基于OSGi的跨平臺測井軟件設(shè)計及應(yīng)用

陳江浩，余衛(wèi)東，雷曉陽，彭慧琴，方璐，張培軍

（中國石油集團測井有限公司，陜西 西安710077）

0 引 言

EILog［1］測井成套裝備已經(jīng)在國內(nèi)外30多個地區(qū)和油田投入生產(chǎn)應(yīng)用，井下測井儀器也開發(fā)出適用于常規(guī)裸眼井測井、套管井測井、非常規(guī)測井、過鉆具測井等多個系列；地面系統(tǒng)也逐步向網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展。這些都對ACME［2］測井采集軟件提出更高的要求。①可擴展性。軟件用戶的多樣化，儀器系列的增加，地面系統(tǒng)新技術(shù)應(yīng)用對測井采集軟件的可擴展性提出更高要求，主要集中在儀器組件庫的擴展、主控模塊的擴展、處理方法的擴展、繪圖對象的擴展。②可維護性。軟件日益復(fù)雜，要求從軟件設(shè)計角度進一步降低軟件的維護成本，提高維護效率和質(zhì)量，方便軟件推廣應(yīng)用。

本文在深入分析 OSGi［3］（Open Service Gateway Initiative）框架的基礎(chǔ)上，提出了一種基于C＋＋的跨平臺Q－OSGi框架實現(xiàn)，重點解決服務(wù)層、生命周期層、事件服務(wù)、擴展點等關(guān)鍵技術(shù)。將該框架應(yīng)用在測井采集實時監(jiān)控軟件中，特別是對集成界面、可視化系統(tǒng)、數(shù)據(jù)層進行了詳細設(shè)計。

1 OSGi服務(wù)平臺

1．1 OSGi介紹

OSGi服務(wù)平臺規(guī)范是OSGi聯(lián)盟提出的一個松耦合、面向服務(wù)的應(yīng)用程序開發(fā)框架［4］。它提供了系統(tǒng)動態(tài)擴充、修改系統(tǒng)功能和改變系統(tǒng)行為的支持，也提供了規(guī)范化的模塊組件以及統(tǒng)一的開發(fā)方式。

1．2 OSGi的優(yōu)勢和不足

OSGi框架的優(yōu)勢主要集中3個方面：可擴展性、軟件復(fù)雜度和可維護性。利用OSGi框架本身提供的動態(tài)擴展支持，通過對整個系統(tǒng)進行模塊化拆分，降低了模塊實施的復(fù)雜度。通過良好的模塊化組織和版本管理，通過局部更新來減少對整個軟件系統(tǒng)的影響，進一步降低了維護成本。

OSGi框架是基于Java語言特性而定制的。由于Java語言采用虛擬機形式運行，對于測井實時采集軟件其運行效率不能滿足要求，而且測井采集軟件已有代碼都是基于C＋＋開發(fā)的，必須充分繼承這部分資源，降低開發(fā)成本。

2 跨平臺測井軟件架構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)

2．1 基于C＋＋的跨平臺OSGi框架實現(xiàn)（Q－OSGi）

Qt是一個跨平臺C＋＋圖形用戶界面應(yīng)用框架。Qt完全面對對象，容易擴展，并且允許真正地組件編程。它具有優(yōu)良的跨平臺特性，Qt支持的操作系統(tǒng)有 Windows 95／98、Windows NT、Linux、Solaris、SunOS、HP－UX等。

鑒于Qt的跨平臺性和其本質(zhì)是C＋＋語言的特點，跨平臺測井軟件的核心框架Q－OSGi利用Qt庫，依據(jù)OSGi規(guī)范標準裁剪了與java相關(guān)的內(nèi)容，實現(xiàn)了一個同時滿足測井軟件的需求又實現(xiàn)了OSGi平臺規(guī)范的輕量級插件框架。

基于這個框架，通過對集成界面、可視化界面和數(shù)據(jù)層的實現(xiàn)，最終充分利用OSGi平臺的優(yōu)勢框架理念，并能夠減少OSGi的不足和繼承原有代碼，降低開發(fā)成本。該框架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

