C++11实现一个轻量级的AOP框架

AOP介绍

  AOP(Aspect-Oriented Programming,面向方面编程),可以解决面向对象编程中的一些问题,是OOP的一种有益补充。面向对象编程中的继承是一种从上而下的关系,不适合定义从左到右的横向关系,如果继承体系中的很多无关联的对象都有一些公共行为,这些公共行为可能分散在不同的组件、不同的对象之中,通过继承方式提取这些公共行为就不太合适了。使用AOP还有一种情况是为了提高程序的可维护性,AOP将程序的非核心逻辑都“横切”出来,将非核心逻辑和核心逻辑分离,使我们能集中精力在核心逻辑上,例如图1所示的这种情况。

C++11实现一个轻量级的AOP框架

图1 AOP通过“横切”分离关注点

  在图1中,每个业务流程都有日志和权限验证的功能,还有可能增加新的功能,实际上我们只关心核心逻辑,其他的一些附加逻辑,如日志和权限,我们不需要关注,这时,就可以将日志和权限等非核心逻辑“横切”出来,使核心逻辑尽可能保持简洁和清晰,方便维护。这样“横切”的另外一个好处是,这些公共的非核心逻辑被提取到多个切面中了,使它们可以被其他组件或对象复用,消除了重复代码。

  AOP把软件系统分为两个部分:核心关注点和横切关注点。业务处理的主要流程是核心关注点,与之关系不大的部分是横切关注点。横切关注点的一个特点是,它们经常发生在核心关注点的多处,而各处都基本相似,比如权限认证、日志、事务处理。AOP 的作用在于分离系统中的各种关注点,将核心关注点和横切关注点分离开来。

实现AOP的一些方法

  实现AOP的技术分为:静态织入和动态织入。静态织入一般采用抓们的语法创建“方面”,从而使编译器可以在编译期间织入有关“方面”的代码,AspectC++就是采用的这种方式。这种方式还需要专门的编译工具和语法,使用起来比较复杂。我将要介绍的AOP框架正是基于动态织入的轻量级AOP框架。动态织入一般采用动态代理的方式,在运行期对方法进行拦截,将切面动态织入到方法中,可以通过代理模式来实现。下面看看一个简单的例子,使用代理模式实现方法的拦截,如代码清单1所示。

代码清单1代理模式拦截方法的实现

#include<memory>
#include<string>
#include<iostream>
using namespace std;
class IHello
{
public: IHello()
{
} virtual ~IHello()
{
} virtualvoid Output(const string& str)
{ }
}; class Hello : public IHello
{
public:
void Output(const string& str) override
{
cout <<str<< endl;
}
}; class HelloProxy : public IHello
{
public:
HelloProxy(IHello* p) : m_ptr(p)
{ } ~HelloProxy()
{
delete m_ptr;
m_ptr = nullptr;
} void Output(const string& str) final
{
cout <<"Before real Output"<< endl;
m_ptr->Output(str);
cout <<"After real Output"<< endl;
} private:
IHello* m_ptr;
}; void TestProxy()
{
std::shared_ptr<IHello> hello = std::make_shared<HelloProxy>(newHello());
hello->Output("It is a test");
}

测试代码将输出:

Before real Output
It is a test
Before real Output

  可以看到我们通过HelloProxy代理对象实现了对Output方法的拦截,这里Hello::Output就是核心逻辑,HelloProxy实际上就是一个切面,我们可以把一些非核心逻辑放到里面,比如在核心逻辑之前的一些校验,在核心逻辑执行之后的一些日志等。

虽然通过代理模式可以实现AOP,但是这种实现还存在一些不足之处:

1.不够灵活,不能*组合多个切面。代理对象是一个切面,这个切面依赖真实的对象,如果有多个切面,要灵活地组合多个切面就变得很困难。这一点可以通过装饰模式来改进,虽然可以解决问题但还是显得“笨重”。

