基于LBS的跑步軟件設(shè)計(jì)

肖遠(yuǎn)東

（福建師范大學(xué)軟件學(xué)院，福建福州350108）

基于LBS的跑步軟件設(shè)計(jì)

肖遠(yuǎn)東

（福建師范大學(xué)軟件學(xué)院，福建福州350108）

以LBS為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求，利用J2EE相關(guān)技術(shù)搭建服務(wù)器，并基于iOS操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款集跑步和社交應(yīng)用于一體的跑步軟件，實(shí)現(xiàn)了以移動(dòng)終端為前臺(tái)，以Web架構(gòu)為后臺(tái)服務(wù)的典型移動(dòng)應(yīng)用。根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果提出了改進(jìn)方案。該應(yīng)用程序的系統(tǒng)架構(gòu)、測(cè)試優(yōu)化，對(duì)于移動(dòng)APP的開(kāi)發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

LBS；跑步軟件；移動(dòng)應(yīng)用；開(kāi)發(fā)架構(gòu)

0 引言

隨著3G網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，移動(dòng)位置服務(wù)（Location Based Service，LBS）有望成為3G時(shí)代的核心業(yè)務(wù)之一［1］。LBS促使移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)再次進(jìn)化，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的普及帶來(lái)的廣大用戶群體，給LBS領(lǐng)域帶來(lái)了巨大的商機(jī)［2］。本文設(shè)計(jì)的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)出一套跑步軟件，該系列中不同版本軟件既獨(dú)立運(yùn)行又進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。本文設(shè)計(jì)的軟件系列中的主要產(chǎn)品是酷跑主版本軟件（以下簡(jiǎn)稱：“主版本”），開(kāi)發(fā)完成主版本之后根據(jù)特定的組織機(jī)構(gòu)定制不同版本，如針對(duì)院校定制院校版本，針對(duì)賽事組織定制競(jìng)賽版等。

本跑步軟件提供的服務(wù)是一種LBS，通過(guò)用戶手機(jī)或者其他移動(dòng)設(shè)備采集用戶位置信息，再上傳用戶位置信息給服務(wù)器以獲得增值服務(wù)。軟件中也集成了社區(qū)互動(dòng)功能，給同樣有跑步興趣的用戶提供交流平臺(tái)和比賽平臺(tái)，提高用戶忠誠(chéng)度［3］。軟件的核心目標(biāo)是為用戶跑步服務(wù)，但是除了跑步之外可以提供額外服務(wù)，比如：用戶使用軟件即可在地圖上獲得好友當(dāng)前位置和行進(jìn)路線；團(tuán)隊(duì)活動(dòng)不易控制，而同樣通過(guò)地圖，即可獲得團(tuán)隊(duì)所有人的位置和動(dòng)向。本課題中開(kāi)發(fā)的軟件分為移動(dòng)終端和服務(wù)器，移動(dòng)終端搭建于iOS平臺(tái)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用經(jīng)典B∕S與C∕S結(jié)合的架構(gòu)方式，搭建Web服務(wù)器并提供Web頁(yè)面，同時(shí)用戶也可使用iOS智能操作系統(tǒng)終端安裝軟件進(jìn)行服務(wù)的使用。該設(shè)計(jì)服務(wù)器搭建于Linux平臺(tái)，采用Tomcat作為Web服務(wù)器，選擇體積小、速度快、總體擁有成本低的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL作為數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)［4］。本系統(tǒng)中客戶端與服務(wù)器采用的通信協(xié)議是HTTP協(xié)議，采用的數(shù)據(jù)交換格式為JSON格式。典型的通信請(qǐng)求如下：

http：//IP：8080∕project∕getList.do？application=xxxxxx&userId=123；典型的數(shù)據(jù)交換格式如下：

｛“size”：3，“l(fā)ist”：［｛“id”：2，“name”：“張三”｝，｛“id”：3，“name”：“李四”｝，｛“id”：4，“name”：“王五”｝］｝。

1.1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)主要包含點(diǎn)評(píng)記錄、實(shí)時(shí)路線記錄、路線記錄、收藏記錄、人員、人員關(guān)系、評(píng)論記錄、消息等數(shù)據(jù)表。各數(shù)據(jù)表之間的關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 數(shù)據(jù)表關(guān)系圖Fig.1 Relational graph of data table

1.2 服務(wù)器設(shè)計(jì)

