IOC-golang 的 AOP 原理与应用

2022 年 7 月 1 日 阿里技术

AOP 与 IOC 的关系

AOP （面向切面编程）是一种编程设计思想，旨在通过拦截业务过程的切面，实现特定模块化的能力，降低业务逻辑之间的耦合度。这一思路在众多知名项目中都有实践。例如 Spring 的切点 PointCut 、 gRPC的拦截器 Interceptor 、Dubbo 的过滤器 Filter。AOP 只是一种概念，这种概念被应用在不同的场景下，产生了不同的实现。

我们首先讨论比较具体的 RPC 场景，以 gRPC 为例。

图片摘自 grpc.io

针对一次 RPC 过程，gRPC 提供了可供用户扩展的 Interceptor 接口，方便开发者写入与业务相关的拦截逻辑。例如引入鉴权、服务发现、可观测等能力，在 gRPC 生态中存在很多基于 Interceptor 的扩展实现，可参考 go-grpc-middleware[1] 。这些扩展实现归属于 gRPC 生态，限定于 Client 和 Server 两侧的概念，限定于 RPC 场景。

我们将具象的场景抽象化，参考 Spring 的做法。

Spring 具备强大的依赖注入能力，在此基础之上，提供了适配与业务对象方法的 AOP 能力，可以通过定义切点，将拦截器封装在业务函数外部。这些 “切面”、“切点” 的概念，都是限定于 Spring 框架内，由其依赖注入（也就是 IOC）能力所管理。

我想表达的观点是，AOP 的概念需要结合具体场景落地，必须受到来自所集成生态的约束。 我认为单独提 AOP 的概念，是不具备开发友好性和生产意义的，例如我可以按照面向过程编程的思路，写一连串的函数调用，也可以说这是实现了 AOP，但其不具备可扩展性、可迁移性、更不具备通用性。这份约束是必要的，可强可弱，例如 Spring 生态的 AOP，较弱的约束具备较大的可扩展性，但实现起来相对复杂，发者需要学习其生态的众多概念与 API，再若 Dubbo 、gRPC 生态的适配于 RPC 场景的 AOP，开发者只需要实现接口并以单一的 API 注入即可，其能力相对局限。

上述 “约束” 在实际开发场景可以具象为依赖注入，也就是 IOC。开发者需要使用的对象由生态所纳管、封装，无论是 Dubbo 的 Invoker、还是 Spring 的 Bean，IOC 过程为 AOP 的实践提供了约束借口，提供了模型，提供了落地价值。

Go 生态与 AOP

AOP 概念与语言无关，虽然我赞成使用 AOP 的最佳实践方案需要 Java 语言，但我不认为 AOP 是 Java 语言的专属。在我所熟悉的 Go 生态中，依然有较多基于 AOP 思路的优秀项目，这些项目的共性，也如我上一节所阐述的，都是结合特定生态，解决特定业务场景问题，其中解决问题的广度，取决于其 IOC 生态的约束力。IOC 是基石，AOP 是 IOC 生态的衍生物，一个不提供 AOP 的 IOC 生态可以做的很干净很清爽，而一个提供 AOP 能力的 IOC 生态，可以做的很包容很强大。

上个月我开源了 IOC-golang [2]服务框架，专注于解决 Go 应用开发过程中的依赖注入问题。很多开发者把这个框架和 Google 开源的 wire [3]框架做比较，认为没有 wire 清爽好用，这个问题的本质是两个生态的设计初衷不同。wire 注重 IOC 而非 AOP，因此开发者可以通过学习一些简单的概念和 API，使用脚手架和代码生成能力，快速实现依赖注入，开发体验很好。IOC-golang 注重基于 IOC 的 AOP 能力，并拥抱这一层的可扩展性，把 AOP 能力看作这一框架和其他 IOC 框架的差异点和价值点。

