插件虛擬機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

劉洪蕾，丁香乾，侯瑞春

（中國海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100）

虛擬機(jī)并不是新技術(shù)，早在20世紀(jì)六七十年代，IBM研究中心就在試驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)了其主機(jī)的鏡像，算是最原始的虛擬機(jī)了。之后一段時(shí)間發(fā)展緩慢，一度由于分時(shí)操作系統(tǒng)的出現(xiàn)而處于停滯狀態(tài)。20世紀(jì)90年代隨著Java虛擬機(jī)的推出，使對虛擬機(jī)技術(shù)的研究成為處理器設(shè)計(jì)人員、軟件設(shè)計(jì)人員、服務(wù)器設(shè)計(jì)人員和網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)人員的熱門研究課題。虛擬機(jī)并不只是應(yīng)用于對操作系統(tǒng)，目前，在具體應(yīng)用領(lǐng)域的虛擬機(jī)開發(fā)得到迅速發(fā)展。這里將虛擬機(jī)的概念首次應(yīng)用到Net環(huán)境下的信息系統(tǒng)的開發(fā)過程中。

為了便于理解插件虛擬機(jī)的作用，首先介紹一種自動(dòng)化業(yè)務(wù)流程規(guī)范語言——業(yè)務(wù)流程執(zhí)行語言BPEL（Business Process Execution Language），這與插件虛擬機(jī)中用XML配置文件實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯有相似之處。BPEL是基于XML和Web服務(wù)的，用XML文檔寫入BPEL中的流程能在Web服務(wù)之間以標(biāo)準(zhǔn)化的交互方式得到精心組織，它簡化了將多個(gè)Web服務(wù)合成到一個(gè)新的業(yè)務(wù)流程中的操作[1]。這些流程能夠在任何一個(gè)符合BPEL規(guī)范的平臺(tái)或產(chǎn)品上執(zhí)行。BPEL通過合作伙伴連接來實(shí)現(xiàn)服務(wù)的調(diào)用，合作伙伴連接只定義所要調(diào)用的接口，它是一個(gè)抽象的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)描述語言WSDL（Web Services Description Language）接口，這個(gè)接口在 BPEL運(yùn)行時(shí)再綁定到真正的服務(wù)提供者上面[2]。這樣使接口和實(shí)現(xiàn)之間達(dá)到了一種松散耦合的效果，Web Service實(shí)現(xiàn)了接口的可重用性，而BPEL實(shí)現(xiàn)的是流程的可重用性。在XML配置文件中，“插件”類似于Web Service的接口，而BPEL對Web Service提供的服務(wù)類似于XML配置文檔對“插件”的執(zhí)行順序的控制。插件虛擬機(jī)的研究，提出了一種新的業(yè)務(wù)邏輯部分的實(shí)現(xiàn)，在此之前，業(yè)務(wù)邏輯部分只能通過程序代碼實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在轉(zhuǎn)換成只需要編寫描述性的文本語言，從而有效減少開發(fā)工作量，降低軟件開發(fā)成本。

1 相關(guān)名詞簡介

1.1 虛擬機(jī)

虛擬機(jī)按其表面意思來理解就是指虛擬的機(jī)器，這個(gè)機(jī)器并不是由真實(shí)的硬件所組成，而是通過軟件系統(tǒng)虛擬而成的具有跟真正機(jī)器類似功能的一種實(shí)現(xiàn)[3-5]。“插件虛擬機(jī)”的命名，是因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)思想與計(jì)算機(jī)的基本思想相類似：計(jì)算機(jī)的工作基于存儲(chǔ)程序與程序控制，其中存儲(chǔ)程序包括對程序及運(yùn)行中所需數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，程序控制指計(jì)算機(jī)對程序中一條條指令的取出、分析與執(zhí)行[6]；在插件虛擬機(jī)中，其主要工作是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與插件的控制，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)包括外界輸入的數(shù)據(jù)及運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，插件的控制包括插件的取出、分析與執(zhí)行。從功能上看，CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為控制單元、邏輯單元和存儲(chǔ)單元3大部分[7]，這3個(gè)部分互相協(xié)調(diào)進(jìn)行分析、判斷、運(yùn)算，并控制計(jì)算機(jī)各部件進(jìn)行工作。插件虛擬機(jī)中根據(jù)各部分具體實(shí)現(xiàn)的功能，可以把它分為如下幾部分：插件運(yùn)行時(shí)、插件執(zhí)行器、路由規(guī)則器、插件管理器、消息管理器、線程管理器、共享數(shù)據(jù)堆和運(yùn)行時(shí)上下文。通過這幾部分的相互協(xié)作，共同完成信息系統(tǒng)中插件的有序調(diào)用與執(zhí)行。