服務(wù)器采用的架構(gòu)為Struts+Spring的Web應(yīng)用程序開(kāi)源集成框架。Struts1是第一款真正采用MVC結(jié)構(gòu)架構(gòu)的Web框架，采用Struts能有效減少運(yùn)用MVC設(shè)計(jì)模型來(lái)開(kāi)發(fā)Web應(yīng)用的時(shí)間［5］。Spring是開(kāi)源框架，能有效支持項(xiàng)目業(yè)務(wù)層。本項(xiàng)目中使用Spring的容器技術(shù)、事務(wù)管理技術(shù)等對(duì)業(yè)務(wù)層提供支持，簡(jiǎn)化業(yè)務(wù)邏輯處理，加快開(kāi)發(fā)進(jìn)度。服務(wù)器主要分為：用戶管理、路線管理、關(guān)系管理3個(gè)模塊。用戶管理主要負(fù)責(zé)處理注冊(cè)、登錄等用戶相關(guān)操作；路線管理對(duì)用戶的跑步路線進(jìn)行存儲(chǔ)、排行等業(yè)務(wù)邏輯的處理；關(guān)系管理則負(fù)責(zé)用戶間的關(guān)系和社交功能。

1.2.1 用戶管理模塊用戶管理中最主要是登錄功能，它將驗(yàn)證用戶的登錄名和密碼是否正確。典型系統(tǒng)輸入如下：

http：//IP：8080∕project∕login.do？application=xxxxxx&password=******&name=liu@126.com；

其中application標(biāo)識(shí)應(yīng)用程序號(hào)，password標(biāo)識(shí)用戶密碼（不可為空），name標(biāo)識(shí)用戶登錄名，它可以是手機(jī)號(hào)或郵箱地址。該輸入將通過(guò)Struts框架送入login.action，系統(tǒng)將訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取數(shù)據(jù)并驗(yàn)證登錄名和密碼是否正確。業(yè)務(wù)邏輯結(jié)束后，服務(wù)器將返回JSON格式的數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 登錄接口服務(wù)器返回?cái)?shù)據(jù)Tab.1Return data of server for login interface

1.2.2路線管理模塊該模塊負(fù)責(zé)路線上傳、歷史路線查詢、路線排行的業(yè)務(wù)邏輯處理。路線上傳分為兩類：①上傳一條完整路線，此時(shí)前臺(tái)沒(méi)有路線ID，參數(shù)中路線ID置為-1，參數(shù)中需要攜帶完整路線的GPS坐標(biāo)；②終結(jié)一條實(shí)時(shí)上傳的路線，此時(shí)前臺(tái)有路線ID值（實(shí)時(shí)上傳時(shí)后臺(tái)返回的路線ID），參數(shù)中的路線ID必須有效。coordinates可以為空，也可以有最后一段還未上傳的實(shí)時(shí)路線GPS坐標(biāo)集（該部分如果不為空會(huì)當(dāng)做實(shí)時(shí)路線的一部分添加到路線中）。典型的系統(tǒng)輸入如下（routeId標(biāo)識(shí)路線ID，coordinates存儲(chǔ)坐標(biāo)集合，length代表路線長(zhǎng)度，timespan代表耗時(shí)）：

http：//IP：8080∕project∕upload.do？application=xxxxxx&id=123&routeId=30&length=2333.45×pan= 234.12&start Time=2011-11-4 10：20：35&stopTime=2011-11-4 12：30：23¤tTime=2011-12-1 12：23：34&coordinates=32.125426，78.569586；

服務(wù)器將返回status標(biāo)識(shí)上傳結(jié)果（成功或失?。?/p>

1.2.3 關(guān)系管理模塊該模塊主要處理好友關(guān)系、排行榜等用戶之間的各類關(guān)系。人員關(guān)系將存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)表中，系統(tǒng)將依據(jù)該表中與用戶相關(guān)的關(guān)系和狀態(tài)信息，列出用戶好友列表。此外，排行榜功能可以依據(jù)里程數(shù)、速度等信息進(jìn)行排序，而篩選時(shí)間單位也可以是年、月、日。典型的系統(tǒng)輸入如下：

http：//IP：8080∕project∕heros.do？application=xxxxxx&id=123&code=1100000&sortType=2&timeType= 2&size=20；

其中application標(biāo)識(shí)應(yīng)用程序號(hào)，id標(biāo)識(shí)用戶的人員ID，code標(biāo)識(shí)地區(qū)代碼，sortType標(biāo)識(shí)排序類型，timeType標(biāo)識(shí)時(shí)間篩選類型，size則標(biāo)識(shí)請(qǐng)求排行數(shù)，默認(rèn)為前20。