相比于解决具体问题的 SDK，我们可以把依赖注入框架的 IOC 能力看作“弱约束的IOC场景”，通过两个框架差异点比较，抛出两个核心的问题：

Go 生态在 “弱约束 IOC 的场景” 需不需要 AOP？

GO 生态在 “弱约束 IOC 的场景” 的 AOP 可以用来做什么？

我的观点是：Go 生态一定是需要 AOP 的，即使在“弱约束 IOC 场景”，依然可以使用 AOP 来做一些业务无关的事情，比如增强应用的运维可观测能力。由于语言特性，Go 生态的 AOP 不能和 Java 划等号，Go 不支持注解，限制了开发者使用编写业务语义 AOP 层的便利性，所以我认为 Go 的 AOP 并不适合处理业务逻辑，即使强行实现出来，也是反直觉的。我更接受把运维可观测能力赋予 Go 生态的 AOP 层，而开发者对于 AOP 是无感知的。

例如，对于任何接口的实现结构，都可以使用 IOC-golang 框架封装运维 AOP 层，从而让一个应用程序的所有对象都具备可观测能力。除此之外，我们也可以结合 RPC 场景、服务治理场景、故障注入场景，产生出更多 “运维” 领域的扩展思路。

IOC-golang 的 AOP 原理

使用 Go 语言实现方法代理的思路有二，分别为通过反射实现接口代理，和基于 Monkey 补丁的函数指针交换。后者不依赖接口，可以针对任何结构的方法封装函数代理，需要侵入底层汇编代码，关闭编译优化，对于 CPU 架构有要求，并且在处理并发请求时会显著削弱性能。

前者的生产意义较大，依赖接口，也是本节所讨论的重点。

3.1 IOC-golang 的接口注入

在本框架开源的第一篇文章中有提到，IOC-golang 在依赖注入的过程具备两个视角，结构提供者和结构使用者。框架接受来自结构提供者定义的结构，并按照结构使用者的要求把结构提供出来。结构提供者只需关注结构本体，无需关注结构实现了哪些接口。而结构使用者需要关心结构的注入和使用方式：是注入至接口？注入至指针？是通过 API 获取？还是通过标签注入获取？

通过标签注入依赖对象

  
  
    
   
   
     
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
   
   
     
   
   
     // +ioc:autowire=true// +ioc:autowire:type=singleton
type App struct {    // 将实现注入至结构体指针    ServiceStruct *ServiceStruct `singleton:""`      // 将实现注入至接口    ServiceImpl Service `singleton:"main.ServiceImpl1"`}

App 的 ServiceStruct 字段是具体结构的指针，字段本身已经可以定位期望被注入的结构，因此不需要在标签中给定期望被注入的结构名。对于这种注入到结构体指针的字段，无法通过注入接口代理的方式提供 AOP 能力，只能通过上文提到的 monkey 补丁方案，这种方式不被推荐。

App 的 ServiceImpl 字段是一个名为 Service 的接口，期望注入的结构指针是 main.ServiceImpl。本质上是一个从结构到接口的断言逻辑，虽然框架可以进行接口实现的校验，但仍需要结构使用者保证注入的接口实现了该方法。对于这种注入到接口的方式，IOC-golang 框架自动为 main.ServiceImpl 结构创建代理，并将代理结构注入在 ServiceImpl 字段，因此这一接口字段具备了 AOP 能力。

因此，ioc 更建议开发者面向接口编程，而不是直接依赖具体结构，除了 AOP 能力之外，面向接口编程也会提高 go 代码的可读性、单元测试能力、模块解耦合程度等。

通过 API 的方式获取对象

IOC-golang 框架的开发者可以通过 API 的方式获取结构指针，通过调用自动装载模型（例如singleton）的 GetImpl 方法，可以获取结构指针。

func GetServiceStructSingleton() (*ServiceStruct, error) {  i, err := singleton.GetImpl("main.ServiceStruct", nil)  if err != nil {    return nil, err  }  impl := i.(*ServiceStruct)  return impl, nil}

