体验Java 1.5中面向方面(AOP)编程

　　对于一个能够访问源代码的经验丰富的Java开发人员来说，任何程序都可以被看作是博物馆里透明的模型。类似线程转储（dump）、方法调用跟踪、断点、切面（profiling）统计表等工具可以让我们了解程序目前正在执行什么操作、刚才做了什么操作、未来将做什么操作。但是在产品环境中情况就没有那么明显了，这些工具一般是不能够使用的，或最多只能由受过训练的开发者使用。支持团队和最终用户也需要知道在某个时刻应用程序正在执行什么操作。
　　
　　为了填补这个空缺，我们已经发明了一些简单的替代品，例如日志文件（典型情况下用于服务器处理）和状态条（用于GUI应用程序）。但是，由于这些工具只能捕捉和报告可用信息的一个很小的子集，并且通常必须把这些信息用容易理解的方式表现出来，所以程序员趋向于把它们明确地编写到应用程序中。而这些代码会缠绕着应用程序的业务逻辑，当开发者试图调试或了解核心功能的时候，他们必须"围绕这些代码工作"，而且还要记得功能发生改变后更新这些代码。我们希望实现的真正功能是把状态报告集中在某个位置，把单个状态消息作为元数据（metadata）来管理。
　　
　　在本文中我将考虑使用嵌入GUI应用程序中的状态条组件的情形。我将介绍多种实现这种状态报告的不同方法，从传统的硬编码习惯开始。随后我会介绍Java 1.5的大量新特性，包括注解（annotation）和运行时字节码重构（instrumentation）。
　　
　　状态管理器（StatusManager）
　　我的主要目标是建立一个可以嵌入GUI应用程序的JStatusBar Swing组件。图1显示了一个简单的Jframe中状态条的样式。
　　　
　　图1.我们动态生成的状态条
　　
　　由于我不希望直接在业务逻辑中引用任何GUI组件，我将建立一个StatusManager（状态管理器）来充当状态更新的入口点。实际的通知会被委托给StatusState对象，因此以后可以扩展它以支持多个并发的线程。图2显示了这种安排。
　　　
　　图2. StatusManager和JstatusBar
　　
　　现在我必须编写代码调用StatusManager的方法来报告应用程序的进程。典型情况下，这些方法调用都分散地贯穿于try-finally代码块中，通常每个方法一个调用。
　　public void connectToDB (String url) {
　　　StatusManager.push("Connecting to database");
　　　try {
　　...
　　　} finally {
　　StatusManager.pop();
　　　}
　　}
　　
　　这些代码实现了我们所需要功能，但是在代码库中数十次、甚至于数百次地复制这些代码之后，它看起来就有些混乱了。此外，如果我们希望用一些其它的方式访问这些消息该怎么办呢？在本文的后面部分中，我将定义一个用户友好的异常处理程序，它共享了相同的消息。问题是我把状态消息隐藏在方法的实现之中了，而没有把消息放在消息所属的接口中。
　　
　　面向属性编程
　　我真正想实现的操作是把对StatusManager的引用都放到代码外面的某个地方，并简单地用我们的消息标记这个方法。接着我可以使用代码生成（code-generation）或运行时反省（introspection）来执行真正的工作。XDoclet项目把这种方法归纳为面向属性编程（Attribute-Oriented Programming），它还提供了一个框架组件，可以把自定义的类似Javadoc的标记转换到源代码之中。
　　
　　但是，JSR-175包含了这样的内容，Java 1.5为了包含真实代码中的这些属性提供了一种结构化程度更高的格式。这些属性被称为"注解（annotations）"，我们可以使用它们为类、方法、字段或变量定义提供元数据。它们必须被显式声明，并提供一组可以包含任意常量值（包括原语、字符串、枚举和类）的名称-值对（name-value pair）。
　　
　　注解（Annotations）
　　为了处理状态消息，我希望定义一个包含字符串值的新注解。注解的定义非常类似接口的定义，但是它用@interface关键字代替了interface，并且只支持方法（尽管它们的功能更像字段）：
　　public @interface Status {
　　　String value();
　　}
　　
　　与接口类似，我把@interface放入一个叫做Status.java的文件中，并把它导入到任何需要引用它的文件中。
　　
　　对我们的字段来说，value可能是个奇怪的名称。类似message的名称可能更适合；但是，value对于Java来说具有特殊的意义。它允许我们使用@Status("...")代替@Status(value="...")来定义注解，这明显更加简捷。
　　
　　我现在可以使用下面的代码定义自己的方法：
　　
　　@Status("Connecting to database")
　　public void connectToDB (String url) {
　　...