1.2 插件

在開發(fā)信息系統(tǒng)軟件的時(shí)候，現(xiàn)在最常見的做法是把軟件按功能模塊來劃分，將每個(gè)功能模塊分別設(shè)計(jì)好之后，最后再組合起來形成最終的信息系統(tǒng)軟件。目前，在程序復(fù)用方面，最常見的是組件復(fù)用，最具有代表性的是微軟公司的組件對象模型COM（Component Object Model）和 Sun公司的企業(yè)級 JavaBean EJB（Enterprise JavaBean）。COM是基于分布式對象模型的開放標(biāo)準(zhǔn)，它詳細(xì)規(guī)定了一個(gè)COM組件所應(yīng)具有的二進(jìn)制內(nèi)存結(jié)構(gòu)是組件集成的框架，這個(gè)框架支持對象的互操作性和可重用性[8-9]，COM組件的創(chuàng)建由COM庫和類工廠協(xié)作完成，它是ActiveX技術(shù)的基礎(chǔ)，并且運(yùn)用于大多數(shù)的Windows編程；EJB是一種基于Java環(huán)境的針對服務(wù)器端的組件模型[10]，其設(shè)計(jì)目標(biāo)與核心應(yīng)用是部署分布式應(yīng)用程序，同時(shí)它定義了一個(gè)用于開發(fā)基于組件的企業(yè)多重應(yīng)用程序的標(biāo)準(zhǔn)，EJB技術(shù)簡化了用Java語言編寫企業(yè)級應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)、配置和執(zhí)行[11]。插件虛擬機(jī)中的“插件”是在模塊、控件-組件中抽象出來的，單個(gè)模塊中可以包含多個(gè)插件，插件中可以包含控件和組件，在復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)插件的嵌套，例如：信息系統(tǒng)首先劃分為幾個(gè)插件，插件中可以包含功能模塊，然后功能模塊中再包含插件。

2 虛擬機(jī)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 組成結(jié)構(gòu)

插件虛擬機(jī)的工作是圍繞“插件”的調(diào)用展開的，信息系統(tǒng)被劃分為插件的形式，插件被統(tǒng)一定義在配置文件中，其中插件的編碼與實(shí)現(xiàn)插件的類相互對應(yīng)，便于插件虛擬機(jī)在合適的場景與環(huán)境中調(diào)用插件。根據(jù)插件虛擬機(jī)要完成的功能將其分為以下幾部分，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 插件虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)圖

（1）插件虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)，為插件提供面向操作系統(tǒng)和Net環(huán)境的基礎(chǔ)服務(wù)，解釋模塊配置文件，根據(jù)模塊配置文件創(chuàng)建各種子系統(tǒng)；

（2）上下文管理器，提供對插件虛擬機(jī)傳入的參數(shù)的封裝；

（3）共享數(shù)據(jù)堆，提供插件間的數(shù)據(jù)共享服務(wù)；

（4）消息管理器，提供插件間的消息發(fā)送功能；

（5）插件管理器，負(fù)責(zé)查找、加載、緩存插件；

（6）插件執(zhí)行器，負(fù)責(zé)從插件池中取出插件，執(zhí)行插件，并根據(jù)插件參數(shù)確定插件顯示模式；

（7）路由規(guī)則器，主要負(fù)責(zé)確定下一個(gè)需要執(zhí)行的插件的id，并將插件id發(fā)送給插件執(zhí)行器，由插件執(zhí)行器運(yùn)行id對應(yīng)的插件；

