基于AOP實現(xiàn)沖突動態(tài)檢測的實驗室預約系統(tǒng)設計

張 亮,李正衛(wèi),蔣 燁

(1.浙江工業(yè)大學 管理學院, 杭州 310023; 2.浙江工業(yè)大學 經濟學院, 杭州 310023)

0 引言

隨著高校經管類各專業(yè)開設的實驗課程越來越多，實驗教學所占的比重逐漸增大，如何根據(jù)課程需要合理調配有限的實驗室資源，成為當前經管類實驗室管理工作亟需解決的重要問題。傳統(tǒng)使用EXCEL電子表格記錄實驗室預約信息的方式存在操作效率低、工作量大、出錯率高等問題，經常造成課程時間沖突，上課人數(shù)與實驗室機位數(shù)量不符，實驗室軟硬件配置與教師授課需求不符，極大影響了教師與學生的課堂教學體驗。而購買廠商的相關軟件產品由于其價格昂貴，后期維護成本較高，同時又難以進行個性化定制與功能擴展，無法適應各個高校在實驗室管理工作方面的實際需求。

通過總結工作經驗，分析存在的問題，提出利用軟件工程領域的前沿技術設計與開發(fā)具有較好的可擴展性的新型經管類實驗室預約系統(tǒng)，優(yōu)化實驗教學管理模式，方便教師在線進行實驗室預約，同時允許師生對實驗室硬件配置、軟件資源、數(shù)字資料、面向專業(yè)與課程安排等信息進行實時查詢。

考慮到與教務處、人事處系統(tǒng)進行對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步與共享，以及后期的管理維護與功能擴展等需要。采用MVC設計模式，將系統(tǒng)劃分為模型、視圖、控制器三層進行分層開發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與操作之間的解耦，提高程序代碼的復用性與可擴展能力，滿足松散耦合的設計標準[1-2]。

由于每學期的課程安排比較緊湊，教師與學生人數(shù)較多，經常會出現(xiàn)課程時間安排沖突導致教學資源浪費的情況發(fā)生[3-4]。為解決這個問題，實現(xiàn)預約沖突的智能化檢測與處理[5-6]，在MVC分層開發(fā)的基礎上引入面向切面(aspect-oriented programming，AOP)設計思想，將沖突檢測程序作為通用功能從主要的業(yè)務流程中抽離出來進行模塊化封裝。在系統(tǒng)運行期，根據(jù)實際需要，通過預編譯和動態(tài)代理的方式，將沖突檢測程序自動切入當前執(zhí)行的業(yè)務處理過程中，對預約操作實行動態(tài)攔截。這種設計方式能夠有效實現(xiàn)邏輯功能的分離與解耦，避免各模塊相互之間的影響與制約，從而進一步降低程序耦合度，實現(xiàn)系統(tǒng)化、智能化管理。

1 系統(tǒng)架構設計及原理

1.1 MVC設計模式

MVC設計模式(Design pattern)，即模型、視圖、控制器(Model、View、Controller)，是將應用程序的業(yè)務邏輯層、視圖顯示層進行分層設計，并通過控制器層進行連接調度的一種開發(fā)模式，最早由Trygve Reenskaug提出，為施樂帕羅奧多研究中心(Xerox PARC)的Smalltalk面向對象編程語言所采用的一種開發(fā)模式。其意義在于實現(xiàn)用戶界面與業(yè)務邏輯的分離，提高程序代碼的靈活性與復用率[7]。

模型層(Model)表示業(yè)務數(shù)據(jù)與邏輯規(guī)則，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)操作與業(yè)務邏輯功能。模型層通過與數(shù)據(jù)庫進行交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取及寫入等操作。其相對于數(shù)據(jù)來說保持中立，即與數(shù)據(jù)格式及數(shù)據(jù)庫類型無關，無論使用哪一種數(shù)據(jù)庫，都返回相同格式的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與表現(xiàn)的解耦。