　　}
　　
　　请注意，我们在编译这段代码的时候必须使用-source 1.5选项。如果你使用Ant而不是直接使用javac命令行建立应用程序，那么你需要使用Ant 1.6.1以上版本。
　　
　　作为类、方法、字段和变量的补充，注解也可以用于为其它的注解提供元数据。特别地，Java引入了少量注解，你可以使用这些注解来定制你自己的注解的工作方式。我们用下面的代码重新定义自己的注解：
　　
　　@Target(ElementType.METHOD)
　　@Retention(RetentionPolicy.SOURCE)
　　public @interface Status {
　　String value();
　　}
　　
　　@Target注解定义了@Status注解可以引用什么内容。理想情况下，我希望标记大块的代码，但是它的选项只有方法、字段、类、本地变量、参数和其它注解。我只对代码感兴趣，因此我选择了METHOD（方法）。
　　　
　　@Retention注解允许我们指定Java什么时候可以自主地抛弃消息。它可能是SOURCE（在编译时抛弃）、CLASS（在类载入时抛弃）或RUNTIME（不抛弃）。我们先选择SOURCE，但是在本文后部我们会更新它。
　　
　　重构源代码
　　现在我的消息都被编码放入元数据中了，我必须编写一些代码来通知状态监听程序。假设在某个时候，我继续把connectToDB方法保存源代码控件中，但是却没有对StatusManager的任何引用。但是，在编译这个类之前，我希望加入一些必要的调用。也就是说，我希望自动地插入try-finally语句和push/pop调用。
　　
　　XDoclet框架组件是一种Java源代码生成引擎，它使用了类似上述的注解，但是把它们存储在Java源代码的注释（comment）中。XDoclet生成整个Java类、配置文件或其它建立的部分的时候非常完美，但是它不支持对已有Java类的修改，而这限制了重构的有效性。作为代替，我可以使用分析工具（例如JavaCC或ANTLR，它提供了分析Java源代码的语法基础），但是这需要花费大量精力。
　　
　　看起来没有什么可以用于Java代码的源代码重构的很好的工具。这类工具可能有市场，但是你在本文的后面部分可以看到，字节码重构可能是一种更强大的技术。 重构字节码
　　
　　不是重构源代码然后编译它，而是编译原始的源代码，然后重构它所产生的字节码。这样的操作可能比源代码重构更容易，也可能更加复杂，而这依赖于需要的准确转换。字节码重构的主要优点是代码可以在运行时被修改，不需要使用编译器。
　　
　　尽管Java的字节码格式相对简单，我还是希望使用一个Java类库来执行字节码的分析和生成（这可以把我们与未来Java类文件格式的改变隔离开来）。我选择了使用Jakarta的Byte Code Engineering Library（字节码引擎类库，BCEL），但是我还可以选用CGLIB、ASM或SERP。
　　
　　由于我将使用多种不同的方式重构字节码，我将从声明重构的通用接口开始。它类似于执行基于注解重构的简单框架组件。这个框架组件基于注解，将支持类和方法的转换，因此该接口有类似下面的定义：
　　public interface Instrumentor
　　{
　　　public void instrumentClass (ClassGen classGen,Annotation a);
　　　public void instrumentMethod (ClassGen classGen,MethodGen methodGen,Annotation a);
　　}
　　
　　ClassGen和MethodGen都是BCEL类，它们使用了Builder模式（pattern）。也就是说，它们为改变其它不可变的（immutable）对象、以及可变的和不可变的表现（representation）之间的转换提供了方法。
　　
　　现在我需要为接口编写实现，它必须用恰当的StatusManager调用更换@Status注解。前面提到，我希望把这些调用包含在try-finally代码块中。请注意，要达到这个目标，我们所使用的注解必须用@Retention(RetentionPolicy.CLASS)进行标记，它指示Java编译器在编译过程中不要抛弃注解。由于在前面我把@Status声明为@Retention(RetentionPolicy.SOURCE)的，我必须更新它。
　　
　　在这种情况下，重构字节码明显比重构源代码更复杂。其原因在于try-finally是一种仅仅存在于源代码中的概念。Java编译器把try-finally代码块转换为一系列的try-catch代码块，并在每一个返回之前插入对finally代码块的调用。因此，为了把try-finally代码块添加到已有的字节码中，我也必须执行类似的事务。
　　
　　下面是表现一个普通方法调用的字节码，它被StatusManager更新环绕着：
　　0: ldc #2; //字符串消息
　　2: invokestatic #3; //方法StatusManager.push:(LString;)V
　　5: invokestatic #4; //方法 doSomething:()V
　　8: invokestatic #5; //方法 StatusManager.pop:()V
　　11: return
　　
　　下面是相同的方法调用，但是位于try-finally代码块中，因此，如果它产生了异常会调用StatusManager.pop()：
　　
　　0: ldc #2; //字符串消息
　　2: invokestatic #3; //方法 StatusManager.push:(LString;)V
　　5: