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Java动态模块化运行原理与实践

发布于:2013-6-29 0:48:54

  •  Bundle ClassPath

     
    对于一个普通Java程序,只有一个classpath——启动应用程序所使用的那个。该路径通常是在命令行中用-classpath选项指定的,或者通 过CLASSPATH 环境变量来设定。Java类装载器在运行时解析类的时候会扫描此路径,无论这一过程是静态地(已编译进代码)还是动态地(使用反射及 class.forName())。然而,在运行时也可以使用多个类加载器;像Jetty和Tomcat这样的Web应用引擎都是使用多个类加载器,以便支持应用热部署。
     
    在OSGi中,每个bundle都有其自己的类加载器。需要被其他bundle访问的类则被委派(delegated)给这些其他bundle的类装载器。因此,尽管在传统应用中,来自logging类库、client和server JAR中的类都是由同一个类加载器加载的,但在OSGi模块系统中,他们都是由自己的类加载器加载的。
     
    结果是,一个VM中有可能有多个类加载器,其中可能存在名字相同的不同Class的对象。也就是说,在同一个VM中,一个叫做 com.infoq.example.App的类,其不同版本可以由com.infoq.example bundle的第1版和第2版同时输出。Client bundle版本1使用该类的第1版,而client版本2使用该类的第2版。这在模块化系统中相当普遍;在同一个VM中,有些代码可能需要装载一个类库 的老版本,同时更新点的代码(在另一个bundle中)却需要该类库的新版本。好在OSGi为你管理起这种依赖传递,确保不再出现不兼容类引发的问题。
     
    类的垃圾回收
     
    每个类都有一个对其类装载器的引用。因此如果想要从不同的bundle访问这些类,不但要有对该类实例的引用,而且还要有对该类的类装载器的引用。当一个bundle持有另一个bundle的类时,它也会将该bundle固定在内存中。在前篇文章的例子中,client被固定到该server上。
     
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    在静态世界里,无论你是否把自己的类固定到其他类(或类库)都无所谓;因为不会有什么变化。可是,在动态世界里,在运行时将类库或工具替换成新版本就有可 能了。这听起来可能有点复杂,但是在可热部署应用的Web应用引擎早期就出现了(如Tomcat,最早发布于1999年)。每个Web应用程序都绑定到 Servlet API的某个版本上,当其停止时,装载该Web应用的类加载器也就废弃掉了。当Web应用重新被部署时,又创建了一个新的类加载器,新版类就由其装载。只要servlet引擎没有保持对老版应用的引用,这些类就像其他Java对象一样被垃圾回收器回收了。
    并不是所有的类库都能意识到Java代码中可能存在类泄漏的问题,就像是内存泄漏。一个典型的例子就是Log4J的addAppender()调用,一旦其执行了,将会把你的类绑定在Log4J bundle的生命周期上。即使你的bundle停止了,Log4J仍将维对appender的引用,并继续发送日志事件(除非该bundle在停止时恰当地调用了removeAppender()方法)。
     
    查找和绑定
     
    为了成为动态,我们需要有一个能查找服务的机制,而不是持久持有他们(以免bundle停止)。这是通过使用简单Java接口和POJO来实现的,也就是大家所熟知的services(注意他们与WS-DeathStar或其他任何XML底层架构都没有关系;他们就是普通Java对象——Plain Old Java Objects)。
     
    典型工厂实现方式是使用从properties文件中获取的某种形式的类名,然后用Class.forName()来实例化相应的类,OSGi则不同,它 维护了一个‘服务注册器’,其实这是一个包含了类名和服务的映射列表。这样,OSGi系统就可以使用 context.getService(getServiceReference("java.sql.Driver")),而不是 class.forName("com.example.JDBCDriver")来获取一个JDBC驱动器。这就把client代码解放出来了,它不需 知道任何特定客户端实现;相反,它可以在运行时绑定任何可用驱动程序。移植到不同的数据库服务器也就非常简单了,只需停止一个模块并启动一个新模 块;client甚至不需要重新启动,也不需要改变任何配置。
     