視圖層(View)即用戶顯示界面，對Model返回的數(shù)據(jù)進行格式化顯示輸出，也用于收集用戶輸入信息。視圖層通過瀏覽器(Web Browser)提供與用戶進行互動交流的界面，是系統(tǒng)業(yè)務邏輯與用戶之間溝通的橋梁。視圖層的組成元素包括：HTML、JavaScript、CSS、XML、Web Services等。

控制器層(Controller)負責協(xié)調模型與視圖，即根據(jù)HTTP請求URL映射獲取當前需調用的業(yè)務邏輯方法，操作完成后選擇相應的視圖，通過渲染視圖對操作返回的數(shù)據(jù)進行格式化，最后在客戶端瀏覽器中顯示輸出，完成用戶請求。

1.2 AOP面向切面設計

AOP面向切面設計模式，即Aspect-Oriented Programming，將通用功能從業(yè)務邏輯程序中分離出來，對其進行獨立編碼實現(xiàn)；在系統(tǒng)運行時，將獨立程序動態(tài)切入到當前操作對象的方法執(zhí)行過程中，實現(xiàn)業(yè)務功能的單獨管理與動態(tài)組合。

AOP模式允許不同業(yè)務處理程序共享相同的行為，實現(xiàn)應用程序各部分之間低耦合的分離效果，業(yè)務邏輯程序的改變不影響以AOP切面進行封裝的通用功能，從而進一步提高代碼的復用率，降低程序之間的耦合度。

AOP模式涉及到的相關概念包括切面(Aspect)、連接點(JointPoint)、處理邏輯(Advice)和切點(Pointcut)。具體含義如下：

1)切面(Aspect)：是將業(yè)務程序中共同的、重復的部分進行橫向切分并單獨實現(xiàn)，實現(xiàn)cross-cutting功能。

2)連接點(JointPoint)：是切面嵌入業(yè)務流程的觸發(fā)點，可以是在拋出異常時，方法調用時，或者修改某個變量時插入切面代碼，執(zhí)行新的行為。當程序正常流程執(zhí)行到切面連接點時，自動調用相應的處理邏輯(Advice)。

3)處理邏輯(Advice)：用于實現(xiàn)切面功能，在JointPoint處插入到業(yè)務處理流程中，并告知程序有新的行為將被執(zhí)行。

4)切點(Pointcut)：用于控制在JointPoint上被調用的Advice。

經管類實驗室預約系統(tǒng)將預約沖突檢測程序以AOP面向切面的方式嵌入業(yè)務處理過程中。在執(zhí)行實驗室預約操作前，系統(tǒng)通過依賴注入方式動態(tài)切入并調用檢測程序，利用事務管理和異常處理機制，實現(xiàn)預約沖突的自動檢測，如圖1所示。

圖1 AOP面向切面設計

將沖突檢測功能從主程序中分離出來，能夠在不修改業(yè)務流程的情況下，單獨對檢測程序進行修改與補充。這樣，在開發(fā)過程中能夠實現(xiàn)合理分工，各功能模塊職責明確，避免了相互之間的影響與制約，降低維護成本，提高開發(fā)效率。

1.3 基于YII2 MVC架構的AOP模式

系統(tǒng)基于YII2 MVC架構搭建，在MVC分層結構的基礎上引入AOP面向切面設計理念，其具體實現(xiàn)方法是在控制器(Controller)與模型(Model)之間加入過濾器(Filter)驗證功能，當調用Action方法執(zhí)行預約操作時，先觸發(fā)行為(Behavior)，在行為程序中執(zhí)行過濾器驗證，即檢測預約沖突，檢測通過則繼續(xù)執(zhí)行Action，完成預約操作；檢測未通過則停止執(zhí)行Action，將沖突信息返回給視圖。基于YII2 MVC架構的AOP模式如圖2所示。

圖2 基于YII2 MVC架構的AOP模式

行為(Behavior)是yiiaseBehavior類及其子類的實例化對象，表示方法執(zhí)行過程中自動執(zhí)行的功能程序。使用行為前，需要先將其與組件進行綁定，當組件運行時，行為將其自身所包含的屬性與方法通過動態(tài)注入的方式附加到組件上，使得在組件中運行行為就像在執(zhí)行組件自己的方法一樣。行為通過與組件的綁定能夠對觸發(fā)事件(Event)做出響應，從而實現(xiàn)對組件運行流程的動態(tài)調整。