2.耦合性较强,每个切面必须从基类继承,并实现基类的接口。

我们希望能有一个耦合性低,又能灵活组合各种切面的动态织入的AOP框架。

  1. 需要的技术

  要实现灵活组合各种切面,一个比较好的方法是将切面作为模板的参数,这个参数是可变的,支持1到N(N>0)切面,先执行核心逻辑之前的切面逻辑,执行完之后再执行核心逻辑,然后再执行核心逻辑之后的切面逻辑。这里,我们可以通过可变参数模板来支持切面的组合。AOP实现的关键是动态织入,实现技术就是拦截目标方法,只要拦截了目标方法,我们就可以在目标方法执行前后做一些非核心逻辑,通过继承方式来实现拦截,需要派生基类并实现基类接口,这使程序的耦合性增加了。为了降低耦合性,这里通过模板来做解耦,即每个切面对象需要提供Before(Args…)或After(Args…)方法,用来处理核心逻辑执行前后的非核心逻辑。

  支持任意类型和数量的切面组合,我们通过可变模版参数实现即可,关于可变模板参数的用法和使用技巧,读者可以参考我在《程序员》2015年2月刊上的文章《泛化之美--C++11可变模版参数的妙用》。

  为了实现切面的充分解耦合,我们的切面不必通过继承方式实现,而且也不必要求切面必须具备Before和After方法,只要具备任意一个方法即可,给使用者提供最大的便利性和灵活性。实现这个功能稍微有点复杂,复杂的地方在于切面可能具有某个方法也可能不具有某个方法,具有就调用,不具有也不会出错。问题的本质上是需要检查类型是否具有某个方法,在C++中是无法在运行期做到这个事情的,因为C++像不托管语言c#或java那样具备反射功能,然而,我们可以在编译期检查类型是否具有某个方法。下面来看看是如何实现在编译期检查某个类型的方法是否存在的。我们先定义一个检查方法是否存在的元函数(关于元函的概念数读者可以参考我在《程序员》2015年3月刊上的文章《C++11模版元编程》)。

template<typename T>
struct has_member_foo
{
private:
template<typename U> static auto Check(int) -> decltype(std::declval<U>().foo(), std::true_type()); template<typename U> static std::false_type Check(...);
public:
enum{ value = std::is_same<decltype(Check<T>()), std::true_type>::value };
};

  这个has_member_foo的作用就是检查类型是否存在非静态成员foo函数,具体的实现思路是这样的:定义一个两个重载函数Check,利用C++的SIFNA(Substitution failure is not an erro--替换失败不算错)特性,由于模板实例化的过程中会优先选择匹配程度最高的重载函数,在模板实例化的过程中检查类型是否存在foo函数,如果存在则返回std::true_type,否则返回std::false_type,最后检查Check函数的返回类型即可知道类型是否存在foo函数。需要注意的是这里用到了C++11中auto+decltype实现的返回类型后置特性,用这个特性的主要目的是我们无法直接得到Check的返回类型,我们需要借助模板参数T才能得到Check的返回类型(关于返回类型后置这个特性的详细用法和应用场景介绍,读者可以参考《深入应用C++11:代码优化与工程级应用》一书第一章的内容)。我们来看一下实现检查很关键的一行代码:

template<typename U> static auto Check(int) -> decltype(std::declval<U>().foo(), std::true_type());

  我们用到了std::declval<U>().foo(),std::declval不会受到类型U是否存在共有构造函数的影响,也不会实例化类型,它仅仅是为了配合decltype来获取函数foo的返回类型,如果获取成功则表明存在foo函数,否则就会替换失败,而选择默认的Check函数。decltype在这里还有另外一个妙用,它可以通过逗号表达式连续推断多个函数的返回类型,假如我们不仅仅是要推断类型是否存在foo函数,我们还希望推断类型是否存在foo1函数,这时我们仅仅需要在加一个逗号表达式就行了:

template<typename U> static auto Check(int) -> decltype(std::declval<U>().foo(),std::declval<U>().foo1(), std::true_type());

