“和欣”操作系統(tǒng)下建立ＳＣＩ編程環(huán)境的探討

摘要：腳本語言可以通過“黏合”構(gòu)件模塊形成新的應(yīng)用程序。通過分析“和欣”操作系統(tǒng)和CAR構(gòu)件編程模型對(duì)面向構(gòu)件編程的支持，提出了基于CAR構(gòu)件系統(tǒng)的腳本語言通用適配層SCI，探討了一種腳本語言與CAR構(gòu)件自動(dòng)適配的技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)基于CAR構(gòu)件的腳本動(dòng)態(tài)編程。結(jié)合CAR構(gòu)件技術(shù)與腳本語言，提高應(yīng)用程序的模塊化程度，加速應(yīng)用程序的開發(fā)過程。

關(guān)鍵詞：面向構(gòu)件編程；CAR；腳本語言；元數(shù)據(jù)

中圖法分類號(hào)：TP311．5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001－3695(2007)01－0110－02

1引言

在面向構(gòu)件的開發(fā)模型中，構(gòu)件完成程序的主要功能和邏輯。大量耗時(shí)、性能重要或復(fù)雜的運(yùn)算被封裝在構(gòu)件內(nèi)部，構(gòu)件只需要暴露給外界簡單的接口以提供服務(wù)。在理論上，構(gòu)件應(yīng)該易于使用和更換，這就提高了應(yīng)用開發(fā)的效率和擴(kuò)展性。可是在已有的一些構(gòu)件系統(tǒng)中，如.NET和Java，卻往往達(dá)不到這種效果。

其中一個(gè)原因，筆者認(rèn)為是開發(fā)構(gòu)件和使用構(gòu)件采用同一種語言。構(gòu)件開發(fā)語言往往是一些功能強(qiáng)大的通用語言，這就從本質(zhì)上決定了這些語言的復(fù)雜性，從而增大了使用構(gòu)件的難度，同時(shí)也容易混淆構(gòu)件與外部應(yīng)用的邊界，弱化了面向構(gòu)件的編程思想。

腳本語言通常具有易學(xué)、易用和開發(fā)高效的特點(diǎn)，并且腳本語言是解釋執(zhí)行，容易更改、不需要重新編譯，但是腳本語言一般功能較弱，不易擴(kuò)充，有些腳本語言（如Perl，Ruby等）具有開發(fā)擴(kuò)展庫的功能。但是這些擴(kuò)展庫的開發(fā)方法不具有通用性。

“和欣”[1]設(shè)計(jì)的腳本語言通用適配層SCI （腳本可調(diào)用接口）的成功開發(fā)一定程度上解決了這個(gè)問題。利用構(gòu)件程序集運(yùn)行時(shí)[1，2]（Component Assembly Runtime，CAR）構(gòu)件中的元數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)調(diào)用CAR構(gòu)件的方法。CAR構(gòu)件的編寫人員不再需要考慮如何與不同的腳本語言適配，所有的工作都由腳本適配引擎通過SCI自動(dòng)完成。

2“和欣”操作系統(tǒng)和CAR構(gòu)件編程環(huán)境

“和欣”[1]操作系統(tǒng)是國家“863”計(jì)劃的“基于中間件技術(shù)的因特網(wǎng)嵌入式操作系統(tǒng)及跨操作系統(tǒng)中間件運(yùn)行平臺(tái)”的重要成果，是一個(gè)基于構(gòu)件的微內(nèi)核現(xiàn)代操作系統(tǒng)。“和欣”操作系統(tǒng)與其他宏內(nèi)核或微內(nèi)核操作系統(tǒng)（如Linux[3]，Mach[4]等）的最大區(qū)別就是將微內(nèi)核模型與基于構(gòu)件技術(shù)的充分結(jié)合，形成了“和欣”操作系統(tǒng)的靈活內(nèi)核架構(gòu)模型。

