Aspekt-Orientierung in PHP Diplomarbeit

76 Pages·2012·0.52 MB·German

Fachbereich4:Informatik
Aspekt-Orientierung in PHP
Diplomarbeit
zurErlangungdesGradeseinesDiplom-Informatikers
imStudiengangComputervisualistik
vorgelegtvon
Markus Schulte
Erstgutachter: Prof.Dr.RalfLämmel
InstitutfürInformatik
Zweitgutachter: M.Sc.InformatikAndreiVaranovich
InstitutfürInformatik
Koblenz,imSeptember2012
Erklärung
Ich versichere, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig verfasst und
keineanderenalsdieangegebenenQuellenundHilfsmittelbenutzthabe.
Ja Nein
(cid:3) (cid:3)
Mit der Einstellung der Arbeit in die Bibliothek bin ich ein-
verstanden.
(cid:3) (cid:3)
Der Veröffentlichung dieser Arbeit im Internet stimme ich
zu.
................................................................................
(Ort,Datum) (Unterschrift)
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 AufbauderDiplomarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 Grundlagen 4
2.1 OOPundCross-CuttingConcerns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Aspekt-OrientierteProgrammierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.1 Sprachkonstrukte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.2 Weben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 PHP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.1 GeschichtlicheEntwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.2 SpracheigenschaftenvonPHP . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.3 PHP-Ausführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3.4 Opcode-Caching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.5 Autoloading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.6 include_path . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.7 stream-wrapper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.8 Metadata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.9 Reflexion-API . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.10 PHPUnit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3 AnforderungenaneineAOP-PHP-Lösung 21
3.1 MinimaleAnforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 OptionaleAnforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4 RelevanteSprachunterstützung 23
4.1 Java:AspectJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
i
4.2 Ruby:Metaprogrammierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.3 Context-OrientierteProgrammierung . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5 AlternativeninPHP 29
5.1 Reflexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5.2 Traits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
6 StandderDingevonAOPinPHP 33
6.1 InaktiveProjekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
6.1.1 AOPHP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
6.1.2 AspectPHP/GAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
6.1.3 MFAOP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
6.1.4 WeitereProjekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
6.2 AktiveProjekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
6.2.1 Flow3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
6.2.2 AOP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
6.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
7 YetanotherPHPAspectFramework(YAPAF) 44
7.1 KonzeptionellerÜberblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
7.2 EinbindenderUmsetzungvonAspekten . . . . . . . . . . . . . . . 45
7.3 Implementierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
7.3.1 Aop.php . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
7.3.2 libs/StreamWrapper.php . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
7.3.3 libs/Weaver.php . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
7.3.4 libs/annotations.php . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
7.4 AnwendenvonAspekten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7.5 Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7.6 Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7.6.1 Funktionalität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7.6.2 Anforderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
7.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
8 ZusammenfassungundAusblick 58
Literaturverzeichnis 60
Abkürzungsverzeichnis 64
Glossar 66
Tabellenverzeichnis 69
Listings 70
Kapitel 1
Einleitung
1.1 Motivation
Objekte-Orientierte Programmierung (OOP) stellt das Programmierparadigma
derGegenwartdar,57%deraktuellenProgrammiersprachensindObjekt-Orien-
tierte[Tio].DieweiteVerbreitungderOOPergibtsichausdenVorteilenwährend
derSoftware-EntwicklungfürdieBeteiligten,wieetwaEntwicklerundSoftware-
Architekten.OOPermöglichtes,sehrkomplexeSystemesoweitzuzerlegen,dass
eineinfachesVerständnisdesGesamtsystemsbeigleichzeitigemVerständnisder
Anwendungsdetailsmöglichist.NichtsdestotrotzbietetdasOOP-Paradigmanicht
füralleAnforderungenaneinSoftware-SystemeinenLösungsansatz.
Ein spezielle Art von Anforderung in der Software-Entwicklung stellen die
Cross-CuttingConcerns(CCCs) dar. Dabei handelt es sich um Anforderungen,
diesichinvielenbishinzusämtlicheSchichteneineransonstenmodularisierten
Softwarefinden.DasOOP-ParadigmabietetfürdieseArtvonAnforderungauf-
grund der Idee der Funktionalitäts-Kapselung in einer Modul-/Klassen-Hierar-
chiekeinendirektenLösungsweg,sodasseinzelneCCCsinsämtlichenSchichten
derSoftwaresemantischwiederholtbehandeltwerden.