過濾器(Filter)是在Action方法執(zhí)行前后運行的程序，通過行為(Behavior)進行調用，常用于配置控制器權限(即RBAC - Role-Based Access Control權限管理)、客戶端/頁面緩存、用戶認證、內容格式檢測、HTTP請求方式驗證、跨域資源共享等操作。過濾器包括預切入過濾器(在Action方法執(zhí)行前運行的程序)、后切入過濾器(在Action方法執(zhí)行后運行的程序)。在行為中可以部署多個過濾器，并分別將其與不同的Action方法進行綁定。過濾器的精心設計與合理利用能夠有效提升系統(tǒng)開發(fā)的靈活性，通過將多個功能封裝在不同的過濾器中，實現(xiàn)通用功能與主要業(yè)務流程之間的解耦，提高代碼復用率。

架構運行流程如下：

1)用戶通過瀏覽器發(fā)送請求，交由web/index.php入口程序處理，在入口程序中加載console.php應用配置文件，根據(jù)配置信息創(chuàng)建Application實例。

2)Application實例通過urlManager路由組件對請求URL進行解析，根據(jù)解析結果定位目標Controller類與Action方法，同時創(chuàng)建Controller實例，Controller實例調用runAction方法執(zhí)行Action。部分實現(xiàn)代碼如下：

//創(chuàng)建Controller實例

parts = this->createController(route);

if (is_array(parts)) {

list(controller, actionID) = parts;

Yii::app->controller = controller;

//執(zhí)行Action

result=controller->runAction(actionID, params);

...

}

3)當Controller實例調用runAction方法時，會首先執(zhí)行beforeAction方法，根據(jù)beforeAction的返回值決定是否繼續(xù)執(zhí)行當前的Action。

4)在beforeAction內，通過調用ensureBehaviors方法將Behavior行為綁定到Controller實例上，這樣在執(zhí)行Action前，會先觸發(fā)Behavior行為，執(zhí)行在行為中部署的過濾器(Filter)。若某個過濾器返回false，則取消執(zhí)行Action。當所有過濾器均驗證通過，則繼續(xù)執(zhí)行Action。ensureBehaviors方法實現(xiàn)代碼如下：

public function ensureBehaviors() {

if (this->_behaviors === null) {

this->_behaviors = [];

foreach (this->behaviors() as name => behavior) {

//綁定Behavior行為

this->attachBehaviorInternal(name, behavior);

}

}

}

5)過濾器驗證通過后，執(zhí)行Action方法，在Action中加載模型(Model)，通過DAO數(shù)據(jù)庫訪問層對MySQL數(shù)據(jù)庫進行CRUD操作，完成業(yè)務邏輯處理操作。

6)Controller實例調用render方法渲染視圖(View)，即將數(shù)據(jù)處理結果傳遞給視圖，結合Layout布局文件與Widget小部件構成完整的頁面。調用render方法的代碼如下：

return this->render('index', ['param' => '...']);

7)在Response響應對象中封裝視圖渲染結果，并以HTML格式返回給瀏覽器客戶端。

2 系統(tǒng)運行環(huán)境

系統(tǒng)采用WAMP集成環(huán)境，實現(xiàn)APACHE、MySQL、PHP的高效整合，擺脫環(huán)境配置的煩惱，提高開發(fā)效率。WAMP集成PHPMYADMIN數(shù)據(jù)庫管理工具，允許管理者直接通過Web接口對MySQL數(shù)據(jù)庫進行操作與管理，無需安裝其他客戶端軟件。開發(fā)工具選用EDITPLUS 5.0，EDITPLUS是一款輕量級且功能強大的文本編輯器，支持語法高亮、代碼折疊等功能，具有啟動速度快、界面簡潔等特點，能夠提高程序代碼的編寫效率。