（8）線程管理器，提供操作系統(tǒng)的線程封裝服務(wù)，提供線程間數(shù)據(jù)傳遞服務(wù)。

2.2 插件虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)

插件虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)，有其完備的執(zhí)行過程，不僅能夠完成基本的功能，而且能夠處理運(yùn)行過程中產(chǎn)生的各種異常。其主要的技術(shù)點(diǎn)包括：插件間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、插件的生命周期以及接口規(guī)范等。啟動(dòng)插件虛擬機(jī)，會(huì)檢查各部分的完整性并加載XML配置文件中定義的所有“插件”，用戶界面輸入的數(shù)據(jù)會(huì)在插件虛擬機(jī)中的得到相應(yīng)的處理并觸發(fā)相應(yīng)“插件”的執(zhí)行。插件虛擬機(jī)的工作流程如圖2所示。

圖2 插件虛擬機(jī)流程圖

插件虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)，主要包括以下步驟：

（1）插件虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)加載并讀取配置文件信息，根據(jù)配置文件創(chuàng)建子系統(tǒng)。子系統(tǒng)包括：路由規(guī)則器、消息管理器、共享數(shù)據(jù)堆、線程管理器、上下文管理器、插件管理器、插件執(zhí)行器。然后，插件虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)調(diào)用插件管理器；

（2）插件管理器加載配置文件中涉及到的插件，由加載單元通過Net環(huán)境調(diào)用操作系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)下查找插件。插件虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)包含在名為pluginvm core.dll的動(dòng)態(tài)鏈接庫中，為插件提供面向操作系統(tǒng)和Net環(huán)境的基礎(chǔ)服務(wù)。具體包括：

①文件操作及路徑查找服務(wù)；

②唯一主機(jī)碼創(chuàng)建（包含CPU-網(wǎng)卡），即密碼驗(yàn)證服務(wù)，通過讀取主機(jī)唯一的CPU序列號以及網(wǎng)卡的序列號，按照相應(yīng)的公式計(jì)算出驗(yàn)證碼，與軟件中存儲(chǔ)的密碼相匹配，保障了軟件安裝合法性，可以有效防止盜版；

③加密解密；

④面向Window操作系統(tǒng)API的托管封裝；

⑤解釋模塊配置文件，根據(jù)模塊配置文件創(chuàng)建各種子系統(tǒng)。

插件管理器查找到所有的配置文件中涉及到的插件后，確認(rèn)可用的插件然后加載，插件管理器加載完畢后，等待插件執(zhí)行器調(diào)用。

加載配置文件中將插件加載至插件管理器中，由插件管理器統(tǒng)一管理加載的插件，并且將參數(shù)存儲(chǔ)至上下文管理器中。上下文管理器提供對運(yùn)行插件虛擬機(jī)傳入的參數(shù)的封裝，具體為一個(gè)面向?qū)ο蟮墓１恚?/p>

（3）路由規(guī)則器根據(jù)插件執(zhí)行器調(diào)用插件后返回的結(jié)果或者根據(jù)加載單元提供的插件調(diào)用入口點(diǎn)確定插件執(zhí)行器需要執(zhí)行的插件編碼，并將該插件編碼傳遞給插件執(zhí)行器；

（4）插件執(zhí)行器接收路由規(guī)則器傳入的插件編碼，并從上下文管理器中獲得和本插件相關(guān)的參數(shù)；插件執(zhí)行器通過調(diào)用插件的約定方法并在調(diào)用時(shí)傳入從上下文管理器中獲得的參數(shù)來執(zhí)行插件；