    这样做是因为client只需知道其所需的服务的API(基本上都是接口,尽管OSGi规范允许使用其他类)。在上述情况中,接口名是 java.sql.Driver;返回的接口实例是具体的数据库实现(不必了解是哪些类,编码在那里)。此外,如果服务不可用(数据库不存在,或数据库临 时停掉了),那么这个方法会返回null以说明该服务不可用。
     
    为了完全动态,返回结果不应被缓存。换句话说,每当需要服务的时候,需要重新调用getService。框架会在底层执行缓存操作,因此不存在太大的性能 问题。但重要的是,它允许数据库服务在线被替换成新的服务,如果没有缓存代码,那么下次调用时,client将透明地绑定到新服务上。
     
    付诸实施
     
    为了证明这一点,我们将创建一个用于缩写URL的OSGi服务。其思路是服务接收一个长URL,如http://www.example.com/articles/modular-java-what-is-it,将其转换为短点的URL,如http://tr.im/EyH1。该服务也可以被广泛应用在Twitter这样的站点上,还可以用它来把长URL转成短的这样便签背后也写得下。甚至像《新科学家》和《Macworld》这样的杂志也是用这些短URL来印刷媒体链接的。
     
    为了实现该服务,我们需要:
     
    ◆一个缩写服务的接口
    ◆一个注册为缩写实现的bundle
    ◆一个验证用client
     
    尽管并没有禁止把这些东西都放在同一个bundle中,但是我们还是把他们分别放在不同的bundle里。(即便他们在一个bundle中,最好也让bundle通过服务来通讯,就好像他们处于不同的bundle一样;这样他们就可以方便地与其他服务提供者进行集成。
     
    把缩写服务接口与其实现(或client)分开放在单独bundle中是很重要的。该接口代表了client和server之间的‘共享代码’,这样,该 接口在每个bundle中都会加载。正因如此,每个bundle实际上都被固定到了该接口特定版本上,所有服务都有共同的生命周期,将接口放在单独 bundle中(在整个OSGi VM生命周期中都在运行),我们的client就可以自由变化。如果我们把该接口放在某个服务实现的bundle中,那么该服务发生变化后我们就不能重新 连接到client上了。
     
    shorten接口的manifest和实现如下:
     
    Bundle-ManifestVersion: 2 
    Bundle-Name: Shorten  
    Bundle-SymbolicName: com.infoq.shorten  
    Bundle-Version: 1.0.0 
    Export-Package: com.infoq.shorten  
    ---   
    package com.infoq.shorten;  
     
    public interface IShorten {  
        public String shorten(String url) throws IOException;  
    上面的例子建立了一个拥有单一接口(com.infoq.shorten.IShorten)的bundle(com.infoq.shorten),并将其输出给client。参数是一个URL,返回一个唯一的压缩版URL。
     
    和接口定义相比,实现就相对有趣一些了。尽管最近缩写名称的应用开始多起来了,但是所有这些应用的祖师爷都是 TinyURL.com。(具有讽刺意味的是,http://tinyurl.com实际上可以被压缩的更短http://ow.ly/AvnC)。如今比较流行有:ow.ly、bit.ly、tr.im等等。这里并不是对这些服务全面介绍,也不是为其背书,我们的实现也可以使用其他同类服务。本文之所以使用TinyURL和Tr.im,是由于他们都可以匿名基于GET提交,易于实现,除此之外没有其他原因。
     
    每种实现实际上都非常小;都以URL为参数(要缩写的东西)并返回新的压缩过的文本:
     
    package com.infoq.shorten.tinyurl;  
    import java.io.BufferedReader;  
    import java.io.InputStreamReader;  
    import java.net.URL;  
    import com.infoq.shorten.IShorten;  
     
    public class TinyURL implements IShorten {  
        private static final String lookup =   
            "http://tinyurl.com/api-create.php?url=";  
        public String shorten(String url) throws IOException {  
            String line = new BufferedReader(  
                new InputStreamReader(  
                    new URL(lookup + url).openStream())).readLine();  
            if(line == null)  
                throw new IllegalArgumentException(   
                    "Could not shorten " + url);  
            return line;  
        }  
    Tr.im的实现类似,只需用http://api.tr.im/v1/trim_simple?url=替代lookup的值即可。这两种实现的源代码分别在com.infoq.shorten.tinyurl和com.infoq.shorten.trim bundle里。
     