“和欣”操作系統(tǒng)是一個(gè)微內(nèi)核操作系統(tǒng)。在微內(nèi)核操作系統(tǒng)中，系統(tǒng)的一些服務(wù)，如文件系統(tǒng)、TCP/IP協(xié)議棧等是作為一個(gè)與用戶進(jìn)程同等的進(jìn)程為其他用戶進(jìn)程提供服務(wù)。因此，在微內(nèi)核操作系統(tǒng)中，一個(gè)主要的問題就是服務(wù)進(jìn)程與應(yīng)用程序進(jìn)程間的通信問題。通常微內(nèi)核操作系統(tǒng)（如Mach[4]和Minix[5]）采用消息機(jī)制作為系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)程和用戶進(jìn)程通信的手段。“和欣”操作系統(tǒng)則是采用了更加現(xiàn)代的面向構(gòu)件編程技術(shù)。在面向構(gòu)件編程技術(shù)中，不同進(jìn)程甚至是不同主機(jī)之間的構(gòu)件通信是一個(gè)基本問題。在應(yīng)用領(lǐng)域中，也已經(jīng)有了很多成熟的解決方案，如微軟公司的DCOM[6]（分布式構(gòu)件對(duì)象模型）和Java中經(jīng)常使用的RMI（遠(yuǎn)程方法調(diào)用）機(jī)制。“和欣”操作系統(tǒng)將構(gòu)件的跨進(jìn)程通信作為一個(gè)操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施做到了內(nèi)核之中。從語義上來說，構(gòu)件的進(jìn)程間通信與消息機(jī)制等價(jià)，但是，基于構(gòu)件的通信技術(shù)更加符合現(xiàn)代程序設(shè)計(jì)技術(shù)和規(guī)范，使程序更容易模塊化、更健壯，而且構(gòu)件更容易擴(kuò)充和更換，實(shí)現(xiàn)靈活內(nèi)核。

“和欣”操作系統(tǒng)中使用CAR[1，2]構(gòu)件系統(tǒng)，CAR構(gòu)件具有充分的自描述元數(shù)據(jù)，具體細(xì)節(jié)在下文介紹。這里只需要說明根據(jù)元數(shù)據(jù)系統(tǒng)能夠自動(dòng)生成構(gòu)件對(duì)象的代理對(duì)象和存根對(duì)象。構(gòu)件跨進(jìn)程的通信模式如圖 1所示。

其中服務(wù)構(gòu)件S運(yùn)行在進(jìn)程A中，首先通過系統(tǒng)調(diào)用將服務(wù)構(gòu)件注冊(cè)在系統(tǒng)中，此時(shí)系統(tǒng)中會(huì)生成一個(gè)S的存根對(duì)象。客戶進(jìn)程B要使用進(jìn)程A中的S服務(wù)，通過系統(tǒng)調(diào)用找到S的存根對(duì)象，并且在B中根據(jù)S的元數(shù)據(jù)生成與S具有同樣接口的代理對(duì)象。當(dāng)客戶進(jìn)程調(diào)用S的代理對(duì)象的方法時(shí)，代理對(duì)象將調(diào)用傳遞給S存根，存根在進(jìn)程A中啟動(dòng)一個(gè)線程，由該線程調(diào)用被請(qǐng)求的S的方法。為了優(yōu)化這種情況，“和欣”操作系統(tǒng)內(nèi)部給每一進(jìn)程都附加了一個(gè)線程池。

CAR構(gòu)件系統(tǒng)有兩個(gè)主要特征：①使用C++作為實(shí)現(xiàn)語言，具有較好的運(yùn)行性能；②CAR構(gòu)件具有充分的自描述元數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)為CAR構(gòu)件生成存根和代理對(duì)象。兩者的結(jié)合使CAR構(gòu)件編程系統(tǒng)能夠作為系統(tǒng)開發(fā)的高性能中間件系統(tǒng)。

編寫CAR構(gòu)件首先要編寫一個(gè)構(gòu)件的接口描述文件——CAR文件。CAR文件是CAR構(gòu)件的元數(shù)據(jù)的文本形式，它描述了CAR構(gòu)件中的接口信息，以及接口中每個(gè)方法的信息，包括方法參數(shù)、返回值等，同時(shí)還描述了接口繼承體系的信息。