1.3 客戶端設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)客戶端基于iOS操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖2?？蛻舳塑浖饕譃閁I模塊、業(yè)務(wù)邏輯處理模塊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模塊。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模塊使用NSStream類處理與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互；業(yè)務(wù)邏輯處理模塊則用于完成用戶間關(guān)系、路線管理、個(gè)人資料、消息等復(fù)雜業(yè)務(wù)的處理，涉及數(shù)據(jù)交互的業(yè)務(wù)將調(diào)用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模塊；UI模塊提供用戶操作界面并響應(yīng)用戶選擇，將用戶操作命令下發(fā)至業(yè)務(wù)邏輯模塊處理。

圖2 客戶端軟件架構(gòu)Fig.2 Software architecture of client

客戶端主要功能有酷跑、英雄榜、跑友、路線?？崤茼?yè)面是用戶跑步時(shí)的實(shí)時(shí)跑步數(shù)據(jù)和地圖路線顯示（見(jiàn)圖3）。英雄榜頁(yè)面顯示用戶和好友跑步成績(jī)的排行榜，用戶可以根據(jù)地區(qū)、里程數(shù)等信息進(jìn)行篩選排序（見(jiàn)圖4）。跑友頁(yè)面顯示用戶查看跑友跑步情況，是交友、互動(dòng)交流平臺(tái)。用戶可以根據(jù)ID搜索跑友，或者查詢附近的跑友，還可以添加系統(tǒng)推薦的相關(guān)跑友，還可以根據(jù)通訊錄添加已注冊(cè)的朋友作為跑友（見(jiàn)圖5）。路線頁(yè)面則顯示平臺(tái)上跑友分享和推薦的路線，用戶可進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和啟動(dòng)該路線進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。

圖3 酷跑頁(yè)面Fig.3 Running page

圖4 英雄榜頁(yè)面Fig.4 Heroes page

圖5 跑友頁(yè)面Fig.5 Friends page

2 架構(gòu)優(yōu)化

2.1 列表請(qǐng)求優(yōu)化

2.1.1 列表請(qǐng)求系統(tǒng)問(wèn)題在本項(xiàng)目客戶端中有許多列表請(qǐng)求，如跑友列表、路線列表等。列表生成需要消耗較多性能，因?yàn)樗ǔＰ枰獙?duì)較多數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)、歸類和排序等操作，同時(shí)數(shù)據(jù)還可能附帶圖片。大部分系統(tǒng)對(duì)于列表的處理采用以下方式：服務(wù)器完成列表處理并將它交給客戶端，客戶端在顯示列表的同時(shí)對(duì)所需的圖片進(jìn)行并發(fā)請(qǐng)求。此方法導(dǎo)致服務(wù)器壓力集中，容易造成阻塞。服務(wù)器在列表生成后，需要立即處理圖片請(qǐng)求，雖然圖片請(qǐng)求不耗費(fèi)計(jì)算性能，但圖片傳輸耗時(shí)較長(zhǎng)，且需磁盤(pán)高I∕O，在服務(wù)器繁忙狀態(tài)下很可能對(duì)其他用戶請(qǐng)求的響應(yīng)產(chǎn)生影響。因此，此類請(qǐng)求是性能消耗高的請(qǐng)求，需對(duì)此進(jìn)行優(yōu)化。

2.1.2 列表請(qǐng)求優(yōu)化方法以用戶信息和頭像圖標(biāo)為例，常規(guī)做法如圖6所示：將用戶基本信息以及圖片存儲(chǔ)于同一數(shù)據(jù)庫(kù)表中。該方法存在的最大問(wèn)題如下：用戶信息一般只有幾百字節(jié)，而頭像圖片則在10kB以上，因此，經(jīng)常查詢的用戶基本信息會(huì)“淹沒(méi)”在頭像數(shù)據(jù)中，導(dǎo)致查詢速度降低。

另一種方法是將用戶基本信息和頭像分開(kāi)保存，它可以加快用戶基本信息的查詢，雖然提高了查詢信息速度，但出現(xiàn)新的問(wèn)題：請(qǐng)求列表和請(qǐng)求圖片使用同一數(shù)據(jù)庫(kù)連接池，圖片I∕O會(huì)占用較多數(shù)據(jù)庫(kù)連接和較長(zhǎng)時(shí)間。

圖6 信息保存在同數(shù)據(jù)庫(kù)同表中Fig.6 Information stored in the same table and the same database

