摘 要： 提出一種基于動態(tài)AOP的監(jiān)測器模型及其實現(xiàn)，它能夠?qū)ΜF(xiàn)有的、已在運行的系統(tǒng)進行最靈活和能耗最小的代碼級性能分析。利用AOP動態(tài)織入機制，可在目標系統(tǒng)運行過程中動態(tài)添加或刪除監(jiān)測器，從而提高監(jiān)測的靈活性。
關鍵詞： 性能監(jiān)測；AOP；IoC；織入機制
隨著Internet的日益普及和電子商務的飛速發(fā)展，基于B/S的Web應用系統(tǒng)大量出現(xiàn)。在這些Web應用系統(tǒng)中，客戶端只提供人機交互的接口而未參與實際運算，而服務器端將承擔數(shù)據(jù)存儲及運算的全部工作，在面對海量客戶端數(shù)量的情況下，服務端的性能壓力問題就尤為突出。為了保證Web應用系統(tǒng)的正常運行，以及系統(tǒng)在服務器端具有較高的性能來響應大量用戶的并發(fā)訪問，進行合理的性能規(guī)劃和有效的性能監(jiān)測就顯得非常重要。性能監(jiān)測的主要意義[1]是：在系統(tǒng)運行階段，通過監(jiān)測系統(tǒng)的運行情況，發(fā)現(xiàn)錯誤并對故障進行定位，從而解決開發(fā)和測試階段中的錯誤。
現(xiàn)有的監(jiān)測器存在以下不足[2-3]：監(jiān)測邏輯與業(yè)務邏輯緊密耦合，可擴展性、可復用性、可維護性差；監(jiān)測部件分散在目標系統(tǒng)中，缺乏合理的組織；監(jiān)測代碼寫在業(yè)務代碼中，不易修改；監(jiān)測部件在開發(fā)階段手動插入，不適合動態(tài)添加或刪除。
本文設計并實現(xiàn)了一款AOP監(jiān)測器，它圍繞目前.NET平臺下主流的Web開發(fā)框架——Asp.net MVC，除了利用AOP關注點分離原則，克服了現(xiàn)有監(jiān)測器的不足外，還針對MVC框架的特點，實現(xiàn)了注入切面，不僅實現(xiàn)了方法級別的監(jiān)測，同時還實現(xiàn)了針對Controller及Action級別的監(jiān)測，與其他方法[2]相比，該監(jiān)測方式更適合Web系統(tǒng)的使用。
1 性能監(jiān)測的作用及主要監(jiān)測對象
性能監(jiān)測也可稱為構件交互行為監(jiān)測[4]，指對構件在交互活動期間所進行的操作進行監(jiān)視記錄的過程。構件交互行為[5]是指在分布式構件軟件中，構件以主體的身份在完成某項協(xié)作活動時，通過構件的接口在運行環(huán)境中與其他構件進行交互的活動。性能監(jiān)測主要包括：軟件實體間的交互行為監(jiān)測、行為信息的收集、為行為診斷、預測和可信評估等提供基礎數(shù)據(jù)。
對于分布式構件軟件的性能監(jiān)測，其各監(jiān)測類型所對應的監(jiān)測對象[3]如表1所示。
現(xiàn)有的監(jiān)測器大都面向操作系統(tǒng)級別，其監(jiān)測范圍及粒度均大于Web系統(tǒng)的監(jiān)測所需，從而導致所監(jiān)測的數(shù)據(jù)不能很好地用于對系統(tǒng)性能的提升分析上。由于Web系統(tǒng)屬于非連續(xù)性開放系統(tǒng)，基于HTTP協(xié)議的基本“請求—響應”特性，決定了其安全性及可用性均與系統(tǒng)的業(yè)務存在必然的聯(lián)系，傳統(tǒng)的監(jiān)測器不能根據(jù)一定的業(yè)務邏輯對所采集的數(shù)據(jù)進行篩選，而只能通過海量的原始數(shù)據(jù)結合業(yè)務進行判斷。這也是本課題未直接采用傳統(tǒng)性能監(jiān)測器而是進行構件設計的一個主要原因。
2 基于AOP的性能監(jiān)測系統(tǒng)及其實現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)結構
本文設計實現(xiàn)的AOP性能監(jiān)測系統(tǒng)結構如圖1所示，它由3個部分構成：目標監(jiān)測系統(tǒng)、獨立監(jiān)測控制臺和性能監(jiān)測構件包。其中可視化部分——獨立監(jiān)測控制臺是輔助實現(xiàn)動態(tài)織入的關鍵，也是連接目標監(jiān)測系統(tǒng)和性能監(jiān)視構件包的橋梁，它提供性能數(shù)據(jù)讀寫接口以實現(xiàn)標準化的性能數(shù)據(jù)采集，以及為目標系統(tǒng)擴展IoC功能提供織入控制容器。性能監(jiān)測構件包提供了基本標準接口，監(jiān)控器的類型和功能可以根據(jù)實際項目需要擴展新的監(jiān)測組件。
2.2 相關技術介紹