CAR文件經(jīng)過編譯生成C++代碼框架、文檔框架和二進(jìn)制的CAR構(gòu)件元數(shù)據(jù)；使用C++語言實(shí)現(xiàn)CAR構(gòu)件的具體功能；經(jīng)過編譯和打包生成可發(fā)布的CAR構(gòu)件程序集，其中包含了CAR構(gòu)件的代碼、數(shù)據(jù)及自描述元數(shù)據(jù)。這個(gè)過程如圖 2所示。

3采用CAR構(gòu)件的SCI編程模型

將腳本語言調(diào)用CAR構(gòu)件以獲得服務(wù)這一要求進(jìn)行抽象，設(shè)計(jì)出一個(gè)適配層，從而讓腳本語言與構(gòu)件協(xié)同工作。

主要的接口稱為腳本可調(diào)用接口（Script Callable Interface，SCI），SCI本身也是用CAR構(gòu)件編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，結(jié)構(gòu)如圖 3所示。

從圖3中可以看到，SCI的接口以CAR構(gòu)件的數(shù)據(jù)類型和接口類型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出對(duì)構(gòu)件方法調(diào)用的抽象，SCI的實(shí)現(xiàn)則以對(duì)應(yīng)的元數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。這種結(jié)構(gòu)一定程度上做到了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的分離。

SCI接口系統(tǒng)中有三個(gè)主要接口，它們的關(guān)系如圖 4所示。

（1）ISCIModule負(fù)責(zé)加載CAR構(gòu)件，從CAR構(gòu)件程序集中實(shí)例化構(gòu)件對(duì)象，并使之與ISCIObject接口對(duì)象綁定。這個(gè)過程完成了CAR構(gòu)件對(duì)象生命的初始化；接下來，對(duì)象生命周期的維護(hù)和實(shí)際方法調(diào)用工作由ISCIObject接口對(duì)象完成。

（2）ISCIObject接口主要有兩個(gè)方法：①方法GetMethodIndex通過內(nèi)部CAR構(gòu)件對(duì)象的元數(shù)據(jù)查找一個(gè)方法的索引，這個(gè)索引是該方法在對(duì)象虛函數(shù)表[7]中的位置。②方法Invoke接收這個(gè)索引值和一個(gè)參數(shù)數(shù)組，通過查找元數(shù)據(jù)得到實(shí)際對(duì)象方法的入口地址；接著由ISCIParameterNormalizer接口對(duì)象根據(jù)元數(shù)據(jù)完成參數(shù)類型的驗(yàn)證和轉(zhuǎn)換工作；最后，使用一段特殊的匯編語言按照C++語言的約定[7]生成方法調(diào)用棧，跳轉(zhuǎn)到實(shí)際對(duì)象的方法，在方法返回后還要進(jìn)行返回值的處理工作。當(dāng)用戶釋放ISCIObject接口對(duì)象時(shí)，它會(huì)自動(dòng)釋放內(nèi)部的CAR構(gòu)件對(duì)象。（3）ISCIParameterNormalizer接口是為了進(jìn)行方法參數(shù)的類型驗(yàn)證和轉(zhuǎn)換。實(shí)際工作中的腳本語言千差萬別，它們所支持的參數(shù)類型和CAR構(gòu)件系統(tǒng)所支持的參數(shù)類型通常也不相同，因此本文提出了一個(gè)參數(shù)正規(guī)化的概念。參數(shù)正規(guī)化的過程主要是腳本語言的參數(shù)類型向CAR構(gòu)件參數(shù)類型轉(zhuǎn)換的過程。腳本引擎通過實(shí)現(xiàn)ISCIParameterNormalizer接口注冊(cè)到ISCIObject接口對(duì)象中來完成參數(shù)正規(guī)化。調(diào)用CAR構(gòu)件對(duì)象方法時(shí)，ISCIParameterNormalizer接口對(duì)象完成參數(shù)驗(yàn)證和轉(zhuǎn)換工作，它的主要方法Normalize接收一個(gè)參數(shù)類型數(shù)組和參數(shù)值數(shù)組，輸出一個(gè)符合具體CAR構(gòu)件方法的參數(shù)數(shù)組，或者通知ISCIObject接口對(duì)象無法轉(zhuǎn)換參數(shù)。如果轉(zhuǎn)換失敗，腳本引擎會(huì)將錯(cuò)誤報(bào)告給用戶。