圖7中的設(shè)計(jì)將核心服務(wù)和圖片服務(wù)部署在兩臺(tái)不同服務(wù)器上。就列表請(qǐng)求和圖片請(qǐng)求兩種請(qǐng)求而言，列表請(qǐng)求是核心業(yè)務(wù)，而圖片請(qǐng)求是為了增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，所以應(yīng)優(yōu)先滿足核心業(yè)務(wù)，將圖片請(qǐng)求的壓力集中到圖片服務(wù)器。此外，還可以根據(jù)用戶請(qǐng)求量調(diào)整圖片服務(wù)器數(shù)量。此設(shè)計(jì)有利于在系統(tǒng)較為繁忙的情況下，核心服務(wù)器及時(shí)響應(yīng)生成列表，盡管客戶端的圖片顯示較慢，但能及時(shí)生成列表。

圖7 核心服務(wù)和圖片服務(wù)部署在兩臺(tái)不同服務(wù)器Fig.7 Core services and photo services deployed on two different servers

采用該設(shè)計(jì)方式，對(duì)服務(wù)器而言，只需增加一臺(tái)圖片服務(wù)器，不會(huì)增加開(kāi)發(fā)工作量；對(duì)客戶端而言，只需區(qū)分核心服務(wù)器和圖片服務(wù)器的地址，不造成客戶端壓力，不影響流量；考慮收益，此方案利于長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，當(dāng)用戶數(shù)增加時(shí)，可根據(jù)壓力分析增加服務(wù)器數(shù)量來(lái)快速提升響應(yīng)速度。

2.2 壓縮合并連接

2.2.1 壓縮合并連接系統(tǒng)問(wèn)題在本設(shè)計(jì)中客戶端需要與服務(wù)器大量進(jìn)行交互，服務(wù)器同一時(shí)刻能響應(yīng)的連接數(shù)有限，若連接過(guò)多會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器連接阻塞或者響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。若能在不影響業(yè)務(wù)的情況下有效減少客戶端和服務(wù)器的連接數(shù)，就能有效增加服務(wù)器的吞吐量。

2.2.2 壓縮合并連接優(yōu)化方法本設(shè)計(jì)中的“多人同跑”功能中有兩個(gè)頻繁請(qǐng)求：一是上傳用戶當(dāng)前坐標(biāo)連接，二是下載其他同跑者坐標(biāo)連接。在同跑開(kāi)始后，這兩類連接以相同頻率進(jìn)行請(qǐng)求才能發(fā)揮較好效果，因?yàn)樯蟼黝l率大于下載頻率或者下載頻率大于上傳頻率都會(huì)降低效率，做無(wú)用請(qǐng)求。假定上傳和下載的周期定為3 s，同時(shí)1 000人進(jìn)行同跑，那么在3 s內(nèi)會(huì)有1 000個(gè)上傳連接和1 000個(gè)下載連接，服務(wù)器需要承受2 000個(gè)連接。

假設(shè)上傳連接為：http：//IP∕project∕upload.do？userId=23&coordinate=26.026013，119.211788；客戶端響應(yīng)為：｛“status”：0｝；下載連接為：http：//IP∕project∕download.do？userId=23&teamId=23；服務(wù)器響應(yīng)為：｛“size”：2，“l(fā)ist”：［｛“userId”：1，“userName”：“張三”，“coordinate”：“26.026014，119.211788”｝，｛“userId”：2，“userName”：“李四”，30“coordinate”：“26.026012，119.211789”｝］｝。

在1 000人同跑時(shí)服務(wù)器收到1 000個(gè)上傳數(shù)據(jù)和1 000個(gè)下載數(shù)據(jù)請(qǐng)求，并分別做出響應(yīng)。若將上傳連接和下載連接壓縮合并為同一個(gè)連接，將上傳和下載的請(qǐng)求定義為：http：//IP∕project∕upload?AndDownload.do？userId=23&teamId=23&coordinate=26.026013，119.211788，服務(wù)器響應(yīng)為：｛“status”：0，“size”：2，“l(fā)ist”：［｛“userId”：1，“userName”：“張三”，“coordinate”：“26.026014，119.211788”｝，｛“userId”：2，“userName”：“李四”，“coordinate”：“26.026012，119.211789”｝］｝。

采用此設(shè)計(jì)方式之后，在3 s內(nèi)只會(huì)有1 000個(gè)連接，服務(wù)器只需承受1 000個(gè)連接。由此可以看出采用合并連接之后服務(wù)器的連接數(shù)減少了50%，雖然沒(méi)有減少數(shù)據(jù)流量和后臺(tái)工作量，但是減少了服務(wù)器的連接數(shù)，增強(qiáng)了其吞吐量。