本系統(tǒng)主要采用AOP 技術實現(xiàn)監(jiān)測代碼和業(yè)務代碼松散耦合，并可在目標系統(tǒng)運行過程中動態(tài)添加或刪除監(jiān)測器。本系統(tǒng)主要采用的開發(fā)工具有Asp.net MVC、NInject.WEB.MVC、WMI。
面向方面編程(AOP)是美國施樂公司帕洛阿爾托研究中心在20世紀90年代提出的一種編程思想。AOP技術作為一種新興的軟件開發(fā)方法，提供了不同關注點的分離實現(xiàn)機制，具有可擴展性、可復用性、易理解性、易維護性等特性。本監(jiān)測器利用AOP關注點分離原則，實現(xiàn)監(jiān)測代碼與業(yè)務代碼松散耦合，提高目標系統(tǒng)的可擴展性、可復用性、易維護性；使用AOP的動態(tài)織入機制，允許動態(tài)添加、刪除監(jiān)測器，從而實現(xiàn)監(jiān)測的可控性與動態(tài)性。
Asp.net MVC框架將模型、視圖、控制器引入開發(fā)模型，將Web系統(tǒng)跟蹤從頁面層次提升到了面向業(yè)務的層次。NInject是一個超輕量級的依賴注入框架，具備靈活、自由的織入機制，其擴展框架NInject.WEB.MVC是專門為Asp.net MVC設計的擴展包。除了一般IoC所具備的構造函數(shù)、方法、屬性注入之外，還提供了針對Controller生命周期的注入及擴展的MvcInjectApplication類。WMI是Windows的核心管理技術，本系統(tǒng)中多處需要提取操作系統(tǒng)及硬件信息，而在Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下，WMI編程接口具有良好的可操作性，因此本系統(tǒng)的交互行為監(jiān)測組件主要使用該技術實現(xiàn)。
2.3 系統(tǒng)的實現(xiàn)
本系統(tǒng)使用Visual Studio.Net2010開發(fā)，使用Asp.net MVC2.0和NInject.Web.MVC技術實現(xiàn)。
一般的Web系統(tǒng)由于頁面級別和類級別往往不能包含一個完整的業(yè)務功能，因此在實現(xiàn)對業(yè)務功能級別的性能監(jiān)測上存在著一定的復雜度。本系統(tǒng)圍繞Asp.net MVC框架而實現(xiàn)，它改變Web Form框架依賴頁面的Web架構模式，按照控制器和動作的方式將業(yè)務功能進行邏輯劃分，使得IoC注入方式增加了控制器注入、動作注入、控制器異常注入、動作異常注入等幾種方式，使得Web系統(tǒng)的性能監(jiān)測粒度范圍有了更實際的業(yè)務價值。圖2為Asp.net MVC的執(zhí)行流程。
AOP技術中存在多種編譯時機和織入方式，由于本系統(tǒng)所設計的運行環(huán)境一般不能獲取被監(jiān)測系統(tǒng)的源代碼，也不能對其進行修改和重編譯。因此，采用運行時的動態(tài)織入技術實現(xiàn)監(jiān)測組件到被監(jiān)測系統(tǒng)指定連接點的織入。
在.NET平臺下的多種IoC框架中，NInject框架最符合本系統(tǒng)的設計要求。它提供了對Asp.net MVC系統(tǒng)的良好基礎擴展，而且只提供運行時織入。本系統(tǒng)中，通過NInjectMvcApplication類對HttpApplication的替換，實現(xiàn)了由NInject的IoC容器替換原本W(wǎng)eb系統(tǒng)應用程序的目的，從而使系統(tǒng)內(nèi)對象的創(chuàng)建全部受到NInject容器的控制。其替換過程示意圖如圖3所示。
該替換過程首先將NInjectMvcApplication類注冊到公共運行庫（GAC），而后搜索目標Web系統(tǒng)的全局配置文件并替換其HttpApplication，其關鍵代碼邏輯如下：
public void ReplaceIoContainer(string path)
{
if(string.IsNullOrEmpty(path)) throw new FileNotFound-
Exception(path);
var files = Directory.GetFiles(path);
foreach(var file in files)
{
if(file.ToLower().Equals("global.asax"))
{
using(var sr=new StreamReader(file))
{
var data = sr.ReadToEnd();
Regex reg=new Regex("inherits=\"(\\w+)
\"",RegexOptions.IgnoreCase | RegexOptions.Multiline);
