重磅开源|AOP for Flutter开发利器——AspectD

作者：闲鱼技术-正物

问题背景

随着Flutter这一框架的快速发展，有越来越多的业务开始使用Flutter来重构或新建其产品。但在我们的实践过程中发现，一方面Flutter开发效率高，性能优异，跨平台表现好，另一方面Flutter也面临着插件，基础能力，底层框架缺失或者不完善等问题。

举个栗子，我们在实现一个自动化录制回放的过程中发现，需要去修改Flutter框架(Dart层面)的代码才能够满足要求，这就会有了对框架的侵入性。要解决这种侵入性的问题，更好地减少迭代过程中的维护成本，我们考虑的首要方案即面向切面编程。

面向切面编程即AOP(Aspect Oriented Programming)，它可以在编译时(或运行时)，动态地将代码切入到类的特定方法、特定位置上，从而在不修改源代码的情况下给已有代码动态统一地添加功能。

那么如何解决AOP for Flutter这个问题呢？本文将重点介绍一个闲鱼技术团队开发的针对Dart的AOP编程框架AspectD。

AspectD:面向Dart的AOP框架

AOP能力究竟是运行时还是编译时支持依赖于语言本身的特点。举例来说在iOS中，Objective C本身提供了强大的运行时和动态性使得运行期AOP简单易用。在Android下，Java语言的特点不仅可以实现类似AspectJ这样的基于字节码修改的编译期静态代理，也可以实现Spring AOP这样的基于运行时增强的运行期动态代理。
那么Dart呢？一来Dart的反射支持很弱，只支持了检查(Introspection)，不支持修改(Modification)；其次Flutter为了包大小，健壮性等的原因禁止了反射。

因此，我们设计实现了基于编译期修改的AOP方案AspectD。

设计详图

AOP设计详图

典型的AOP场景

下列AspectD代码说明了一个典型的AOP使用场景:

aop.dart

import 'package:example/main.dart' as app;
import 'aop_impl.dart';

void main()=> app.main();

aop_impl.dart

import 'package:aspectd/aspectd.dart';

@Aspect()
@pragma("vm:entry-point")
class ExecuteDemo {
  @pragma("vm:entry-point")
  ExecuteDemo();

  @Execute("package:example/main.dart", "_MyHomePageState", "-_incrementCounter")
  @pragma("vm:entry-point")
  void _incrementCounter(PointCut pointcut) {
    pointcut.proceed();
    print('KWLM called!');
  }
}

面向开发者的API设计

PointCut的设计

@Call("package:app/calculator.dart","Calculator","-getCurTime")

PointCut需要完备表征以怎么样的方式(Call/Execute等)，向哪个Library，哪个类(Library Method的时候此项为空)，哪个方法来添加AOP逻辑。
PointCut的数据结构:

@pragma('vm:entry-point')
class PointCut {
  final Map sourceInfos;
  final Object target;
  final String function;
  final String stubId;
  final List positionalParams;
  final Map namedParams;

  @pragma('vm:entry-point')
  PointCut(this.sourceInfos, this.target, this.function, this.stubId,this.positionalParams, this.namedParams);

  @pragma('vm:entry-point')
  Object proceed(){
    return null;
  }
}

其中包含了源代码信息(如库名，文件名，行号等)，方法调用对象，函数名，参数信息等。
请注意这里的@pragma('vm:entry-point')注解，其核心逻辑在于Tree-Shaking。在AOT(ahead of time)编译下，如果不能被应用主入口(main)最终可能调到，那么将被视为无用代码而丢弃。AOP代码因为其注入逻辑的无侵入性，显然是不会被main调到的，因此需要此注解告诉编译器不要丢弃这段逻辑。
此处的proceed方法，类似AspectJ中的ProceedingJoinPoint.proceed()方法，调用pointcut.proceed()方法即可实现对原始逻辑的调用。原始定义中的proceed方法体只是个空壳，其内容将会被在运行时动态生成。

Advice的设计

@pragma("vm:entry-point")
Future getCurTime(PointCut pointcut) async{
  ...
  return result;
}

此处的@pragma("vm:entry-point")效果同a中所述，pointCut对象作为参数传入AOP方法，使开发者可以获得源代码调用信息的相关信息，实现自身逻辑或者是通过pointcut.proceed()调用原始逻辑。

Aspect的设计

@Aspect()
@pragma("vm:entry-point")
class ExecuteDemo {
  @pragma("vm:entry-point")
  ExecuteDemo();
  ...
  }

Aspect的注解可以使得ExecuteDemo这样的AOP实现类被方便地识别和提取，也可以起到开关的作用，即如果希望禁掉此段AOP逻辑，移除@Aspect注解即可。