2．1．1 Q－OSGi框架的服務(wù)層（Service Layer）

圖1 Q－OSGi框架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

插件（Plugin）對應(yīng)于OSGi中的Bundle，構(gòu)成了Q－OSGi的基礎(chǔ)單元。它建立在系統(tǒng)的相互協(xié)作的可用服務(wù)之上，這些服務(wù)共享一個服務(wù)注冊中心。服務(wù)對象是屬于插件的，而且必須在插件之內(nèi)運行。插件必須將服務(wù)對象注冊到框架服務(wù)注冊中心，這樣其他插件才可以查詢到該插件提供的服務(wù)。提供服務(wù)的插件和使用服務(wù)的插件之間的依賴關(guān)系由框架管理。當停止一個插件后，該插件在框架中注冊的服務(wù)必須要自動取消注冊。

2．1．2 Q－OSGi框架的生命周期層（Life Cycle Layer）

一個插件的生命周期分為6個狀態(tài)，分別是UNINSTALLED（未安裝）、INSTALLED（安裝）、RESOLVED（解決的）、STARTING（啟動）、STOPPING（停止）、ACTIVE（激活）。插件的狀態(tài)變化見圖2。由圖2可知，插件安裝后，首先對插件信息進行解析，檢測類依賴是否正確，成功后狀態(tài)變?yōu)镽ESOLVED?？蚣軉硬寮寮趩悠陂g，根據(jù)相關(guān)協(xié)議檢測，如果啟動成功，插件狀態(tài)變成ACTIVE（激活），這時插件可以對外提供服務(wù)。

圖2 Q－OSGi框架插件狀態(tài)圖

2．1．3 Q－OSGi事件服務(wù)規(guī)范

在Q－OSGi框架中，為滿足插件之間的通訊要求，采用發(fā)布者／訂閱者模式實現(xiàn)事件服務(wù)機制。按照事件發(fā)送者的不同，事件定義分為2類。①框架發(fā)送的標準事件，主要包括普通框架事件、生命周期中的插件狀態(tài)改變。②任何插件都可以根據(jù)自身需要，發(fā)送基于主題（Topic）的事件。

圖3描述的時間服務(wù)處理流程主要面對2個對象：事件發(fā)布者和事件訂閱者。事件發(fā)布者使用postEvent和sendEvent發(fā)送事件到事件服務(wù)，事件服務(wù)再通過handleEvent接口將事件發(fā)送給事件訂閱者。事件發(fā)布者使用事件服務(wù)發(fā)送基于主題（Topic）的事件，任何對某一主題感興趣的事件訂閱者都會收到該事件，并且做出相應(yīng)的反應(yīng)。

圖3 Q－OSGi事件服務(wù)處理流程

2．1．4 Q－OSGi擴展點設(shè)計

為了增強系統(tǒng)的靈活性和擴展性，系統(tǒng)擴展了OSGi的規(guī)范設(shè)計，實現(xiàn)了擴展點機制。擴展插件的結(jié)構(gòu)見圖4。插件本身可以同時具有擴展點和擴展實現(xiàn)，各個插件可以定義自身的擴展點供其他插件實現(xiàn)，同時也可以實現(xiàn)其他插件的擴展點。插件本身需要實現(xiàn)系統(tǒng)中已有的擴展點才能插入到系統(tǒng)和已有的插件集成。插件本身可以是新的擴展點，在此基礎(chǔ)上可以讓其它插件擴展出新的功能。在單個插件的基礎(chǔ)上，插件之間不斷進行擴展，形成插件網(wǎng)絡(luò)，最終組合成整個系統(tǒng)。

圖4 擴展點結(jié)構(gòu)圖

2．2 測井軟件系統(tǒng)設(shè)計

為了充分利用Q－OSGi框架的靈活性和可擴展性，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少維護成本，測井軟件的設(shè)計使用微內(nèi)核架構(gòu)。微內(nèi)核架構(gòu)將系統(tǒng)服務(wù)的實現(xiàn)和系統(tǒng)基本操作規(guī)則分離開來，系統(tǒng)核心只包含必須的部分。通過這種設(shè)計大大簡化了移植和升級維護的困難，同時由于內(nèi)核的代碼不多，也容易進行除錯，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一個服務(wù)組件的失效并不會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的崩潰，內(nèi)核需要做的僅僅是重新啟動這個組件，而不必影響其他部分。

微內(nèi)核負責搜索、加載、啟動／關(guān)閉插件。微內(nèi)核啟動后，會首先搜索和加載用戶許可校驗插件，用以確定用戶許可使用的插件。加載和啟動集成界面插件，最終啟動整個系統(tǒng)的各個模塊。由于插件系統(tǒng)的特性，插件還可以動態(tài)啟動，實現(xiàn)懶加載模式。