使用 IOC-golang 框架的开发者更推荐通过API 的方式获取接口对象，通过调用自动装载模型（例如singleton）的 GetImplWithProxy 方法，可以获取代理结构，该结构可被断言为一个接口供使用。这个接口并非结构提供者手动创建，而是由 iocli 自动生成的“结构专属接口”，在下文中将予以解释。

  
  
    
   
   
     
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
   
   
     
   
   
     func GetServiceStructIOCInterfaceSingleton() (ServiceStructIOCInterface, error) {  i, err := singleton.GetImplWithProxy("main.ServiceStruct", nil)  if err != nil {    return nil, err  }  impl := i.(ServiceStructIOCInterface)  return impl, nil}

这两种通过 API 获取对象的方式可以由 iocli 工具自动生成，注意，这些代码的作用都是方便开发者调用 API ，减少代码量，而 ioc 自动装载的逻辑内核并不是由工具生成的，这是与 wire 提供的依赖注入实现思路的不同点之一，也是很多开发者误解的一点。

IOC-golang 的结构专属接口。

通过上面的介绍，我们知道 IOC-golang 框架推荐的 AOP 注入方式是强依赖接口的。但要求开发者为自己的全部结构，都手写一个与之匹配的接口出来，这会耗费大量的时间。因此 iocli 工具可以自动生成结构专属接口，减轻开发人员的代码编写量。

例如一个名为 ServiceImpl 的结构，其包含 GetHelloString 方法

  
  
    
   
   
     
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
   
   
     
   
   
     // +ioc:autowire=true// +ioc:autowire:type=singleton
type ServiceImpl struct {}
func (s *ServiceImpl) GetHelloString(name string) string {    return fmt.Sprintf("This is ServiceImpl1, hello %s", name)}

当执行 iocli gen 命令后，会在当前目录生成一份代码 zz_generated.ioc.go 其中包含该结构的“专属接口”：

type ServiceImplIOCInterface interface {    GetHelloString(name string) string}

专属接口的命名为 $(结构名)IOCInterface，专属接口包含了结构的全部方法。专属接口的作用有二：

1、减轻开发者工作量，方便直接通过 API 的方式 Get 到代理结构，方便直接作为字段注入。

2、结构专属接口可以直接定位结构 ID，因此在注入专属接口的时候，标签无需显式指定结构类型：

// +ioc:autowire=true// +ioc:autowire:type=singleton
type App struct {    // 注入 ServiceImpl 结构专属接口，无需在标签中指定结构ID    ServiceOwnInterface ServiceImplIOCInterface `singleton:""`}

因此，随便找一个现有的 go 工程，其中使用结构指针的位置，我们推荐替换成结构专属接口，框架默认注入代理；对于其中已经使用了接口的字段，我们推荐直接通过标签注入结构，也是由框架默认注入代理。按照这种模式开发的工程，其全部对象都将具备运维能力。

3.2 代理的生成与注入

上一小节所提到的“注入至接口”的对象，都被被框架默认封装了代理，具备运维能力，并提到了 iocli 会为所有结构产生“专属接口”。在本节中，将解释框架如何封装代理层，如何注入至接口的。

代理结构的代码生成与注册

在前文提到生成的 zz.generated.ioc.go 代码中包含结构专属接口，同样，其中也包含结构代理的定义。还是以上文中提到的 ServiceImpl 结构为例，它生成的代理结构如下：

type serviceImpl1_ struct {    GetHelloString_ func(name string) string}
func (s *serviceImpl1_) GetHelloString(name string) string {    return s.GetHelloString_(name)}

代理结构命名为小写字母开头的 $(结构名)_，其实现了“结构专属接口” 的全部方法，并将所有方法调用代理至 $(方法名)_ 的方法字段，该方法字段会被框架以反射的方式实现。

与结构代码一样，代理结构也会在这个生成的文件中注册到框架：

  
  
    
   
   
     
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
   
   
     
   
   
     func init(){  normal.RegisterStructDescriptor(&autowire.StructDescriptor{        Factory: func() interface{} {            return &serviceImpl1_{} // 注册代理结构        },    })}

