22、方法拦截与面向切面编程（AOP）

方法拦截与面向切面编程（AOP）

1. 方法拦截与 AOP 概述

在传统的事务处理逻辑中，我们可能会编写大量重复的代码来管理事务的开始、提交和回滚。例如：

public class Brokerage {
    private final TransactionManager txn;
    public void placeOrder(Order order) {
        txn.beginTransaction();
        try {
            ...
        } catch(DataException e) {
            txn.rollback();
        } finally {
            if(!txn.rolledBack())
                txn.commit();
        }
    }
}

这种方式会导致代码冗余，并且每个需要事务处理的方法都要重复这些逻辑。而使用声明式事务，我们可以简化代码：

public class Brokerage {
    @Transactional
    public void placeOrder(Order order) {
       ...
    }
}

通过声明 placeOrder() 方法为 @Transactional ，我们可以去除大部分包裹订单的样板代码，同时消除了 Brokerage 类对 TransactionManager 的依赖，使代码更易于编写和测试，并且将所有事务相关的逻辑集中在一个地方。

@Transactional 是一种元数据，它允许我们在 placeOrder() 方法周围声明一个事务。实际上， placeOrder() 方法会被拦截，并在正常执行之前被包裹在一个事务中。这是通过一种称为面向切面编程（AOP）的技术实现的。

方法拦截可以通过多种不同的方式实现，具体取决于所使用的 AOP 库：
- 在编译时，通过专门的编译器实现。
- 在加载时，直接修改类定义。
- 在运行时，通过动态代理实现。

这个过程被称为织入（weaving），引入的行为被称为通知（advice）。由于我们关注的是依赖注入，因此将重点放在运行时的织入方式，即使用动态代理。

2. 使用 Guice 实现跟踪拦截器

2.1 实现拦截器类

我们希望通过拦截方法来跟踪某个类中每个方法的执行情况，而不是在每个方法中添加打印语句。Guice 允许我们通过绑定一个拦截器来实现这一点：

import org.aopalliance.intercept.MethodInterceptor;
import org.aopalliance.intercept.MethodInvocation;
public class TracingInterceptor implements MethodInterceptor {
    public Object invoke(MethodInvocation mi) throws Throwable {
        System.out.println("enter " + mi.getMethod().getName());
        try {
            return mi.proceed();
        } finally {
             System.out.println("exit " + mi.getMethod().getName());
        }
    }
}

这个类很简单，它包含一个 invoke() 方法，每次拦截发生时都会调用该方法。该方法会执行以下操作：
- 在进入被拦截的方法之前打印一条提示信息。
- 继续执行被拦截的方法并返回结果。
- 在将控制权返回给调用者之前打印另一条提示信息。

2.2 绑定拦截器

在任何 Module 类中，我们可以使用 Guice 的绑定 API 来应用这个拦截器：

import static com.google.inject.matcher.Matchers.*;
public class MyModule extends AbstractModule {
    @Override
    protected void configure() {
        ...
        bindInterceptor(any(), any(), new TracingInterceptor());
    }
}

bindInterceptor(any(), any(), new TracingInterceptor()) 中的前两个参数 any() 分别表示任何类和任何方法。Guice 使用这些匹配器来测试要拦截的类和方法。它自带了几个这样的匹配器，也可以自定义匹配器。

2.3 测试拦截器

假设我们有一个 Chef 类：

public class Chef {
    public void cook() {
        ...
    }
    public void clean() {
        ...
    }
}

当我们调用 Chef 类的方法时：

Chef chef = Guice.createInjector(new MyModule())
                 .getInstance(Chef.class);
chef.cook();
chef.clean();

会产生以下输出：

enter cook
exit cook
enter clean
exit clean

Chef 类并不知道如何向控制台打印信息，而且在单元测试中，方法不会被拦截，测试代码可以专注于验证相关的业务逻辑。

3. 使用 Spring 实现跟踪拦截器

3.1 实现拦截器类

Spring 使用不同的 AOP 库（虽然也支持 AopAlliance），但工作原理类似。我们使用 Spring 和 AspectJ 来拦截 Chef 类的方法：

import org.aspectj.lang.ProceedingJoinPoint;
public class TracingInterceptor {
    public Object trace(ProceedingJoinPoint call) throws Throwable {
        System.out.println("enter " + call.toShortString());
        try {
            return call.proceed();
        } finally {
            System.out.println("exit " + call.toShortString());
        }
    }
}