為提升系統(tǒng)性能，提高運行平臺與Windows Server操作系統(tǒng)的兼容性，采用IIS7.5作為系統(tǒng)運行平臺，通過FastCGI方式配置PHP，使得應用系統(tǒng)在IIS平臺上進行部署的同時，又能夠通過WAMP進行配置與管理。

3 系統(tǒng)功能設計

經管類實驗室預約系統(tǒng)的功能模塊如圖3所示，主要分為實驗室管理模塊、時間管理模塊、課程管理模塊、教師管理模塊、實驗室預約模塊、沖突檢測模塊與數(shù)據(jù)同步模塊[8]。

圖3 系統(tǒng)功能設計

1)實驗室管理模塊，包括對實驗室硬件配置、軟件資源、數(shù)字資源、機位數(shù)量與當前使用情況等信息的查詢與管理，便于師生隨時隨地地了解實驗室相關信息，有利于實驗教學課程的順利進行。MySQL數(shù)據(jù)庫中提取的數(shù)據(jù)信息通過Bootstrap前端技術進行柵格式與響應式的布局排版，以適應手機、平板等移動便攜設備。

2)時間管理模塊，包括對學期信息、教學周信息、教學周日期、上課時間與上課節(jié)次等信息的查詢與管理。每學期包含16個教學周，每周包含5個教學工作日，每個工作日包含12個上課節(jié)次，上午1～5節(jié)課，下午6～9節(jié)課，晚上10～12節(jié)課。系統(tǒng)可根據(jù)學期教學周第一天的日期自動計算并生成1～16周每一天的具體日期，極大方便了管理員進行日常管理與維護，避免了手動輸入操作出錯率高且效率低的問題。

3)課程管理模塊，包括對課程信息、任課教師、授課資料、上課地點、上課人數(shù)、學生信息與專業(yè)班級等信息的查詢與管理。

4)教師管理模塊，包括對教師個人簡介、所在系部、專業(yè)背景、教學成果以及學術成就的查詢與管理，允許教師使用個人賬號登錄系統(tǒng)編輯信息，便于學生對教師有更詳細的了解。

5)實驗室預約模塊，包括預約信息查詢、預約操作管理與沖突檢測功能。允許教師根據(jù)教學計劃制定的實踐教學環(huán)節(jié)與課程實際需要，結合實驗室現(xiàn)有的軟硬件設備條件，通過系統(tǒng)提供的在線預約平臺進行實驗室預約操作。

6)數(shù)據(jù)同步模塊，實現(xiàn)課程、班級信息的定期同步更新。MySQL數(shù)據(jù)庫服務器負責與教務處等相關部門進行數(shù)據(jù)對接，利用MySQL存儲過程定期監(jiān)測教務處數(shù)據(jù)的變動情況，并根據(jù)數(shù)據(jù)變化同步更新數(shù)據(jù)信息。

3.1 實驗室預約模塊

實驗室預約模塊是經管類實驗室預約系統(tǒng)的核心。教師登錄系統(tǒng)，通過預約表單填寫預約信息，表單元素包括機房選擇框、教學周選擇框、時間選擇框、節(jié)次選擇框、課程輸入框、學生人數(shù)輸入框等。為方便教師進行預約操作，表單設計要盡可能做到界面簡潔、功能清晰，同時能夠適應手機界面顯示。采用Bootstrap技術對HTML表單元素進行重新排版與布局，以適應教師的使用需求。實驗室預約模塊主界面如圖4所示。

圖4 實驗室預約模塊主界面

教師根據(jù)課程實際需要，選擇機房、教學周、上課時間與上課節(jié)次，輸入課程名稱、學生人數(shù)與專業(yè)班級，點擊“預約”按鈕，啟動預約處理流程。預約信息通過互聯(lián)網傳輸至服務器，在服務器內處理預約請求。