    那么,完成缩写服务的实现后,我们如何让其他程序访问它呢?为此,我们需要把实现注册为OSGi框架的服务。BundleContext类的registerService(class,instance,properties)方法可以让我们定义一个服务以供后用,该方法通常在bundle的start()调用期间被调用。如上篇文章所讲,我们必须定义一个BundleActivator。实现该类后,我们还要把Bundle-Activator放在MANIFEST.MF里以便找到该实现。代码如下:
     
    Manifest-Version: 1.0 
    Bundle-ManifestVersion: 2 
    Bundle-Name: TinyURL  
    Bundle-SymbolicName: com.infoq.shorten.tinyurl  
    Bundle-Version: 1.0.0 
    Import-Package: com.infoq.shorten,org.osgi.framework  
    Bundle-Activator: com.infoq.shorten.tinyurl.Activator  
    ---  
    package com.infoq.shorten.tinyurl;  
    import org.osgi.framework.BundleActivator;  
    import org.osgi.framework.BundleContext;  
    import com.infoq.shorten.IShorten;  
     
    public class Activator implements BundleActivator {  
        public void start(BundleContext context) {  
            context.registerService(IShorten.class.getName(),  
                new TinyURL(),null);  
        }  
        public void stop(BundleContext context) {  
        }  
    尽管registerService()方法接收一个字符串作为其第一个参数,而且用"com.infoq.shorten.IShorten"也是可以的,但是最好还是用class.class.getName()这种形式,这样如果你重构了包或改变了类名,在编译时就可发现问题。如果用字符串,进行了错误的重构,那么只有在运行时你才能知道问题所在。
     
    registerService()的第二个参数是实例本身。之所以将其与第一个参数分开,是因为你可以将同一个服务实例输出给多个服务接口(如果需要带有版本的API,这就有用了,你可以进化接口了)。另外,一个bundle输出同一类型的多个服务也是有可能的。
     
    最后一个参数是服务属性(service properties)。允许你给服务加上额外元数据注解,比如标注优先级以表明该服务相对于其他服务的重要性,或者调用者关心的其他信息(比如功能描述和厂商)。
     
    只要该bundle一启动,缩写服务就可用了。当bundle停止,框架将自动取消服务注册。如果我们想要自己取消注册(比方说,对错误代码和网络接口不可用所作出的响应)也很容易(用context.unregisterService())。
     
    使用服务
     
    一旦服务起来并运行之后,我们就可以用client访问它了。如果运行的是Equinox,你可以用services命令罗列所有已安装的服务,以及它们是由谁注册的:
     
    {com.infoq.shorten.IShorten}={service.id=27}  
      Registered by bundle: com.infoq.shorten.trim-1.0.0 [1]  
      No bundles using service.  
    {com.infoq.shorten.IShorten}={service.id=28}  
      Registered by bundle: com.infoq.shorten.tinyurl-1.0.0 [2]  
      No bundles using service. 
    在调用服务处理URL之前,client需要解析服务。我们需要获得一个服务引用,它可以让我们查看服务自身内部的属性,然后利用其来获得我们感兴趣的服务。可是,我们需要能够重复处理相同及不同的URL,以便我们可以把它集成到Equinox或Felix的shell里。实现如下:
     
    package com.infoq.shorten.command;  
    import org.osgi.framework.BundleContext;  
    import org.osgi.framework.ServiceReference;  
    import com.infoq.shorten.IShorten;  
     
    public class ShortenCommand {  
        protected BundleContext context;  
        public ShortenCommand(BundleContext context) {  
            this.context = context;  
        }  
        protected String shorten(String url) throws IllegalArgumentException, IOException {  
            ServiceReference ref =  
                context.getServiceReference(IShorten.class.getName());  
            if(ref == null)  
                return null;  
            IShorten shorten = (IShorten) context.getService(ref);  
            if(shorten == null)  
                return null;  
            return shorten.shorten(url);  
        }  
    当shorten方法被调用时,上面这段程序将查找服务引用并获得服务对象。然后我们可以把服务对象赋值给一个IShorten对象,并使用它与前面讲到 的已注册服务进行交互。注意这些都是在同一个VM中发生的;没有远程调用,没有强制异常,没有参数被序列化;只是一个POJO与另一个POJO对话。实际 上,这里与最开始class.forName()例子的唯一区别是:我们如何获得shorten POJO。
     