Die Problematik der CCCs und eine mögliche Unterstützung in Form des
Aspekt-OrientierteProgrammierung(AOP)-Paradigmaswurdenbereits1997vor-
gestellt[Kic+97].DasTeamumKiczaleserfasstedieseArtderAnforderungenan
eine Software und erarbeitet eine mögliche Lösung in Form der Aspekt-Orien-
tierten Programmierung. Als Ergänzung des OOP-Paradigmas ermöglichen es
1
1.2. AUFBAUDERDIPLOMARBEIT 2
Aspekte,dieseArtderBelangezuzentralisierenundgleichzeitigsicherzustellen,
dassauchspätereSoftware-ErweiterungendieCCCsbehandeln.
Die weit verbreitete Programmiersprache PHP bietet keine native Möglich-
keit,CCCszuunterstützen.DienegativenAuswirkungendermangelndenCCCs-
UnterstützungdurchziehensomiteineinPHPgeschriebeneSoftwareundimpli-
zieren,dassdieSoftwareschwererzuverstehen,zutestenundzuwartenist.
AndereProgrammiersprachennebenPHPunterstützenCCCsdurchAOPod-
er andere Ansätze. Für die Sprache PHP selbst wurden Versuche unternommen,
diefehlendeUnterstützungzuergänzen.DiemeistendieserVersuchesindnicht
(mehr) verwendbar, auch die aktiven Projekte können nicht alle Anforderungen
desAOP-Paradigmaserfüllen.
Diese Diplomarbeit hat das Thema der fehlenden CCCs-Unterstützung in
PHP zum Inhalt. Die Basis bilden zu definierende Anforderungen an eine AOP-
Realisierung im PHP-Umfeld. Es wird analysiert, wie und ob verwandte Spra-
chen und Paradigmen es gestatten, CCCs zu unterstützen. Darüber hinaus wird
dieMöglichkeiterörtert,AOPinPHPohnePHP-Erweiterungzurealisieren.Wei-
ter werden die bisherigen Ansätze, AOP in PHP umzusetzen, qualitativ unter-
sucht. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, eine eigene AOP-PHP-Lösung zu
präsentieren,dienichtdieSchwächenexistierenderLösungenteilt.
1.2 Aufbau der Diplomarbeit
Zu Beginn dieser Diplomarbeit werden dem Leser in Kapitel 2 die notwendigen
Grundlagen präsentiert. Zunächst wird in die Herausforderung der CCCs ein-
geführt.AufbauendhieraufwirddieAspekt-OrientierteProgrammierungvorge-
stellt. Den Abschluss des Kapitels bildet eine Vorstellung der Programmierspra-
che PHP, wobei auf Spezifika der Sprache bzw. der Sprachumgebung eingegan-
genwird,dieindieserDiplomarbeitvonBelangsind.
AnschließendwerdendieAnforderungenaneineAOP-PHP-LösunginKapi-
tel 3 analysiert. Es wird dokumentiert, welche minimalen Anforderungen solch
eine Lösung erfüllen muss, und welche Anforderungen darüber hinaus die Lö-
sungerfüllensollte.
Im 4. Kapitel wird das Thema der CCCs außerhalb des PHP-Kontextes be-
trachtet. Mit AspectJ wird eine AOP-Implementierung in der Programmierspra-
cheJavavorgestellt,welchealsReferenzimplementierunggesehenwerdenkann.
1.2. AUFBAUDERDIPLOMARBEIT 3
Die Möglichkeit der Metaprogrammierung in der Objekt-Orientierten Program-
mierspracheRubybieteneinenEinblickindie(teilweise)UnterstützungvonCCCs
ohne die Notwendigkeit, AOP anzuwenden. Das in diesem Kapitel vorgestellte
Context-OrientierteProgrammierung(COP)-Paradigmabietetu.a.einenalterna-
tivenAnsatzzuAOP,umCCCs(teilweise)zuunterstützen.
ImfolgendenKapitel5wirddieMöglichkeitanalysiert,inderaktuellenPHP-
Umgebung AOP ohne weitere Sprachanpassung anzuwenden. Dabei wird die
UmsetzungdurchPHP-ReflexionoderTraitsbehandelt.
Anschließend beschäftigt sich das Kapitel 6 mit den bisherigen Ansätzen,
AOPinPHPzuunterstützen.EswerdendieinaktivenundaktivenProjektevor-
gestellt und die relevanten Projekte an den definierten Anforderungen an eine
AOP-PHP-LösungausKapitel3evaluiert.
In Kapitel 7 wird eine im Zuge dieser Diplomarbeit entwickelte AOP-PHP-
Lösung namens YAPAF beschrieben und diskutiert. Aus diesem Grund werden
daszugrundeliegendeKonzeptsowiedessenUmsetzungpräsentiert.Dermögli-
che Einsatz der entwickelten Lösung wird anhand der Realisierung von Depen-
dencyInjection(DI)alsAnwendungsbeispielerläutert.