在服務器內執(zhí)行的預約操作處理流程如下：

1)調用model->validate()方法，通過Rules驗證器對預約信息各個字段的輸入值進行合法性驗證。

2)驗證通過后，運行beginTransaction()開啟事務(Transaction)。

3)在事務處理的操作序列中，執(zhí)行預約操作Action。

4)預約操作Action執(zhí)行時，會首先觸發(fā)與其綁定的Behavior行為，對Action執(zhí)行過程實施動態(tài)攔截。行為程序以AOP切面形式自動嵌入Action執(zhí)行過程中，并運行部署在行為中的沖突檢測過濾器(Filter)，進行預約沖突檢測。

5)預約有沖突，則終止當前Action的執(zhí)行，拋出異常(Exception)，并執(zhí)行事務回滾(rollback)，取消先前執(zhí)行的所有預約操作。同時捕獲異常，顯示沖突提示信息。

6)預約無沖突，則繼續(xù)執(zhí)行預約操作Action。

7)當一次預約請求過程中的多個預約操作Action都執(zhí)行完成(未出現(xiàn)預約沖突)，則調用transaction->commit()提交事務，將預約信息存入MySQL數(shù)據(jù)庫，同時更新數(shù)據(jù)緩存。

預約操作處理流程如圖5所示。

圖5 預約操作處理流程

3.2 基于AOP實現(xiàn)沖突動態(tài)檢測

在實驗室預約管理工作中，經常會出現(xiàn)預約時間沖突，即同一實驗室在某一時間段已存在預約，無法再次進行預約的情況。因此采用相應的沖突檢測機制，自動識別預約沖突，并在客戶端顯示提示信息，便于教師合理安排上課時間。常用的沖突檢測方式包括客戶端檢測方式與服務端檢測方式。

1)客戶端檢測方式：需要預先從數(shù)據(jù)庫中獲取已存在的實驗室預約記錄，然后在客戶端瀏覽器中利用jQuery與當前預約信息進行比較，檢測預約沖突。這種方式需要預先從服務器中獲取大量的數(shù)據(jù)，對網絡帶寬有較高的要求，容易造成客戶端運行卡頓，頁面響應速度慢等問題。

2)服務端檢測方式：預約請求通過網絡傳遞給相應的Action方法，在Action方法內獲取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，執(zhí)行預約沖突檢測，如存在沖突，則返回提示信息。數(shù)據(jù)讀取和檢測處理操作都在服務器端進行，大大減少了網絡的數(shù)據(jù)傳輸量，同時由于服務器端的數(shù)據(jù)處理與運算能力遠遠超過客戶端，因此在服務器端進行檢測處理操作，效率更高，速度更快。

系統(tǒng)采用服務端檢測方式，基于AOP面向切面編程技術，在運行時動態(tài)加載檢測程序[9]。

設置命名空間namespace appcomponents，導入yiiaseActionFilter基礎類，通過繼承ActionFilter創(chuàng)建過濾器(Filter)。ActionFilter類包含beforeAction與afterAction方法，分別表示在Action執(zhí)行前與執(zhí)行后調用的代碼塊。重寫Filter的beforeAction方法，并在beforeAction方法內執(zhí)行沖突檢測程序。關鍵代碼如下：

class CheckFilter extends ActionFilter {

public function beforeAction(action) {

s_data = Yii::app->request->post();

//檢測預約沖突

cr = checkConflict(s_data);

if(cr){ //檢測無沖突

return parent::beforeAction(action);

}else{ //檢測有沖突

this->redirect([‘room/dealconflict’,’cr’=>cr]);

return false;

}

}

}

在控制器中配置行為，然后在行為中部署過濾器，通過class屬性指定當前配置的過濾器類名，再通過only屬性將過濾器與相應的Action方法進行綁定。當執(zhí)行預約操作時，觸發(fā)行為，通過行為加載并調用過濾器，執(zhí)行預約沖突檢測程序。部署過濾器的關鍵代碼如下：

public function behaviors() {

return [

[ //過濾器配置

'class'=>'appcomponentsCheckFilter',

'only'=>['reserve'],

],

];