代理对象的注入

上述内容描述了代理结构的定义和注册过程。当用户期望获取封装了AOP层的代理对象，将首先加载真实对象，然后尝试加载代理对象，最终通过反射实例化代理对象，注入接口，从而赋予接口运维能力。该过程可由下图展示：

IOC-golang 基于 AOP 的应用

理解了上文中提到的实现思路，我们可以认为，使用 IOC-golang 框架开发的应用程序中，从框架注入、获取的所有接口对象都是具备运维能力的。我们可以基于 AOP 的思路，扩展出我们期望的能力。我们提供了一个简易的电商系统 demo shopping-system[4] ，展示了在分布式场景下 IOC-golang 基于 AOP 的可视化能力。感兴趣的开发者可以参考 README，在自己的集群里运行这个系统，感受其运维能力底座。

4.1 方法、参数可观测

查看应用接口和方法

  
  
    
   
   
     
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
   
   
     
   
   
     % iocli listgithub.com/alibaba/ioc-golang/extension/autowire/rpc/protocol/protocol_impl.IOCProtocol[Invoke Export]
github.com/ioc-golang/shopping-system/internal/auth.Authenticator[Check]
github.com/ioc-golang/shopping-system/pkg/service/festival/api.serviceIOCRPCClient[ListCards ListCachedCards]

监听调用参数

通过 iocli watch 命令，我们可以监听鉴权接口的 Check 方法的调用：

  
  
    
   
   
     
    
    
      
   
   
     
   
   
     iocli watch github.com/ioc-golang/shopping-system/internal/auth.Authenticator Check

发起针对入口的调用

  
  
    
   
   
     
    
    
      
   
   
     
   
   
     curl -i -X GET 'localhost:8080/festival/listCards?user_id=1&num=10'

可查看到被监听方法的调用参数和返回值，user id 为1。

  
  
    
   
   
     
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
    
    
      
   
   
     
   
   
      % iocli watch github.com/ioc-golang/shopping-system/internal/auth.Authenticator Check========== On Call ==========github.com/ioc-golang/shopping-system/internal/auth.Authenticator.Check()Param 1: (int64) 1
========== On Response ==========github.com/ioc-golang/shopping-system/internal/auth.Authenticator.Check()Response 1: (bool) true
  
  
    


  
  
    
   
   
     
    
    
      
     
     
       
      
      
        
       
       
         
      
      
        
     
     
       
    
    
      
    
    
      
     
     
       
      
      
        4.2 全链路追踪

基于 IOC-golang 的 AOP 层，可以提供用户无感知、业务无侵入的分布式场景下全链路追踪能力。即一个由本框架开发的系统，可以以任何一个接口方法为入口，采集到方法粒度的跨进程调用全链路。

基于 shopping-system 的全链路耗时信息，可以排查到名为 festival 进程的 gorm.First() 方法是系统的瓶颈。

这个能力的实现包括两部分，分别是进程内的方法粒度链路追踪，和进程之间的 RPC 调用链路追踪。IOC 旨在打造开发者开箱即用的应用开发生态组件，这些内置的组件与框架提供的 RPC 能力都具备了运维能力。

基于 AOP 的进程内链路追踪

IOC-golang 提供的链路追踪能力的进程内实现，是基于 AOP 层做的，为了做到业务无感知，我们并没有通过 context 上下文的方式去标识调用链路，而是通过 go routine id 进行标识。通过 go runtime 调用栈，来记录当前调用相对入口函数的深度。

基于 IOC 原生 RPC 的进程间链路追踪

IOC-golang 提供的原生 RPC 能力，无需定义 IDL文件，只需要为服务提供者标注 // +ioc:autowire:type=rpc ，即可生成相关注册代码和客户端调用存根，启动时暴露接口。客户端只需要引入这一接口的客户端存根，即可发起调用。这一原生 RPC 能力基于 json 序列化和 http 传输协议，方便承载链路追踪 id。