  这样我们就可以同时判断某个类型是否具有foo和foo1函数了,decltype在这里体现了良好的扩展性。

  虽然我们通过has_member_foo可以检查出来类型是否存在foo函数,但是还存在一个问题,即重载函数的问题,假设我们有多个重载的foo函数,这个has_member_foo就不一定能检查出来,因为decltype(std::declval<U>().foo())仅仅检查的是不含参数的foo函数,因此这个has_member_foo还不够完美,我们还需要改进它,让它能对所有的重载函数有效。借助可变模板参数就可以轻松解决这个问题了:

template<typename T, typename... Args>
struct has_member_foo
{
private:
template<typename U> static auto Check(int) -> decltype(std::declval<U>().foo(std::declval<Args>()...), std::true_type()); template<typename U> static std::false_type Check(...);
public:
enum{ value = std::is_same<decltype(Check<T>()), std::true_type>::value };
};

改进之后的has_member_foo就可以对所有版本的重载函数进行检查了,具体用法是这样的:

cout << has_member_foo<MyStruct>::value << endl; //判断是否存在无参的foo函数
cout << has_member_foo<MyStruct, int>::value << endl;//判断是否存在含int参数的foo函数

再借助std::enable_if在编译期根据has_member_foo::value可以做一个分支选择就可以解决前面提出的问题:如果类型具有某个方法就调用,不具有也不会出错。这个问题解决之后我们就可以实现一个AOP框架了

  1. 完整的实现

下面AOP完整的实现,我们对has_member_foo通过宏做了一个扩展,让它方便对所有的非成员函数进行检查,然后再借助std::enable_if和变参实现对方法的拦截。

代码清单2 AOP的实现

#define HAS_MEMBER(member)\
template<typename T, typename... Args>struct has_member_##member\
{\
private:\
template<typename U> static auto Check(int) -> decltype(std::declval<U>().member(std::declval<Args>()...), std::true_type()); \
template<typename U> static std::false_type Check(...);\
public:\
enum{value = std::is_same<decltype(Check<T>()), std::true_type>::value};\
};\ HAS_MEMBER(Foo)
HAS_MEMBER(Before)
HAS_MEMBER(After) #include <NonCopyable.hpp>
template<typename Func, typename... Args>
struct Aspect : NonCopyable
{
Aspect(Func&& f) : m_func(std::forward<Func>(f))
{
} template<typename T>
typename std::enable_if<has_member_Before<T, Args...>::value&&has_member_After<T, Args...>::value>::type Invoke(Args&&... args, T&& aspect)
{
aspect.Before(std::forward<Args>(args)...);//核心逻辑之前的切面逻辑
m_func(std::forward<Args>(args)...);//核心逻辑
aspect.After(std::forward<Args>(args)...);//核心逻辑之后的切面逻辑
} template<typename T>
typename std::enable_if<has_member_Before<T, Args...>::value&&!has_member_After<T, Args...>::value>::type Invoke(Args&&... args, T&& aspect)
{
aspect.Before(std::forward<Args>(args)...);//核心逻辑之前的切面逻辑
m_func(std::forward<Args>(args)...);//核心逻辑
} template<typename T>
typename std::enable_if<!has_member_Before<T, Args...>::value&&has_member_After<T, Args...>::value>::type Invoke(Args&&... args, T&& aspect)
{
m_func(std::forward<Args>(args)...);//核心逻辑
aspect.After(std::forward<Args>(args)...);//核心逻辑之后的切面逻辑
} template<typename Head, typename... Tail>
void Invoke(Args&&... args, Head&&headAspect, Tail&&... tailAspect)
{
headAspect.Before(std::forward<Args>(args)...);
Invoke(std::forward<Args>(args)..., std::forward<Tail>(tailAspect)...);
headAspect.After(std::forward<Args>(args)...);
} private:
Func m_func; //被织入的函数
};
template<typenameT> using identity_t = T; //AOP的辅助函数,简化调用
template<typename... AP, typename... Args, typename Func>
void Invoke(Func&&f, Args&&... args)
{
Aspect<Func, Args...> asp(std::forward<Func>(f));
asp.Invoke(std::forward<Args>(args)..., identity_t<AP>()...);
}