AOP代码的编译

包含原始工程中的main入口

从上文可以看到，aop.dart引入import 'package:example/main.dart' as app;,这使得编译aop.dart时可包含整个example工程的所有代码。

Debug模式下的编译

在aop.dart中引入import 'aop_impl.dart';这使得aop_impl.dart中内容即便不被aop.dart显式依赖，也可以在Debug模式下被编译进去。

Release模式下的编译

在AOT编译(Release模式下),Tree-Shaking逻辑使得当aop_impl.dart中的内容没有被aop中main调用时，其内容将不会编译到dill中。通过添加@pragma("vm:entry-point")可以避免其影响。

当我们用AspectD写出AOP代码，透过编译aop.dart生成中间产物，使得dill中既包含了原始项目代码，也包含了AOP代码后，则需要考虑如何对其修改。在AspectJ中，修改是通过对Class文件进行操作实现的，在AspectD中，我们则对dill文件进行操作。

Dill操作

dill文件，又称为Dart Intermediate Language，是Dart语言编译中的一个概念，无论是Script Snapshot还是AOT编译，都需要dill作为中间产物。

Dill的结构

我们可以通过dart sdk中的vm package提供的dump_kernel.dart打印出dill的内部结构。

dart bin/dump_kernel.dart /Users/kylewong/Codes/AOP/aspectd/example/aop/build/app.dill /Users/kylewong/Codes/AOP/aspectd/example/aop/build/app.dill.txt

image

Dill变换

dart提供了一种Kernel to Kernel Transform的方式，可以通过对dill文件的递归式AST遍历，实现对dill的变换。

基于开发者编写的AspectD注解，AspectD的变换部分可以提取出是哪些库/类/方法需要添加怎样的AOP代码，再在AST递归的过程中通过对目标类的操作，实现Call/Execute这样的功能。

一个典型的Transform部分逻辑如下所示:

  @override
  MethodInvocation visitMethodInvocation(MethodInvocation methodInvocation) {
    methodInvocation.transformChildren(this);
    Node node = methodInvocation.interfaceTargetReference?.node;
    String uniqueKeyForMethod = null;
    if (node is Procedure) {
      Procedure procedure = node;
      Class cls = procedure.parent as Class;
      String procedureImportUri = cls.reference.canonicalName.parent.name;
      uniqueKeyForMethod = AspectdItemInfo.uniqueKeyForMethod(
          procedureImportUri, cls.name, methodInvocation.name.name, false, null);
    }
    else if(node == null) {
      String importUri = methodInvocation?.interfaceTargetReference?.canonicalName?.reference?.canonicalName?.nonRootTop?.name;
      String clsName = methodInvocation?.interfaceTargetReference?.canonicalName?.parent?.parent?.name;
      String methodName = methodInvocation?.interfaceTargetReference?.canonicalName?.name;
      uniqueKeyForMethod = AspectdItemInfo.uniqueKeyForMethod(
          importUri, clsName, methodName, false, null);
    }
    if(uniqueKeyForMethod != null) {
      AspectdItemInfo aspectdItemInfo = _aspectdInfoMap[uniqueKeyForMethod];
      if (aspectdItemInfo?.mode == AspectdMode.Call &&
          !_transformedInvocationSet.contains(methodInvocation) && AspectdUtils.checkIfSkipAOP(aspectdItemInfo, _curLibrary) == false) {
        return transformInstanceMethodInvocation(
            methodInvocation, aspectdItemInfo);
      }
    }
    return methodInvocation;
  }

通过对于dill中AST对象的遍历(此处的visitMethodInvocation函数)，结合开发者书写的AspectD注解(此处的aspectdInfoMap和aspectdItemInfo)，可以对原始的AST对象(此处methodInvocation)进行变换，从而改变原始的代码逻辑，即Transform过程。

AspectD支持的语法

不同于AspectJ中提供的Before\Around\After三种预发，在AspectD中，只有一种统一的抽象即Around。
从是否修改原始方法内部而言，有Call和Execute两种，前者的PointCut是调用点，后者的PointCut则是执行点。

Call

import 'package:aspectd/aspectd.dart';

@Aspect()
@pragma("vm:entry-point")
class CallDemo{
  @Call("package:app/calculator.dart","Calculator","-getCurTime")
  @pragma("vm:entry-point")
  Future getCurTime(PointCut pointcut) async{
    print('Aspectd:KWLM02');
    print('${pointcut.sourceInfos.toString()}');
    Future result = pointcut.proceed();
    String test = await result;
    print('Aspectd:KWLM03');
    print('${test}');
    return result;
  }
}

Execute

import 'package:aspectd/aspectd.dart';