这个拦截器类与 Guice 中的 TracingInterceptor 类似，但不需要实现任何接口，而是直接告诉注入器 trace() 方法。

3.2 配置拦截器

我们需要在 XML 配置文件中配置拦截器：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans"
      xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
      xmlns:aop="http://www.springframework.org/schema/aop"
      xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans
       http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans-2.5.xsd
       http://www.springframework.org/schema/aop
       http://www.springframework.org/schema/aop/spring-aop-2.5.xsd">
  <bean id="chef" class="example.Chef"/>
  <bean id="tracer" class="example.TracingInterceptor"/>
  <aop:config>
      <aop:aspect ref="tracer">
         <aop:pointcut id="pointcuts.anyMethod"
                    expression="execution(* example.*.*(..))" />
         <aop:around pointcut-ref="pointcuts.anyMethod" method="trace"/>
      </aop:aspect>
  </aop:config>
</beans>

这个配置文件看起来复杂，但实际上很简单：
- 首先，我们在 <bean> 标签中声明 TracingInterceptor ，并命名为 "tracer" 。
- 然后，使用 Spring 提供的 <aop:pointcut> 标签声明一个切入点。表达式 "execution(* example.*.*(..))" 用 AspectJ 切入点语言编写，告诉 Spring 拦截 example 包中任何可见性、名称或参数的方法的执行。这个切入点表达式相当于 Guice 中的匹配器。
- <aop:aspect ref="tracer"> 是一个切面的声明，它本质上是一个匹配器（或切入点）和一个拦截器（通知）之间的绑定。

3.3 测试拦截器

运行以下代码：

BeanFactory injector = new FileSystemXmlApplicationContext("myAspect.xml");
Chef chef = (Chef) injector.getBean("chef");
chef.cook();
chef.clean();

会产生以下输出：

enter execution(cook)
exit execution(cook)
enter execution(clean)
exit execution(clean)

4. 代理机制的工作原理

4.1 静态代理示例

动态代理是在运行时生成的子类。我们可以透明地用代理替换原始实现，并根据需要装饰其行为。以 Chef 类为例，一个静态代理可能如下所示：

public class ChefProxy extends Chef {
    private final MethodInterceptor interceptor;
    private final Chef chef;
    public ChefProxy(MethodInterceptor interceptor, Chef chef) {
        this.interceptor = interceptor;
        this.chef = chef;
    }
    public void cook() {
        interceptor.invoke(new MethodInvocation() { ... });
    }
    public void clean() {
        interceptor.invoke(new MethodInvocation() { ... });
    }
}

这个代理类不会直接将调用委托给被拦截的 chef 实例，而是使用一个控制对象 MethodInvocation 调用拦截器。 MethodInterceptor 可以使用这个控制对象来决定何时以及如何将调用传递给原始的 chef 实例。

4.2 使用 Java 代理代理接口

Java 核心库提供了动态生成代理的工具，它实现了与我们刚刚看到的代理和拦截器对相同的设计模式，并作为 java.lang.reflect 中的反射工具集的一部分提供。它仅限于代理接口，但对于大多数用例来说已经足够。

假设 Chef 是一个接口：

public interface Chef {
    public void cook();
    public void clean();
}

我们可以通过以下方式创建 Chef 接口的动态子类：

import java.lang.reflect.Proxy;
...
Chef proxy = (Chef) Proxy.newProxyInstance(Chef.class.getClassLoader(),
                                          new Class[] { Chef.class },
                                          invocationHandler);

Proxy.newProxyInstance() 方法的参数说明如下：
- 第一个参数是定义新代理的类加载器。
- 第二个参数是一个 Class 对象数组，表示要拦截的所有接口。
- 第三个参数是代理要使用的调用处理程序，它必须实现 java.lang.reflect 包中的 InvocationHandler 接口。

以下是使用 JDK 代理和 InvocationHandler 重新实现的方法跟踪拦截器：

public class TracingInterceptor implements InvocationHandler {
    private final Chef chef;
    public TracingInterceptor(Chef originalChef) {
        this.chef = originalChef;
    }
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) 
        throws Throwable {
        System.out.println("enter " + method.getName());
        try {
            return method.invoke(chef, args);
        } finally {
            System.out.println("exit " + method.getName());
        }
    }
}