4SCI在JavaScript腳本語言中的應(yīng)用

作為SCI的應(yīng)用舉例，本文將在JavaScript[8]腳本語言中集成SCI。JavaScript腳本語言由Netspace公司發(fā)明，起初主要用于HTML動(dòng)態(tài)編程，它是一種面向?qū)ο蟮哪_本語言，其對(duì)象系統(tǒng)容易擴(kuò)充。本文采用Mozilla瀏覽器項(xiàng)目中的SpiderMonkey[8]子項(xiàng)目對(duì)JavaScript語言的實(shí)現(xiàn)。

在JavasScript腳本語言中集成SCI，首先在JavaScript中添加全局對(duì)象Elastos（“和欣”操作系統(tǒng)的英文名稱），該全局對(duì)象提供了一些系統(tǒng)級(jí)的方法。比如CreateObject，該方法能夠通過CAR構(gòu)件的統(tǒng)一標(biāo)識(shí)符和接口名稱創(chuàng)建出一個(gè)CAR構(gòu)件的實(shí)例，并且使該實(shí)例與SCI對(duì)象綁定。示例JavaScript源程序如下所示：

var aFoo=Elastos.CreateObject(\"www.elastos.com/example/Foo.dll\"， \"IFoo\");

aFoo.Say(\"Hello， world!\");

其中，aFoo就是SCI對(duì)象在JavaScript中的表示。當(dāng)調(diào)用aFoo的方法時(shí)，腳本引擎將該方法解析為ISCIObject的Invoke方法，從而完成了對(duì)底層CAR構(gòu)件的動(dòng)態(tài)調(diào)用。這樣，就實(shí)現(xiàn)了在JavaScript腳本語言中使用CAR構(gòu)件來進(jìn)行程序開發(fā)。

5結(jié)束語

SCI在本文完成時(shí)已經(jīng)成功地應(yīng)用到了“和欣”操作系統(tǒng)中的XMLGlue項(xiàng)目中，該項(xiàng)目結(jié)合XML，JavaScript和CAR構(gòu)件技術(shù)在應(yīng)用程序用戶界面開發(fā)中得到了大量應(yīng)用。“和欣”操作系統(tǒng)是TDSCDMA中國人第一次擁有的重大通信國際標(biāo)準(zhǔn)的配套工程，將被用在3G手機(jī)中，通過本文的工作，將使更多的人可以通過構(gòu)件的組成完成一個(gè)符合自己需要的應(yīng)用程序，從而提高3G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用水平。

本文所述工作還有很多后續(xù)工作，充分利用“和欣”操作系統(tǒng)的能力等優(yōu)化工作也在開展。本文基本上只實(shí)現(xiàn)了從腳本語言到CAR構(gòu)件的調(diào)用，還沒有實(shí)現(xiàn)從CAR構(gòu)件到腳本語言的逆向調(diào)用。實(shí)現(xiàn)逆向調(diào)用就可以讓用戶使用腳本語言進(jìn)行簡單的邏輯處理供CAR構(gòu)件回調(diào)，從而進(jìn)一步簡化開發(fā)。

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作者簡介：

鄭錕（1981），男，新疆克拉瑪依人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)軟件支撐技術(shù)；陳榕(1952)，男，北京人，主任，科泰世紀(jì)科技有限公司首席科學(xué)家，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、構(gòu)件技術(shù)；顧偉楠（1946），男，江蘇無錫人，副主任，教授，主要研究方向?yàn)榍度胧讲僮飨到y(tǒng)。

注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文