    为了在Equinox和Felix里面使用这一服务,我们需要放一些样板代码进去。必须提一下,当我们定义manifest时,我们可以在Felix和 Equinox命令行上声明可选依赖,这样,当我们两者中任何一个安装之后,我们就可以运行了。(一个更好的解决方案是将其部署为单独的bundles, 这样我们可以去掉选项;但是如果bundle不存在,activator将会失败,因此无法启动)。Equinox和Felix特定命令的源代码在com.infoq.shorten.command bundle中。
     
    如果我们安装了命令client bundle,我们将得到一个新命令,shorten,通过OSGi shell可以调用它。要运行该命令,需要先执行java -jar equinox.jar -console -noExit或java -jar bin/felix.jar,然后安装bundle,之后你就可以使用该命令了:
     
    java -jar org.eclipse.osgi_* -console -noExit  
    osgi> install file:///tmp/com.infoq.shorten-1.0.0.jar  
    Bundle id is 1 
    osgi> install file:///tmp/com.infoq.shorten.command-1.0.0.jar  
    Bundle id is 2 
    osgi> install file:///tmp/com.infoq.shorten.tinyurl-1.0.0.jar  
    Bundle id is 3 
    osgi> install file:///tmp/com.infoq.shorten.trim-1.0.0.jar  
    Bundle id is 4 
    osgi> start 1 2 3 4 
    osgi> shorten http://www.infoq.com  
    http://tinyurl.com/yr2jrn  
    osgi> stop 3 
    osgi> shorten http://www.infoq.com  
    http://tr.im/Eza8 
    注意,在运行时TinyURL和Tr.im服务都是可用的,但是一次只能使用一种服务。可以设置一个服务级别(service ranking), 这是一个整数,取值范围在Integer.MIN_VALUE和Integer.MAX_VALUE之间,当服务最初注册时给 Constants.SERVICE_RANKING赋予相应值。值越大表示级别越高,当需要服务时,会返回最高级别的服务。如果没有服务级别(默认值为 0),或者多个服务的服务级别相同,那么就使用自动分配的Constants.SERVICE_PID,可能是任意顺序的一个服务。
     
    另一个需注意的问题是:当我们停止一个服务时,client会自动失败转移到列表中的下一个服务。每当该命令执行时,它会获取(当前)服务来处理URL压 缩需求。如果在运行期间服务提供程序发生了变化,不会影响命令的使用,只要有此需求时有服务在就成。(如果你停止了所有服务提供程序,服务查找将返回 null,这将会打印出相应的错误信息——好的代码应该确保程序能够预防返回服务引用为null的情况发生。)
     
    服务跟踪
     
    除过每次查询服务外,还可以用ServiceTracker来代替做这一工作。这就跳过了中间获得ServiceReference的几步,但是要求你在构造之后调用open,以便开始跟踪服务。
     
    对于ServiceReference,可以调用getService()获得服务实例。而waitForService()则在服务不可用时阻塞一段时间(根据指定的timeout。如果timeout为0,则永远阻塞)。我们可以如下重新实现shorten命令:
     
    package com.infoq.shorten.command;  
     
    import java.io.IOException;  
    import org.osgi.framework.BundleContext;  
    import org.osgi.util.tracker.ServiceTracker;  
    import com.infoq.shorten.IShorten;  
     
    public class ShortenCommand {  
        protected ServiceTracker tracker;  
        public ShortenCommand(BundleContext context) {  
            this.tracker = new ServiceTracker(context,  
                IShorten.class.getName(),null);  
            this.tracker.open();  
        }  
        protected String shorten(String url) throws IllegalArgumentException,  
                IOException {  
            try {  
                IShorten shorten = (IShorten)  
                    tracker.waitForService(1000);  
                if (shorten == null)  
                    return null;  
                return shorten.shorten(url);  
            } catch (InterruptedException e) {  
                return null;  
            }  
        }  
    使用Service Tracker的常见问题是在构造后忘记了调用open()。除此之外,还必须在MANIFEST.MF内部引入org.osgi.util.tracker包。
     