整個測井軟件按照測井業(yè)務(wù)功能層次劃分，主要由集成界面、可視化系統(tǒng)、數(shù)據(jù)層組成（見圖5）。

圖5 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2．2．1 集成界面

集成界面設(shè)計系統(tǒng)的集成界面由界面顯示插件和其他可視化系統(tǒng)插件集成而組成的。集成界面主插件負責收集、管理接口數(shù)據(jù)，向Q－OSGi框架中注冊服務(wù)，并在交互界面上顯示。插件可以根據(jù)需要向系統(tǒng)界面中加入子菜單或操作項，也可以根據(jù)需要在菜單欄中添加新的菜單項。由于采用靈活的插件機制，測井軟件實現(xiàn)了2套集成界面插件，一套是基于觸摸屏的平板版用戶交互界面，另一套是基于桌面系統(tǒng)的交互界面。通過插件配置，可以方便地實現(xiàn)一個運行程序、兩種用戶體驗。

2．2．2 可視化系統(tǒng)

可視化系統(tǒng)主要有測井視圖、組合視圖、圖表視圖等3個視圖子系統(tǒng)。組合視圖和圖表視圖的結(jié)構(gòu)比較簡單，通過繼承QGraphicsView［4］類實現(xiàn)視圖的繪制。測井視圖子系統(tǒng)需要考慮多種情況和多種類型的對象的擴展和管理，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。測井視圖的類圖見圖6。

測井視圖中視圖（View）接口為VLoggingView，場景（Scence）接口為 VLoggingScence，元素（Item）實現(xiàn)為TrackItem類。TrackItem包括了Track－BodyItem和 TrackHeadItem。TrackContentItem是道內(nèi)包含元素的實現(xiàn)，它繼承自IDrawExt，由ITrackDrawExt組成。在測井系統(tǒng)的設(shè)計中，設(shè)計了2個接口類IDrawExt，TrackDrawExt，分別是曲線對象和道對象的擴展接口。由圖6可知，繼承IDrawExt，實現(xiàn)了普通曲線對象Curve，波列曲線WAVE，變密度曲線VDL。繼承ITrackDrawExt，實現(xiàn)了索引道，線性道，對數(shù)道。在系統(tǒng)擴展時，僅需要實現(xiàn)這2個接口，就可以擴展不同類型的道對象和曲線對象，方便了用戶的擴展。

圖6 測井視圖類圖

2．2．3 數(shù)據(jù)層

實時測井數(shù)據(jù)文件物理結(jié)構(gòu)采用的是被廣泛應(yīng)用在地球物理系統(tǒng)中的HDF5［6］數(shù)據(jù)格式，其采用類似文件系統(tǒng)的方式對數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)化存儲，這種設(shè)計極大地提升數(shù)據(jù)讀寫效率，簡化了數(shù)據(jù)處理邏輯。HDF5［7］不僅能夠滿足測井采集軟件實時處理數(shù)據(jù)的要求，更支持跨平臺的數(shù)據(jù)存儲。

數(shù)據(jù)層主要分為3層：數(shù)據(jù)底層讀寫服務(wù)層、數(shù)據(jù)緩存層和上層數(shù)據(jù)接口層（見圖7）。

圖7 測井數(shù)據(jù)層結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)底層讀寫服務(wù)層為上層提供數(shù)據(jù)讀寫的基本接口服務(wù)。包括了對儀器的管理，曲線對象的管理和讀寫，井場信息的讀寫。

數(shù)據(jù)緩存層主要是在軟件讀寫數(shù)據(jù)時的緩存服務(wù)，減少讀寫數(shù)據(jù)文件的次數(shù)，從而提升程序執(zhí)行效率。當數(shù)據(jù)訪問者修改數(shù)據(jù)后，并不會立刻寫入數(shù)據(jù)文件，因此需要把數(shù)據(jù)保存在內(nèi)存中，并通知其他的數(shù)據(jù)訪問者更新，重新讀取數(shù)據(jù)。其他插件通過數(shù)據(jù)訪問管理讀取數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)訪問管理會先去查找有無數(shù)據(jù)緩存，如果有數(shù)據(jù)緩存則讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)并返回。如果沒有數(shù)據(jù)緩存則直接讀取底層數(shù)據(jù)并返回。外部調(diào)用保存接口時，數(shù)據(jù)訪問管理會查找出相應(yīng)的數(shù)據(jù)緩存，并通過底層數(shù)據(jù)接口寫入文件。

