIN_X); assert(newX <= MAX_X); } before(int newY): call(void Point.setY(int)) && args(newY) { assert(newY >= MIN_Y); assert(newY <= MAX_Y); }

private void assert(boolean v) { if ( !v ) throw new RuntimeException(); }}

nach dem ‘:’ folgt immer ein pointcut – primitiv oder benannt (selbst-definiert)

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Nachbedingung


aspect PointBoundsPostCondition {

after(Point p, int newX) returning: call(void Point.setX(int)) && target(p) && args(newX) { assert(p.getX() == newX); }

after(Point p, int newY) returning: call(void Point.setY(int)) && target(p) && args(newY) { assert(p.getY() == newY); }

private void assert(boolean v) { if ( !v ) throw new RuntimeException(); }}

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Während der Ausführung: korrekte Werte forcieren


aspect PointBoundsEnforcement {

void around(Point p, int newX): call(void Point.setX(int)) && target(p) && args(newX) { proceed(p, clip(newX, MIN_X, MAX_X)); }

void around(Point p, int newY): call(void Point.setY(int)) && target(p) && args(newY) { proceed(p, clip(newY, MIN_Y, MAX_Y)); }

private int clip(int val, int min, int max) { return Math.max(min, Math.min(max, val)); }}

Demo

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4.4 Inter-type Declarations

Beispiele:

• declare parents : C extends D;

• declare parents : C implements I,J;

• declare warning : set(* Point.*)&&!within(Point) : „bad set“ ;

Demo

• pointcut illegalNewFigElt(): (call(Point.new(..)) || call(Line.new(..))) && !withincode(* Figure.make*(..));

declare error: illegalNewFigElt():"Use factory method instead.";

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5. Zusammenfassung

• „AOP is Quantification and Obliviousness“

AspectJ:

• Joinpoints: Wohldefinierte Punkte in der Ausführung eines Java-Programms

• Pointcuts: Prädikat, das eine Menge von Joinpoints definiert (primitiv + selbst-definiert)

• Advice: Code der einem Pointcut zugeordnet wird und damit zusätzliches Verhalten bei den vom Pointcut definierten Joinpoints einführt

• Aspekt: Repräsentation eines „crosscutting concerns“ im Code

• Details zu AspectJ:

• Wildcards• Parameter-Mechanismus• Inter-type Declarations

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6. Übungsaufgabe: Caching von Fibonacci-Zahlen

public class Fibonacci {

// naive implementation of fibonacci // with a lot of redundant calculations of the same values. public static int fib(int n) { if ( n < 2) { System.out.println(n + "."); return 1; } else { System.out.print(n + ","); return fib(n-1) + fib(n-2); } }

public static void main(String[] args) { int value=10; int f = fib(value); System.out.println("fib("+value+") = " + f); }

}

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Lösung..

6. Übungsaufgabe

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Mögliche Lösung der Übungsaufgabe:

import java.util.HashMap;

public aspect OptimizeFibonacciAspect {

private HashMap cache = new HashMap();

private pointcut fibs(int n): call(int Fibonacci.fib(int)) && args(n);

int around(int n): fibs(n) { Integer result = (Integer)cache.get(new Integer(n)); if (result == null) { // not found, calculate! int f = proceed(n); cache.put(new Integer(n), new Integer(f)); return f; } else return result.intValue(); // found, done! }

}

6. Übungsaufgabe

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7. Anhang

7.1 Control-Flow

Wiederholter Aufruf von call resultiert in neuen J oinpoints

a Line

a Figure

Alle dargestellten Joinpoints sindInnerhalb des Control Flows

dieses Joinpoints

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7.1 Erläuterung primitiver Pointcuts: call, execution, within

:Test :Point

moveBy()setX()

moveBycall

moveBy execution

setX call setXexecution

moveBy()

moveBy call&&

within(Line)moveBy execution

mainexecution

:Line

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7.2 Erläuterung primitiver Pointcuts: cflow, cflowbelow

:Test :Point:Line

moveBy()moveBy()

setX()

cflow(call(* Line.moveBy()))selektiert alle joinpoints in diesem Bereich

cflow(call(* Line.moveBy()))selektiert alle joinpoints in diesem Bereich

cflowbelow(call(* Line.moveBy()))selektiert alle joinpoints in diesem Bereich

cflowbelow(call(* Line.moveBy()))selektiert alle joinpoints in diesem Bereich

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7.3 Webzeit in AspectJ

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