一種面向消息的中間件的設計與實現

孫弋 溫迅

摘 要：中間件是位于硬件操作系統和應用之間的通用服務。基于遠程調用的中間件技術已廣泛應用于各個領域。但介于其同步通信、客戶端/服務器強耦合且只能進行點對點通信的問題，其應用始終有相應局限。面向消息的中間件因其忽略平臺異構性、異步通信等良好特點恰好可以解決以上問題。利用SUN公司提出的JMS規范，設計消息模型用于通信，通過Java NIO事件驅動的編程模型實現異步通信，最后實現一種面向消息的中間件系統，并給出了該消息中間件在某高校選課系統中的良好應用。

關鍵詞：消息中間件;消息服務;消息隊列;異步通信;JMS規范;Java

中圖分類號：TP311.1文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）03-00-04

0 引 言

隨著企業系統中分布式架構的普及和系統的不斷擴大，在異構和分布環境下完成企業的業務管理、數據共享和數據傳輸已成為行業的焦點，這種環境下，中間件技術應運而生。CORBA（公共對象請求代理體系結構），DCOM（分布式組件對象模型），RMI（遠程方法調用）等以遠程調用為主的RPC（遠程過程調用）中間件技術已廣泛應用于各個領域[1]，但是面對愈加復雜的分布式系統，這些技術的局限性也愈加明顯：

（1）同步通信，客戶端發出請求后，須等待接收服務器的響應結果才能繼續執行;

（2）客戶端與服務器強耦合，客戶端和服務器必須同時正常運行;

（3）點對點通信，只有一組客戶端和服務器的通信。

面向消息的中間件（Message-Oriented Middleware， MOM）較好地解決了以上問題[2]。在消息中間件中，區別于傳統的遠程通信客戶端和服務器的概念，通信的兩端分別為Producer（生產者，發送消息的一方）和Consumer（消費者，接受消息的一方）。生產者將消息發送到中間件服務器中，中間件將消息通過消息隊列進行管理[3]，在合適的時候再轉發給消費者。這種模式下發送者和接收者之間是異步的，二者生命周期未必相同。同時，一條消息的接收者也不一定唯一，對于一個消息可以有多個接收者。

面向消息的中間件系統為企業提供數據傳輸服務已經多年，但始終沒有統一的標準[4]。這使得各中間件廠商產品的實現和接口各異，不同廠商中間件系統之間難以實現互操作和無縫連接。在SUN公司提出Java消息服務（Java Message Service，JMS）規范后有所改觀。

本文深入研究了SUN公司的JMS規范，同時在此基礎上，基于JMS規范設計實現了中間件系統，并給出一個在高校選課系統中消息中間件的應用實例。

1 Java消息服務

Java消息服務（JMS）是由SUN公司提出的消息中間件規范。因此JMS規范只是一系列統一的接口，并沒有具體實現。用戶可根據自己的需求對JMS接口進行實現，因為該接口與消息提供者無關，因此客戶端的應用程序可在不同機器和系統中移植[5]。同時還可結合用戶實際業務而不同實現，以達到滿意的效果。

1.1 JMS通信方式

JMS提供客戶端與服務器的同步和異步連接，并在任何時候可對消息進行傳送和儲存轉發。消息傳輸中支持兩種截然不同的通信模型：點對點模型和發布/訂閱模型[6]。

（1）點對點模型：使用Queue（即隊列）。消息從一個生產者傳送到一個消費者。在此傳送模型中，消息目的地是一個隊列。消息首先傳遞給隊列目標，再將消息從隊列發送給注冊到此隊列的消費者。向隊列發送消息的生產者數量是沒有限制的，但每個消息只能由一個消費者消費。如果沒有已注冊到隊列目標的消費者，隊列將保存接收到的消息，當消費者注冊到隊列時再傳遞給該消費者。點對點模型如圖1所示。