將插件執(zhí)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)至共享數(shù)據(jù)堆中，以供其他插件調(diào)用。不同的插件可以將需要共享的數(shù)據(jù)放入共享數(shù)據(jù)堆中，插件虛擬機(jī)退出后共享數(shù)據(jù)堆可以自動(dòng)回收。插件虛擬機(jī)維護(hù)共享數(shù)據(jù)堆中的數(shù)據(jù)的引用計(jì)數(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)引用計(jì)數(shù)為0的時(shí)候，共享數(shù)據(jù)將被自動(dòng)回收。

插件執(zhí)行器負(fù)責(zé)從插件管理器中取出插件，調(diào)用插件的特定方法 Excute Plugin（PluginParam param）執(zhí)行插件；插件執(zhí)行器還負(fù)責(zé)處理插件異常信息，如果遇到需要退出插件虛擬機(jī)的異常則直接調(diào)用插件虛擬機(jī)提供的退出函數(shù)ExitVm（Excption ecode）退出插件虛擬機(jī)。

插件執(zhí)行器執(zhí)行完畢當(dāng)前插件后，還將當(dāng)前插件運(yùn)行完畢后返回的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至路由規(guī)則器中，路由規(guī)則器根據(jù)插件執(zhí)行器返回的數(shù)據(jù)確定下一個(gè)需要執(zhí)行的插件的編碼，并將插件編碼發(fā)送給插件執(zhí)行器，由插件執(zhí)行器運(yùn)行編碼對應(yīng)的插件。

（5）插件間可以通過插件虛擬機(jī)發(fā)送/接收消息。消息管理器包括消息隊(duì)列和消息派發(fā)器，消息隊(duì)列接收消息，并將其加入隊(duì)列，消息派發(fā)器按照隊(duì)列順序?qū)⑾⑴砂l(fā)給該消息所指定的插件。消息中攜帶有需要執(zhí)行插件的信息，消息管理器向插件管理器中的需要執(zhí)行的插件 （若插件管理器中沒有加載所述的需要執(zhí)行的插件，則由插件管理器重新加載，然后由插件執(zhí)行器執(zhí)行。具體過程與初始加載插件時(shí)一致：由加載單元通過Net環(huán)境調(diào)用操作系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)下查找插件。加載后的插件存儲(chǔ)至插件管理器中，參數(shù)存儲(chǔ)至參數(shù)封裝單元中，然后由插件執(zhí)行器可以調(diào)用）派發(fā)該消息，由插件管理器將該插件的編碼傳給插件執(zhí)行器，最終插件執(zhí)行器根據(jù)該插件的編碼執(zhí)行該插件。消息管理器的功能還有：消息隊(duì)列，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)插件發(fā)送過來的消息，并按照先后順序排成隊(duì)列的形式。其中，插件需要實(shí)現(xiàn)AcceptRunMsg（RunMessage msg）接口接收插件管理器發(fā)送的消息。

目前，隨著軟件行業(yè)的發(fā)展，其規(guī)模和復(fù)雜性提高、使用范圍擴(kuò)大，為了便于維護(hù)和管理，軟件開發(fā)過程中逐漸出現(xiàn)對開發(fā)方法的研究、軟件管理的規(guī)范、體系結(jié)構(gòu)的分離[12]。在開發(fā)信息系統(tǒng)軟件過程中，通常會(huì)將一個(gè)系統(tǒng)分為幾個(gè)相互獨(dú)立的功能模塊，由不同人員來開發(fā)，最后再根據(jù)用戶的操作邏輯和業(yè)務(wù)邏輯組織起來。通過對插件虛擬機(jī)的研究，實(shí)現(xiàn)了縮減業(yè)務(wù)邏輯部分代碼，首次提出用配置文件的描述語言代替業(yè)務(wù)邏輯部分的代碼；其次，以“插件”的形式來實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)中程序的復(fù)用，同一“插件”可以被多個(gè)模塊的配置文件使用。由此，可以降低軟件開發(fā)成本，縮短周期，增強(qiáng)可讀性，更加便于維護(hù)和管理。

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