运行代码：

import java.lang.reflect.Proxy;
...
Chef proxy = (Chef) Proxy.newProxyInstance(Chef.class.getClassLoader(),
                                     new Class[] { Chef.class },
                                     new TracingInterceptor(originalChef));
proxy.cook();
proxy.clean();

会产生以下输出：

enter cook
exit cook
enter clean
exit clean

4.3 使用 CGLIB 代理类

Java 提供的代理机制无法代理类（抽象类或具体类），这时第三方字节码操作工具就派上用场了。Guice 和 Spring 都使用一个流行的库 CGLib 来在底层生成代理。

如果我们有一个具体类 FrenchChef ，可以通过以下方式为它生成代理：

import net.sf.cglib.proxy.Enhancer;
...
Chef chef = (Chef) Enhancer.create(FrenchChef.class, 
    new TracingInterceptor());

对应的 TracingInterceptor 如下：

public class TracingInterceptor implements MethodInterceptor {
    public Object intercept(Object proxy, Method method, Object[] args,
                        MethodProxy methodProxy) throws Throwable {
        System.out.println("enter " + method.getName());
        try {
            return methodProxy.invokeSuper(proxy, args);
        } finally {
            System.out.println("exit " + method.getName());
        }
    }
}

CGLib 允许我们直接在超类上调用相应的方法，而不需要持有原始的 chef 实例。

5. 过度使用通知的风险

5.1 性能问题

每次拦截都会产生在原始方法前后运行通知方法的开销。如果只对少数方法应用几个拦截器，通常不会有问题。但当拦截链变长，并且穿越应用程序的关键路径时，可能会降低性能。

5.2 程序语义问题

拦截顺序可能会影响程序的语义。例如，我们有一个 Template 类：

public class Template {
    private final String template = "Hello, :name!";
    public String process(String name) {
         return template.replaceAll(":name", name);
    }
}

使用方法拦截，我们可以通过将问候语加粗来增强它：

import org.aopalliance.intercept.MethodInterceptor;
public class BoldDecoratingInterceptor implements MethodInterceptor {
    public Object invoke(MethodInvocation mi) throws Throwable {
        String processed = (String)mi.proceed();
        return "<b>" + processed + "</b>";
    }
}

绑定这个拦截器：

import static com.google.inject.matcher.Matchers.*;
...
   bindInterceptor(subclassesOf(Template.class), any(), new 
BoldDecoratingInterceptor());

当客户端处理模板时，输出会被加粗：

Guice.createInjector(...)
     .getInstance(Template.class)
     .process("Bob");

输出：

<b>Hello, Bob!</b>

现在，如果我们想将整个内容包装在 HTML 中以便在网站上呈现，再添加一个拦截器：

import org.aopalliance.intercept.MethodInterceptor;
public class HtmlDecoratingInterceptor implements MethodInterceptor {
    public Object invoke(MethodInvocation mi) throws Throwable {
        String processed = (String) mi.proceed();
        return "<html><body>" + processed + "</body></html>";
    }
}

如果随意绑定这个拦截器，可能会导致非常意外的行为。因此，在使用拦截器时，需要谨慎考虑拦截顺序和性能问题。

综上所述，方法拦截和 AOP 是强大的技术，但在使用时需要权衡利弊，确保代码的性能和可维护性。在实际应用中，应根据具体需求选择合适的 AOP 库和代理方式，并合理使用拦截器，避免过度使用导致的问题。

6. 不同 AOP 库和代理方式对比

6.1 功能特性对比

AOP 库/代理方式	支持的代理类型	匹配器/切入点定义	拦截器实现方式	配置方式
Guice	接口、类（借助 CGLib）	使用 Matchers 类定义匹配器	实现 MethodInterceptor 接口	Java 代码配置
Spring + AspectJ	接口、类（借助 CGLib）	使用 AspectJ 切入点语言定义切入点	可以不实现接口，定义特定方法	XML 配置或注解配置
Java 代理	接口	无（通过接口指定）	实现 InvocationHandler 接口	Java 代码配置
CGLib	类	无（通过类指定）	实现 MethodInterceptor 接口	Java 代码配置