var mat = reg.Match(data);
if(mat.Length==0) throw new InvalidOpera-
tionException();
reg.Replace(data, typeof (NInjectMvcAppli-
cation).FullName);
using (var sw=new FileStream(path,
FileMode.Open))
{
var writeData = Encoding.UTF8.Get-
Bytes(data);
sw.Write(writeData,0,writeData.Length);
}
}
}
}
}
替換IoC容器后可按配置將監(jiān)測組件按需進行織入，織入連接點為構造函數(shù)、方法、屬性、控制器、動作等，以常量進行標識，其關鍵代碼如下：
/// <summary>
/// 檢測器的插入位置（可以用或符號多重選擇）
/// </summary>
[Flags]
public enum MonitorPoint
{
mpBeforeContructor,mpBeforeMehtod,mpBeforeProperty,
mpAfterContructor,
mpAfterMethod,mpAfterProperty,mpBeforeController,
mpSurroundController,
mpAfterController,mpBeforeAction,mpSurroundAction,
mpAfterAction,mpActionException
}
public interface IMonitorContainer
{
/// 注入的位置
MonitorPoint InjectPosition { get; set; }
/// 所要注入的監(jiān)視器
MonitorBase Monitor { get; set; }
/// NInject注入引擎
IKernel Component { get; set; }
}
通過連接Ikernel和MonitorBase，容器將監(jiān)測組件織入到目標系統(tǒng)指定位置。由于監(jiān)測組件存在多樣性，本系統(tǒng)為使監(jiān)測組件設計具有更好的擴展性，做了以下工作：
(1)標準化織入目標連接點方式：任何拓展的監(jiān)測組件，都必須支持IoC容器所提供的所有織入點的監(jiān)測工作；
(2)預留監(jiān)測數(shù)據(jù)輸出接口：由于監(jiān)測組件的多樣性，其數(shù)據(jù)產(chǎn)生量也有不同的變化，因此預留了多個監(jiān)測數(shù)據(jù)輸出接口(例如文本中HTTP、數(shù)據(jù)庫、XML、電子郵件等)。
圖4列出了監(jiān)測組件的可拓展接口。
本文設計并實現(xiàn)了一款運行在作業(yè)環(huán)境下的代碼級的Web性能監(jiān)測分析工具。它采集實時數(shù)據(jù)進行分析；使用AOP技術實現(xiàn)了Web應用系統(tǒng)的代碼級監(jiān)測分析，并且可自由控制監(jiān)測范圍；使用構件技術實現(xiàn)了即插即用，減少了對現(xiàn)有系統(tǒng)的修改和結構上的破壞，避免因性能監(jiān)測而引入新的BUG；通過控制臺自由配置變更監(jiān)測的范圍，靈活調(diào)整監(jiān)測的目標；利用Windows性能計數(shù)器顯示檢測和分析的結果。該工具對系統(tǒng)進行監(jiān)測分析時，不需要對作業(yè)系統(tǒng)進行任何重編譯的工作，盡量地降低性能監(jiān)測所帶來的額外損耗。下一步將對構件包進行擴展，使其能夠應用在更多的系統(tǒng)上，實現(xiàn)多個被測系統(tǒng)的聯(lián)合監(jiān)測。
參考文獻
[1] 朱幸輝，楊樹強.基于CORBA分布式對象監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].計算機應用研究，2005，22(10)：39-41.
[2] 萬燦軍，李長云.基于動態(tài)AOP的構件交互行為監(jiān)測器[J].計算機應用，2011，31(2)：572-576.
[3] 黃興華，胡飛.AOP技術在面向用戶的軟件組件測試中的應用[J].計算機應用與軟件，2009，26(8)：125-127.
[4] 萬燦軍，李長云.動態(tài)演化環(huán)境中可信軟件行為監(jiān)控研究與進展[J].計算機應用研究，2009，26(4)：1201-1204.
[5] 萬燦軍，李長云，賀宗梅.分布式軟件的交互行為監(jiān)測機制的研究[J].計算機工程與應用，2011，47(5)：60-64.