Im abschließenden Kapitel 8 werden die Ergebnisse dieser Diplomarbeit zu-
sammengefasstundanalysiert,sowieeinAusblickaufmöglicheweitereEntwick-
lungengegeben.
Kapitel 2
Grundlagen
DiesesKapitelumfasstdasnötigeGrundlagenwissen,aufdemdiefolgendenKa-
pitelaufbauen.
Kapitel2.1gibteineallgemeineEinführungindasThemaCross-CuttingCon-
cerns und erklärt diese im Kontext der Objekt-Orientierten Sprachen. Das an-
schließende Kapitel 2.2 ist eine Einleitung in das Thema Aspekt-Orientierung.
Das Kapitel 2.3 beschäftigt sich mit der Programmiersprache PHP. Nach einer
Einführung in die Sprache und der Wiedergabe der geschichtlichen Entwick-
lungwerdenPHP-Spezifikaanalysiert,dieindieserDiplomarbeitvonBedeutung
sind.
2.1 OOP und Cross-Cutting Concerns
Die Objekt-Orientierte Programmierung stellt das derzeit verbreiteste Program-
mierparadigma dar (vgl. Kapitel 1.1). Eine typische OOP-Software wendet die
folgendenSoftwaretechnik-Prinzipienan:Abstraktion,Hierarchisierung,Modu-
larisierung, Geheimnisprinzip, Lokalisierung und Einfachheit [Som06]. So wird
aus einer komplexen Anforderung nach dem „Divide-and-conquer“-Prinzip ei-
ne Software bestehend aus Schichten, Paketen bzw. Modulen und zuletzt Klas-
sen. Jedes Teilsystem übernimmt klar abgegrenzte Aufgabengebiete, wobei eine
Aufgabegenaueinmalumgesetztwird.DieseübersichtlicheStrukturwirddurch
CCCsgestört.EinConcernumfassteineAnforderung,diesichebennichtaufein
TeilsystemsondernaufeineVielzahlvonTeilsystemenerstreckt[Kic+97].
4
2.2. ASPEKT-ORIENTIERTEPROGRAMMIERUNG 5
Ein triviales Beispiel sei eine Model View Controller (MVC)-Applikation mit
Zugriff auf ein Enterprise Information System (EIS). Der Zugriff auf dieses EIS
kann aus sämtlichen Schichten der Applikation erfolgen. Eine Anforderung soll
sein, die tatsächliche Ausführungsdauer zugehörig zu einer Anfrage ans EIS zu
messen. In einem klassischen OOP-Ansatz muss an jeder EIS-aufrufenden Co-
destelle ein Tracing implementiert werden. Es entstehen die Gefahren von se-
mantischem Copy and Paste (C+P): Es kann beispielsweise bei neuen Modulen
vergessenwerden,dasTracingzuimplementieren;oderÄnderungenamTracing
werden nicht an allen nötigen Vorkommen durchgeführt. Das AOP-Paradigma
beschäftigtsichmitdiesenÜberlegungenundbieteteinemöglicheLösung,CCCs
in einer OOP-Software zu ermöglichen, ohne o.g. Nachteile in Kauf nehmen zu
müssen.
2.2 Aspekt-Orientierte Programmierung
AOP hat den Zweck, die Umsetzung eines CCCs (vgl. Kapitel 2.1) an zentra-
ler Stelle zu implementieren, so dass dieser Concern nicht die gesamte Software
durchzieht.DieKapselungerfolgtdabeiinsogenannten„Aspekten“.Kiczaleset
al.definierenbeiihrerVorstellungvonAOP1997Aspektewiefolgt:„[Aproper-
ty is] An aspect, if it can not be cleanly encapsulated in a generalized procedu-
re.“[Kic+97].ImGegensatzhierzustehenKomponenten,diesichsauberkapseln
lassen,beispielsweiseinKlassen.
Das Ziel von AOP ist es, Komponenten und Aspekte sauber voneinander zu
trennen, und so disjunkte Funktionalitäts-Bereiche zu schaffen, die den softwa-
retechnischenPrinzipiengenügen(vgl.Kapitel2.1).EinAOP-Programmbesteht
demnachausKomponentenalsauchAspekten,diezusammendieGesamtfunk-
tionalitätergeben.
2.2.1 Sprachkonstrukte
UmAspektezurealisierenführtdieAspekt-OrientierungneueSprachkonstrukte
ein,welchedieOOP-SprachweltausKlassen,Methodenu.v.m.ergänzen[Kic+01].
JoinPoint EinJoinPointdefinierteinenPunktderProgrammlogikeindeutig,bei-
spielsweisedasLeseneinerKlassenvariablen.JoinPointsdienendamitder
KoordinationvonbestehenderProgramm-undAspektlogik.