@Aspect()
@pragma("vm:entry-point")
class ExecuteDemo{
  @Execute("package:app/calculator.dart","Calculator","-getCurTime")
  @pragma("vm:entry-point")
  Future getCurTime(PointCut pointcut) async{
    print('Aspectd:KWLM12');
    print('${pointcut.sourceInfos.toString()}');
    Future result = pointcut.proceed();
    String test = await result;
    print('Aspectd:KWLM13');
    print('${test}');
    return result;
  }

Inject

仅支持Call和Execute，对于Flutter(Dart)而言显然很是单薄。一方面Flutter禁止了反射，退一步讲，即便Flutter开启了反射支持，依然很弱，并不能满足需求。
举个典型的场景，如果需要注入的dart代码里，x.dart文件的类y定义了一个私有方法m或者成员变量p，那么在aop_impl.dart中是没有办法对其访问的，更不用说多个连续的私有变量属性获得。另一方面，仅仅对方法整体进行操作可能是不够的，我们可能需要在方法的中间插入处理逻辑。
为了解决这一问题，AspectD设计了一种语法Inject，参见下面的例子:
flutter库中包含了一下这段手势相关代码:

@override
  Widget build(BuildContext context) {
    final Map gestures = {};

    if (onTapDown != null || onTapUp != null || onTap != null || onTapCancel != null) {
      gestures[TapGestureRecognizer] = GestureRecognizerFactoryWithHandlers(
        () => TapGestureRecognizer(debugOwner: this),
        (TapGestureRecognizer instance) {
          instance
            ..onTapDown = onTapDown
            ..onTapUp = onTapUp
            ..onTap = onTap
            ..onTapCancel = onTapCancel;
        },
      );
    }

如果我们想要在onTapCancel之后添加一段对于instance和context的处理逻辑，Call和Execute是不可行的，而使用Inject后，只需要简单的几句即可解决:

import 'package:aspectd/aspectd.dart';

@Aspect()
@pragma("vm:entry-point")
class InjectDemo{
  @Inject("package:flutter/src/widgets/gesture_detector.dart","GestureDetector","-build", lineNum:452)
  @pragma("vm:entry-point")
  static void onTapBuild() {
    Object instance; //Aspectd Ignore
    Object context; //Aspectd Ignore
    print(instance);
    print(context);
    print('Aspectd:KWLM25');
  }
}

通过上述的处理逻辑，经过编译构建后的dill中的GestureDetector.build方法如下所示:

image

此外，Inject的输入参数相对于Call/Execute而言，多了一个lineNum的命名参数，可用于指定插入逻辑的具体行号。

构建流程支持

虽然我们可以通过编译aop.dart达到同时编译原始工程代码和AspectD代码到dill文件，再通过Transform实现dill层次的变换实现AOP，但标准的flutter构建(即flutter_tools)并不支持这个过程，所以还是需要对构建过程做细微修改。
在AspectJ中，这一过程是由非标准Java编译器的Ajc来实现的。在AspectD中，通过对flutter_tools打上应用Patch，可以实现对于AspectD的支持。

kylewong@KyleWongdeMacBook-Pro fluttermaster % git apply --3way /Users/kylewong/Codes/AOP/aspectd/0001-aspectd.patch
kylewong@KyleWongdeMacBook-Pro fluttermaster % rm bin/cache/flutter_tools.stamp
kylewong@KyleWongdeMacBook-Pro fluttermaster % flutter doctor -v
Building flutter tool...

实战与思考

基于AspectD，我们在实践中成功地移除了所有对于Flutter框架的侵入性代码，实现了同有侵入性代码同样的功能，支撑上百个脚本的录制回放与自动化回归稳定可靠运行。

从AspectD的角度看，Call/Execute可以帮助我们便捷实现诸如性能埋点(关键方法的调用时长)，日志增强(获取某个方法具体是在什么地方被调用到的详细信息)，Doom录制回放(如随机数序列的生成记录与回放)等功能。Inject语法则更为强大，可以通过类似源代码诸如的方式，实现逻辑的自由注入，可以支持诸如App录制与自动化回归(如用户触摸事件的录制与回放)等复杂场景。

进一步来说，AspectD的原理基于Dill变换，有了Dill操作这一利器，开发者可以自由地对Dart编译产物进行操作，而且这种变换面向的是近乎源代码级别的AST对象，不仅强大而且可靠。无论是做一些逻辑替换，还是是Json<-->模型转换等，都提供了一种新的视角与可能。

写在最后

AspectD作为闲鱼技术团队新开发的面向Flutter的AOP框架，已经可以支持主流的AOP场景并在Github开源，欢迎使用。Aspectd for Flutter
如果你在使用过程中，有任何问题或者建议，欢迎提issue或者PR.

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