3 測(cè)試

3.1 測(cè)試環(huán)境

測(cè)試工具：LoadRunner；服務(wù)器操作系統(tǒng)：Linux；Web服務(wù)器：Tomcat 6.0.30；數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器：MySQL 5.1。

3.2 測(cè)試目的及方法

使用LoadRunner腳本模擬5 000個(gè)并發(fā)對(duì)Tomcat服務(wù)器的多人同跑接口持續(xù)進(jìn)行并發(fā)訪問(wèn)（上傳坐標(biāo)和下載同跑者坐標(biāo)），同時(shí)采用LoadRunner對(duì)服務(wù)器響應(yīng)時(shí)間、并發(fā)數(shù)、CPU狀態(tài)、內(nèi)存狀態(tài)、磁盤(pán)I∕O狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.3 測(cè)試結(jié)果及分析

圖8為系統(tǒng)接口響應(yīng)時(shí)間與測(cè)試時(shí)間關(guān)系圖。圖9為當(dāng)前系統(tǒng)存在的并發(fā)數(shù)與測(cè)試時(shí)間關(guān)系圖。

從圖8中可以看出在并發(fā)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間突增，響應(yīng)時(shí)間升至0.001 8 s，此時(shí)，從圖9可以分析出此時(shí)的并發(fā)數(shù)大約為4 200。如圖8所示，在響應(yīng)時(shí)間增大后，系統(tǒng)再次分配計(jì)算機(jī)資源以及進(jìn)行負(fù)載平衡處理，在7.5 min左右，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間降至0.000 2 s。

圖8 多人同跑接口響應(yīng)時(shí)間與測(cè)試時(shí)間關(guān)系圖Fig.8 Relationship of response time and elapsed time for multi person running simultaneously

圖9 連接數(shù)量與測(cè)試時(shí)間關(guān)系圖Fig.9 Relationship of session number and elapsed time

3.4 瓶頸分析

根據(jù)CPU、磁盤(pán)與時(shí)間數(shù)據(jù)分析得知CPU的利用率非常低，不造成系統(tǒng)瓶頸。但CPU Wait較大，即CPU等待時(shí)間較長(zhǎng)，造成相應(yīng)事務(wù)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。磁盤(pán)I∕O占用率在虛擬用戶數(shù)達(dá)到5 000左右時(shí)突增。而同時(shí)期MemoryFree的占有率持續(xù)在87.5%以上，5 000用戶并發(fā)操作時(shí)網(wǎng)絡(luò)I∕O不高，因此判定Memory和網(wǎng)絡(luò)I∕O也不是造成系統(tǒng)瓶頸的原因，從磁盤(pán)I∕O率數(shù)據(jù)反應(yīng)并發(fā)壓力主要集中在Tomcat和數(shù)據(jù)庫(kù)部署磁盤(pán)中。因此，造成瓶頸的主要問(wèn)題是：多人同跑接口頻繁操作數(shù)據(jù)庫(kù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先介紹了LBS的發(fā)展現(xiàn)狀，根據(jù)項(xiàng)目需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于LBS的跑步APP和Web服務(wù)器。同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)，分析項(xiàng)目中所存在的問(wèn)題并提出改進(jìn)方案。最后，以接口測(cè)試為主，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)接口和系統(tǒng)的瓶頸。本系統(tǒng)支持大數(shù)量客戶端同時(shí)使用，具有響應(yīng)速度快、資源消耗少等特點(diǎn)，能夠?yàn)閷?shí)際活動(dòng)使用提供很好的支持。

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（責(zé)任編輯：曾婷）

Design of a Running Software Based on LBS

XIAO Yuandong
（School of Software，F(xiàn)ujian Normal University，F(xiàn)uzhou 350108，F(xiàn)ujian，China）

Based on LBS，in accordance with requirement of real project，uses J2EE relevant tech?nology to construct the server,and designs the running software integrated running into social inter?course based on iOS operation system.Realizes the typical mobile application with mobile terminal as proscenium and Web architecture as background server.Proposes the improved scheme according to real test results.The system architecture and test optimization of the application program have ref?erence to the development of mobile APP.

LBS；running software；mobile application；development architecture

TP393

A

1673-0143（2014）04-0045-07

2014-03-30

肖遠(yuǎn)東（1989—），男，碩士生，研究方向：移動(dòng)平臺(tái)與嵌入式系統(tǒng)。