上層讀寫接口使用了觀察者模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的更新機制。使用數(shù)據(jù)接口層訪問所關(guān)注的數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)服務(wù)會把此訪問者加入訂閱列表，當訪問者所關(guān)注的數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，數(shù)據(jù)服務(wù)會直接推送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)訪問者。每個需要數(shù)據(jù)并且需要數(shù)據(jù)更新獲得主動通知的地方，都需要通過數(shù)據(jù)訪問中間層創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)訪問者。創(chuàng)建訪問者的同時，會自動注冊到數(shù)據(jù)訪問中間層，當數(shù)據(jù)訪問者訪問的數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，數(shù)據(jù)訪問中間層會主動推送更新的數(shù)據(jù)給訪問者。

3 應(yīng)用效果

3．1 系統(tǒng)主要功能展示

系統(tǒng)主界面如圖8所示，系統(tǒng)通過創(chuàng)建新的曲線對象擴展插件，可以實現(xiàn)新的曲線類型。

3．2 系統(tǒng)的跨平臺應(yīng)用

在Q－OSGi的基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)的測井采集實時監(jiān)控軟件可以輕易的移植到不同的平臺中經(jīng)過編譯部署。目前已經(jīng)移植到 Window系列、Linux系列和Mac OSX系列操作系統(tǒng)。

3．3 插件的動態(tài)管理功能驗證

Q－OSGi實現(xiàn)了OSGi平臺要求框架對插件的動態(tài)管理，使用start啟動某個插件，stop停止某個插件的運行。Update功能可以從服務(wù)器端動態(tài)更新某個插件。

3．4 性能測試

從框架的啟動時間對Q－OSGi進行了性能測試，測試所使用的計算機配置為Intel coreTM i3 CPU、主頻2．20GHZ、2G內(nèi)存。將 Q－OSGi與其他實現(xiàn)了OSGi規(guī)范的插件框架啟動時間進行測試，其中Felix和Equniox都是基于java實現(xiàn)的。圖9為Q－OSGi與Felix和Equniox主框架的啟動時間對比測試圖。

圖8 軟件主界面

圖9 框架啟動時間對比測試圖

3．5 效果總結(jié)

在可擴展性方面，Q－OSGi框架提供的擴展點機制為系統(tǒng)提供了靈活的可擴展機制，擴展對象與系統(tǒng)能夠使用簡單機制進行整合與管理。在跨平臺方面，除了數(shù)據(jù)底層之外，只需要一套代碼編譯不同平臺的版本，便可輕松實現(xiàn)多個平臺版本。在動態(tài)管理方面，Q－OSGi實現(xiàn)了對插件的動態(tài)管理，可以動態(tài)地進行更新和管理所有系統(tǒng)運行時加載的插件。在性能方面，對比其他基于java實現(xiàn)的框架而言啟動速度較快。

4 結(jié)束語

（1）在詳細分析OSGi規(guī)范的基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于C＋＋的跨平臺OSGi框架實現(xiàn)方案Q－OSGi。在該框架的基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)測井采集實時監(jiān)控軟件。

（2）應(yīng)用效果表明，采用OSGi技術(shù)能大幅提高軟件的可擴展性和可維護性，對軟件的開發(fā)效率和性能都有極大的提升。

［1］湯天知．EILog測井系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展思路［J］．測井技術(shù)，2007，31（2）：99－102．

［2］陳江浩，陳文輝，余衛(wèi)東，等．ACME測井采集控制管理平臺開發(fā)與應(yīng)用［J］．石油儀器，2010，24（5）：77－79．

［3］OSGi Service Platform［R］．4．3th ed．OSGi Alliance，2012．

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［5］倪繼利．Qt及Linux操作系統(tǒng)窗口設(shè)計［M］．北京．電子工業(yè)出版社，2006．

［6］劉玉潔，楊忠東．MODIS遙感信息處理原理與算法［M］．北京：科學(xué)出版社，2001．

［7］HDF5File Format Specification［EB／OL］．http：∥hd．fncsa．uiuc．edu／HDF5／doc／H5．format．html．2013－8．

［8］張云濤，龔玲．Eclipse精要與高級開發(fā)技術(shù)［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2005．