6.2 性能对比

一般来说，Java 代理由于是 JDK 原生支持，在代理接口时性能相对稳定，但功能相对单一。CGLib 在代理类时功能强大，但由于需要动态生成字节码，在创建代理对象时可能会有一定的性能开销。Guice 和 Spring 在使用代理时，性能会受到具体配置和使用场景的影响。如果拦截链过长，无论使用哪种方式，都会增加额外的性能开销。

6.3 使用场景对比

• Java 代理 ：适用于只需要代理接口的场景，并且对性能要求较高，代码结构相对简单的情况。
• CGLib ：适用于需要代理具体类的场景，例如在依赖注入框架中增强类的行为。
• Guice ：适用于使用 Guice 进行依赖注入的项目，希望通过 Java 代码简洁地配置 AOP 功能。
• Spring + AspectJ ：适用于使用 Spring 框架的项目，支持更复杂的切入点定义和配置方式，包括 XML 和注解。

7. 方法拦截和 AOP 的应用场景

7.1 日志记录

在前面的例子中，我们已经看到了如何使用方法拦截来实现日志记录。通过在方法执行前后添加日志输出，可以方便地跟踪方法的执行过程，帮助调试和监控系统。

7.2 事务管理

在事务处理中，AOP 可以将事务管理的逻辑从业务逻辑中分离出来。例如，在方法执行前开始事务，在方法执行成功后提交事务，在方法抛出异常时回滚事务。以下是一个简单的示例：

import org.aopalliance.intercept.MethodInterceptor;
import org.aopalliance.intercept.MethodInvocation;

public class TransactionInterceptor implements MethodInterceptor {
    private TransactionManager txn;

    public TransactionInterceptor(TransactionManager txn) {
        this.txn = txn;
    }

    public Object invoke(MethodInvocation mi) throws Throwable {
        txn.beginTransaction();
        try {
            Object result = mi.proceed();
            if (!txn.rolledBack()) {
                txn.commit();
            }
            return result;
        } catch (Exception e) {
            txn.rollback();
            throw e;
        }
    }
}

7.3 权限验证

在方法执行前进行权限验证，只有具有相应权限的用户才能调用该方法。例如：

import org.aopalliance.intercept.MethodInterceptor;
import org.aopalliance.intercept.MethodInvocation;

public class PermissionInterceptor implements MethodInterceptor {
    private PermissionChecker permissionChecker;

    public PermissionInterceptor(PermissionChecker permissionChecker) {
        this.permissionChecker = permissionChecker;
    }

    public Object invoke(MethodInvocation mi) throws Throwable {
        if (permissionChecker.checkPermission()) {
            return mi.proceed();
        } else {
            throw new PermissionDeniedException();
        }
    }
}

7.4 缓存处理

在方法执行前检查缓存中是否存在结果，如果存在则直接返回缓存结果，否则执行方法并将结果存入缓存。例如：

import org.aopalliance.intercept.MethodInterceptor;
import org.aopalliance.intercept.MethodInvocation;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class CacheInterceptor implements MethodInterceptor {
    private Map<String, Object> cache = new HashMap<>();

    public Object invoke(MethodInvocation mi) throws Throwable {
        String methodKey = mi.getMethod().getName();
        if (cache.containsKey(methodKey)) {
            return cache.get(methodKey);
        } else {
            Object result = mi.proceed();
            cache.put(methodKey, result);
            return result;
        }
    }
}

8. 总结

方法拦截和 AOP 是强大的编程技术，它们可以帮助我们将横切关注点（如日志记录、事务管理、权限验证等）从核心业务逻辑中分离出来，提高代码的可维护性和可复用性。

在使用方法拦截和 AOP 时，需要注意以下几点：
- 选择合适的 AOP 库和代理方式，根据项目的具体需求和场景进行选择。
- 合理使用拦截器，避免过度使用导致性能问题和程序语义混乱。
- 注意拦截顺序，确保拦截器的执行顺序符合业务需求。

通过掌握方法拦截和 AOP 的原理和应用，我们可以编写出更加高效、灵活和可维护的代码。以下是一个简单的流程图，展示了方法拦截的基本流程：

graph TD;
    A[调用方法] --> B{是否有拦截器};
    B -- 是 --> C[执行拦截器前置逻辑];
    C --> D[执行原始方法];
    D --> E[执行拦截器后置逻辑];
    E --> F[返回结果];
    B -- 否 --> D;

希望本文能够帮助你更好地理解方法拦截和 AOP 的概念、应用和实现方式，在实际项目中灵活运用这些技术。