（2）發布/訂閱模型：使用Topic（即主題）。消息從一個生產者傳送到任何數量的消費者。在此傳送模型中，消息目的地是一個主題。消息首先傳遞給主題目標，再傳遞給訂閱此主題的所有活動消費者。向主題對象發送消息的生產者的數量沒有限制，并且每條消息都可發送給任意數量的訂閱者[7]。主題目標也支持持久訂閱的概念。持久訂閱意味著消費者已注冊了主題目標，但該消費者在消息傳遞時可能處于非活動狀態。當這位消費者再次進入活躍狀態時，會收到此信息。發布/訂閱模型如圖2所示。

1.2 JMS消息數據結構

在消息中間件中，通信的兩端通過消息傳遞信息。JMS消息對象是應用程序之間通信的基本單元。JMS消息由消息頭、消息屬性和消息體組成。消息頭描述了消息的創建者、創建時間、數據的有效長度、消息的目標隊列或主題的路由信息。屬性由客戶端定義和設置，消息體是消息的主要部分，它描述消息的內容。JMS消息模型如圖3所示。

（1）消息頭：所有JMS消息都支持統一的消息頭域，消息頭包含標識信息和路由信息。一個完整的消息頭將會傳送給所有接收消息的JMS客戶端，但不會傳送給非JMS客戶端。

（2）消息屬性：可認為消息屬性是附加的消息頭，用來支持JMS消息構建工具需要的屬性值。為消息提供了一種附加可選擇的消息頭機制。附帶應用獲其他數據，用于消息選擇器。

（3）消息體：JMS根據要攜帶的消息類型，規定消息中間件必須支持6種消息接口類型，但JMS并未定義這幾種消息接口的實現方式。因此允許消息提供者以自己的方式實現和傳送消息。這幾個接口分別是Message及該接口的5個子接口TextMessage，MapMessage，StreamMessage，ByteMessage和ObjectMessage[8]。

1.3 JMS編程模型

在JMS編程模型中，JMS客戶端通過消息服務進行消息通信。消息生產者向消息服務發送信息，同時消費者從消息服務中接受這些信息。整個通信過程使用一組JMS接口的對象來執行。

在JMS編程模型中，JMS客戶端使用ConnectionFactory對象創建一個連接對象Connection，該對象用來向消息服務發送消息或接收消息。創建連接時，將分配通信資源。大多數的客戶端均使用同一個連接對象來進行所有的消息通信。

接下來通過連接對象創建Session會話對象。Session是一個用于生成和使用消息的單線程上下文對象。用于創建通信的MessageProducer（生產者），MessageConsumer（消費者）和Destination（消息目的地），并為發送的消息定義順序。該對象通過大量的確認選項或事務來支持可靠傳輸。

發送消息時，客戶端使用MessageProducer指定Destination對象。消息生產者可設置默認傳送模式（是否持久化）、優先級和有效期值，對發往消息服務的信息進行控制。

接收消息時，客戶端使用MessageConsumer對象從指定的Destination對象接收消息。接收過程中可使用消息選擇器來接收消息客戶端感興趣的消息。

消費者支持同步或異步消息接收。異步接收時可向消費者注冊MessageListener（消息監聽器）。當會話線程調用MessageListener對象的onMessage（）方法時，客戶端將接收該消息。JMS編程模型如圖4所示。

2 消息隊列中間件的實現

2.1 消息隊列技術

消息中間件采用消息隊列技術和基于消息傳遞的異步通信機制。在分布式和異構環境中，傳統應用程序之間的相互通信需要雙方同步執行。 各系統應用間耦合性過強，在消息中間件中使用消息隊列技術，可大大減少程序之間的耦合度，應用程序只需發送一條消息后可繼續操作。接收方應用程序也無需監視整個接收過程，只需從隊列中讀取消息并對其進行處理即可。

