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(biāo)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(guān)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(wù)的飛速發(fā)展，基于B/S的Web應(yīng)用系統(tǒng)大量出現(xiàn)。在這些Web應(yīng)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(wù)器端將承擔(dān)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(wù)端的性能壓力問題就尤為突出。為了保證Web應(yīng)用系統(tǒng)的正常運行，以及系統(tǒng)在服務(wù)器端具有較高的性能來響應(yīng)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(wù)邏輯緊密耦合，可擴展性、可復(fù)用性、可維護性差；監(jiān)測部件分散在目標(biāo)系統(tǒng)中，缺乏合理的組織；監(jiān)測代碼寫在業(yè)務(wù)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(shè)計并實現(xiàn)了一款A(yù)OP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(guān)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(gòu)件交互行為監(jiān)測[4]，指對構(gòu)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(gòu)件交互行為[5]是指在分布式構(gòu)件軟件中，構(gòu)件以主體的身份在完成某項協(xié)作活動時，通過構(gòu)件的接口在運行環(huán)境中與其他構(gòu)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(yù)測和可信評估等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
    對于分布式構(gòu)件軟件的性能監(jiān)測，其各監(jiān)測類型所對應(yīng)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(dǎo)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(yīng)”特性，決定了其安全性及可用性均與系統(tǒng)的業(yè)務(wù)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(wù)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(jié)合業(yè)務(wù)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(gòu)件設(shè)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(jié)構(gòu)
    本文設(shè)計實現(xiàn)的AOP性能監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由3個部分構(gòu)成：目標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)、獨立監(jiān)測控制臺和性能監(jiān)測構(gòu)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(guān)鍵，也是連接目標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)和性能監(jiān)視構(gòu)件包的橋梁，它提供性能數(shù)據(jù)讀寫接口以實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的性能數(shù)據(jù)采集，以及為目標(biāo)系統(tǒng)擴展IoC功能提供織入控制容器。性能監(jiān)測構(gòu)件包提供了基本標(biāo)準(zhǔn)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(guān)技術(shù)介紹
    本系統(tǒng)主要采用AOP 技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)測代碼和業(yè)務(wù)代碼松散耦合，并可在目標(biāo)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(shù)作為一種新興的軟件開發(fā)方法，提供了不同關(guān)注點的分離實現(xiàn)機制，具有可擴展性、可復(fù)用性、易理解性、易維護性等特性。本監(jiān)測器利用AOP關(guān)注點分離原則，實現(xiàn)監(jiān)測代碼與業(yè)務(wù)代碼松散耦合，提高目標(biāo)系統(tǒng)的可擴展性、可復(fù)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(wù)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(shè)計的擴展包。除了一般IoC所具備的構(gòu)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(shù)，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(shù)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(shù)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(wù)功能，因此在實現(xiàn)對業(yè)務(wù)功能級別的性能監(jiān)測上存在著一定的復(fù)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(gòu)模式，按照控制器和動作的方式將業(yè)務(wù)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(wù)價值。圖2為Asp.net MVC的執(zhí)行流程。

    AOP技術(shù)中存在多種編譯時機和織入方式，由于本系統(tǒng)所設(shè)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(shù)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(shè)計要求。它提供了對Asp.net MVC系統(tǒng)的良好基礎(chǔ)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(yīng)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(biāo)Web系統(tǒng)的全局配置文件并替換其HttpApplication，其關(guān)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(gòu)造函數(shù)、方法、屬性、控制器、動作等，以常量進行標(biāo)識，其關(guān)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(biāo)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(shè)計具有更好的擴展性，做了以下工作：
    (1)標(biāo)準(zhǔn)化織入目標(biāo)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(yù)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(yù)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(shè)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(shù)實現(xiàn)了Web應(yīng)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(gòu)件技術(shù)實現(xiàn)了即插即用，減少了對現(xiàn)有系統(tǒng)的修改和結(jié)構(gòu)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(biāo)；利用Windows性能計數(shù)器顯示檢測和分析的結(jié)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(gòu)件包進行擴展，使其能夠應(yīng)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
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