    使用ServiceTracker来管理服务依赖通常被认为是管理关系的好方法。在没有使用服务的情况下,查找已输出的服务稍微有点复杂:比 如,ServiceReference在其被解析为一个服务之前突然变得不可用了。存在一个ServiceReference的原因是,相同实例能够在多 个bundle间共享,而且它可以被用来基于某些标准(手工)过滤服务。而且,它还可以使用过滤器来限制可用服务的集合。
     
    服务属性和过滤器
     
    当一个服务注册时,可以将服务属性一起注册。大多情况下属性可以为null,但是也可以提供OSGi特定或关于URL的通用属性。例如,我们想给服务分级 以便区分优先级。我们可以注册Constants.SERVICE_RANKING(代表优先级的数值),作为最初注册过程的一部分。我们可能还想放一些 client想知道的元数据,比如服务的主页在哪儿,该站点的条款链接。为达此目的,我们需要修改activator:
     
    public class Activator implements BundleActivator {  
        public void start(BundleContext context) {  
            Hashtable properties = new Hashtable();  
            properties.put(Constants.SERVICE_RANKING, 10);  
            properties.put(Constants.SERVICE_VENDOR, "http://tr.im");  
            properties.put("home.page", "http://tr.im");  
            properties.put("FAQ", "http://tr.im/website/faqs");  
            context.registerService(IShorten.class.getName(),  
                new Trim(), properties);  
        }  
    ...  
    服务级别自动由ServiceTracker及其他对象来管理,但也可以用特定条件来过滤。Filter是由LDAP风格的过滤器改编而来的,其使用了一种前缀表示法(prefix notation)来 执行多个过滤。虽然多数情况下你想提供类的名字(Constants.OBJECTCLASS),但你也可以对值进行检验(包括限制连续变量的取值范 围)。Filter是通过BundleContext创建的;如果你想跟踪实现了IShorten接口的服务,并且定义一个FAQ,我们可以这样做:
     
    ...  
    public class ShortenCommand  
        public ShortenCommand(BundleContext context) {  
            Filter filter = context.createFilter("(&" +  
                "(objectClass=com.infoq.shorten.IShorten)" +  
                "(FAQ=*))");  
            this.tracker = new ServiceTracker(context,filter,null);  
            this.tracker.open();  
        }  
        ...  
    在定义服务时可以被过滤或可以设置的标准属性包括:
     
    ◆service.ranking (Constants.SERVICE_RANKING) - 整数,可以区分服务优先级
    ◆service.id (Constants.SERVICE_ID) - 整数,在服务被注册时由框架自动设置
    ◆service.vendor (Constants.SERVICE_VENDOR) - 字符串,表明服务出自谁手
    ◆service.pid (Constants.SERVICE_PID) - 字符串,代表服务的PID(persistent identifier)
    ◆service.description (Constants.SERVICE_DESCRIPTION) - 服务的描述
    ◆objectClass (Constants.OBJECTCLASS) - 接口列表,服务被注册在哪些接口下
     
    过滤器语法在OSGi核心规范的 3.2.7节 “Filter syntax”中有定义。最基本的,它允许如等于(=)、约等于(~=)、大于等于、小于等于以及子字符串比较等操作符。括号将过流器分组,并且可以结合 使用“&”、“|” 或“!”分别代表and、or和not。属性名不是大小写敏感的,值可能是(如果不用~=作比的话)。“*”是通配符,可用来支持子字符串匹配,比如 com.infoq.*.*。
     
    总结
     
    本文中,我们介绍了如何使用服务进行bundle间通信,以替代直接类引用的方法。服务可以让模块系统动态化,这样就能应对在运行时服务的变化问题。我们 还接触到了服务级别、属性及过滤器,并使用标准服务跟踪器来更容易的访问服务并跟踪变化的服务。
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