}

預約沖突檢測程序的運行時動態(tài)加載過程如下：

1)服務端在收到教師提交的實驗室預約請求后，創(chuàng)建控制器實例，調用runAction方法。

2)在runAction內，先調用createAction方法創(chuàng)建執(zhí)行實驗室預約操作的Action動作實例，然后執(zhí)行this->beforeAction(action)，此處的this表示控制器實例，運行控制器的beforeAction方法。

3)在控制器的beforeAction方法內，觸發(fā)trigger函數(shù)，通過ensureBehaviors綁定行為(Behavior)，即將沖突檢測程序與執(zhí)行預約操作的reserveAction動作進行綁定，實現(xiàn)AOP動態(tài)切入[10]。

4)調用ActionFilter基類中的beforeFilter方法，在beforeFilter中執(zhí)行其子類CheckFilter(自定義過濾器，部署在行為中，用于執(zhí)行預約沖突檢測)的beforeAction方法，此處的beforeAction與上述通過控制器調用的不同，通過控制器調用的beforeAction方法用于綁定行為，而通過過濾器調用的beforeAction方法用于執(zhí)行實驗室預約沖突檢測操作。

5)在CheckFilter過濾器的beforeAction方法中，調用checkConflict執(zhí)行預約沖突檢測操作，如圖6所示。

圖6 沖突檢測程序的運行時動態(tài)加載過程

4 實驗結果與分析

系統(tǒng)提供信息查詢與線上預約等功能，允許師生在線查詢實驗室預約信息、課程信息、課程面向專業(yè)、學生人數(shù)。系統(tǒng)界面采用Bootstrap實現(xiàn)，通過“教學實驗室”列表，查看實驗室各個機房的課程預約信息；通過“教學周”列表查看每周的課程安排；通過“學期”列表，查看各個學期課程預約歷史記錄。在課表頁面點擊課程名稱，彈出Modal詳情頁，顯示該課程的詳細介紹，包括：實驗大綱、實驗卡片、實驗授課計劃、實驗指導數(shù)等相關資料。實驗室預約信息查詢界面圖7所示。

圖7 實驗室預約信息查詢界面

目前，經管類實驗室預約系統(tǒng)已經在浙江工業(yè)大學管理學院與經濟學院進行了部署與應用，為師生查詢實驗室信息、教學資源、課程信息與課程安排，教師預約實驗室提供了便捷的線上服務平臺。系統(tǒng)面向專業(yè)包括國際經濟與貿易、市場營銷、旅游管理、工商管理、財務管理、信息管理與信息系統(tǒng)、金融學、工程管理等8個本科專業(yè)；研究生、MBA及各類工程碩士；建筑工程學院、藥學院的一體化雙專業(yè)以及全校的經濟管理類二專業(yè)和選修課。涉及的實踐教學包括44門實驗課程、172個實驗項目、21門課程設計。通過信息化手段的使用，將管理學院與經濟學院的6個學科和8個本科專業(yè)的實驗教學納入到統(tǒng)一的實驗課程預約管理綜合平臺中，實行“大平臺，統(tǒng)一管理”。

5 結語

基于當前實驗教學管理工作存在的問題，分析使用成品軟件在功能擴展與二次開發(fā)方面的短板，整合現(xiàn)有實驗教學資源，基于MVC設計模式開發(fā)經管類實驗室預約系統(tǒng)，系統(tǒng)采用AOP面向切面編程技術實現(xiàn)預約沖突的動態(tài)檢測，有效避免出現(xiàn)排課沖突、重復排課等教學事故。在滿足功能需求的同時，優(yōu)化系統(tǒng)架構設計，降低各模塊之間的耦合度，提高靈活性，便于功能擴展與個性化定制。同時與本科論文管理系統(tǒng)、教師數(shù)據(jù)中心等其他應用進行無縫對接，只需登陸一個賬戶便可同時使用多項應用，方便教師開展工作。系統(tǒng)架構設計靈活，只需更改相應模塊里的功能代碼即可應用于其他行業(yè)領域，在系統(tǒng)架構優(yōu)化方面有一定的參考意義。