  在上面的代码中,“template<typename T> using identity_t = T;”是为了让vs2013能正确识别出模板参数,因为各个编译器对变参的实现是有差异的。在GCC下,“msp.Invoke(std::forward<Args>(args)..., AP()...);”是可以编译通过的,但是在vs2013下就不能编译通过,通过identity_t就能让vs2013正确识别出模板参数类型。这里将Aspect从NonCopyable派生,使Aspect不可复制。关于NonCopyable的实现请读者参考8.2节的内容。上面的代码用到完美转发和可变参数模板,关于它们的用法,读者可以参考第2章和第3章内容。

  实现思路很简单,将需要动态织入的函数保存起来,然后根据参数化的切面来执行Before(Args…)处理核心逻辑之前的一些非核心逻辑,在核心逻辑执行完之后,再执行After(Args…)来处理核心逻辑之后的一些非核心逻辑。上面的代码中的has_member_Before和has_member_After这两个traits是为了让使用者用起来更灵活,使用者可以*的选择Before和After,可以仅仅有Before或After,也可以二者都有。

  需要注意的是切面中的约束,因为通过模板参数化切面,要求切面必须有Before或After函数,这两个函数的入参必须和核心逻辑的函数入参保持一致,如果切面函数和核心逻辑函数入参不一致,则会报编译错误。从另外一个角度来说,也可以通过这个约束在编译期就检查到某个切面是否正确。

  下面看一个简单的测试AOP的例子,这个例子中我们将记录目标函数的执行时间并输出日志,其中计时和日志都放到切面中。在执行函数之前输出日志,在执行完成之后也输出日志,并对执行的函数进行计时,如代码清单3所示。

代码清单3带日志和计时切面的AOP

struct TimeElapsedAspect
{
void Before(int i)
{
m_lastTime = m_t.elapsed();
} void After(int i)
{
cout <<"time elapsed: "<< m_t.elapsed() - m_lastTime << endl;
} private:
double m_lastTime;
Timer m_t;
}; struct LoggingAspect
{
void Before(int i)
{
std::cout <<"entering"<< std::endl;
} void After(int i)
{
std::cout <<"leaving"<< std::endl;
}
}; void foo(int a)
{
cout <<"real HT function: "<<a<< endl;
} int main()
{
Invoke<LoggingAspect, TimeElapsedAspect>(&foo, ); //织入方法
cout <<"-----------------------"<< endl;
Invoke<TimeElapsedAspect, LoggingAspect>(&foo, ); return ;
}

测试结果如图3所示。

C++11实现一个轻量级的AOP框架

图3 AOP切面组合的测试结果

  从测试结果中看到,我们可以任意组合切面,非常灵活,也不要求切面必须从某个基类派生,只要求切面具有Before或After函数即可(这两个函数的入参要和拦截的目标函数的入参相同)。

总结

  轻量级的AOP可以方便的实现对核心函数的织入,还支持切面的组合,但也存在不足之处,比如不能像Java的AOP框架一样支持通过配置文件去配置切面,仍然需要手动对核心函数配置切面,如果需要通过配置文件去配置切面可以考虑使用AspectC++。

  备注:本文节选自《深入应用C++11:代码优化与工程级应用》,这本书是为了和广大读者分享学习和应用C++11的经验和乐趣,告诉读者C++11的新特性是如何综合运用于实际开发中的,具有实践的指导作用。特此感谢机械工业出版社授权。

本文是我发表于《程序员》7月刊,转载请注明出处。

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