2.2 基于JMS的消息中間件的體系結構

消息中間件在結構上分為兩個部分，客戶端和服務端。其中包含了一個JMS應用必備的4個模塊，分別是JMS客戶端、JMS提供者、消息和JNDI服務。JMS消息中間件體系結構如圖5所示。

其中消息中間件服務包含JMS服務（消息服務）和JNDI服務（命名對象服務）。JMS規范中提供兩種受管對象，ConnectionFactory和Destinatio，即前文提到的連接工廠和消息目的地需要由JNDI命名空間進行管理。JMS受管對象如圖6所示。

2.3 JMS消息中間件的實現

2.3.1 服務器端的實現

（1）服務器的實現

JMS服務器是消息中間件服務的核心。服務器啟動時，初始化服務器，讀取主機地址、監聽端口、服務類型等相關參數，并啟動相應的組件。JMS Server結構如圖7所示。

通過讀取到的相關參數，創建ServerBroker組件。同時監聽相關端口中來自客戶端的請求。ServerBroker組件用來處理與客戶端的消息通信;JMS Server的具體實現的主要API見表1所列。

最后，將啟動的ServerBroker組件保存在列表當中，該列表保存所有當前活動的客戶端連接。

消息服務可通過多種方式實現消息通信，如TCP，UDP，RMI，HTTP等，通過定義ServerBroker接口，規范連接過程并將具體通信方式做不同實現。

（2）ServerBroker接口

該消息服務的ServerBroker采用TCP方式進行通信，調用start（）方法后，創建一個ServerSocket監聽客戶端請求。收到連接請求后，ServerBroker會創建一個新線程，并通過ServerSocket的accep（）方法獲取客戶端socket與之通信。ServerBroker API見表2所列。

（3）Transport類的實現

ServerBroker組件通過Transport類實現消息傳遞，該類在一個新的線程當中，通過其send（）方法輪詢的發送隊列中的消息。該線程將一直處于輪詢狀態直到調用了stopTransport（）方法。Transport API見表3所列。

（4）JNDIServer類的實現

JNDI服務主要用于管理受管對象ConnectionFactory和Destination。初始化JNDI服務后，TCPConnection方法創建ServerSocket用來監聽客戶端的請求并與之建立連接。最后通過管理器通過bind（）方法綁定JNDI受管對象和消息目的地。同時客戶端可通過lookup（）方法獲取已注冊的受管對象。JNDI Server見表4所列。

2.3.2 客戶端API的實現

客戶端實現由JMS API定義的標準接口。 本系統的JMS客戶接口的主要實現如下：

（1）Connection對象

Connection是JMS客戶端和JMS消息服務之間處于活動狀態的套接字。Connection在創建客戶端時對其可指定唯一的客戶端標識符。連接創建后，它處于掛起模式，此時不提供任何消息。直到客戶調用 start（）方法開始消息傳遞。JMS針對兩種消息模型定義了兩種連接對象。我們在此實現QueueConnectionImpl和TopicConnectionImpl。主要功能為獲取Session對象和啟動關閉連接。

（2）Session對象

Session對象是通信中消息的創建者、生產者、消費者、主題和隊列的生產工廠。針對JMS規范，創建實現類SessionImpl，用于創建不同類型的消息，并返回相應Message對象;用于創建通信的客戶端、生產者、消費者;用于創建消息目的地和消息模型。

（3）MessageProducer對象

MessageProducer對象由Session對象創建，主要用于向對應Destination發送消息。其中主要實現其send（）方法。通過設定目的地、傳送方式、優先級等發送消息。

（4）MessageComsumer對象

MessageConsumer是Session對象所創建，用于接收來自Destination 的消息。主要實現receive（）方法用來接收消息。receive（）方法中可配置消息選擇器用于配置接收期望的消息。同時可選擇通過或異步的接收消息。對于同步接收，采用輪詢的辦法;對于異步接收，將會注冊一個消息監聽器MessageListener對象，并通過其OnMessage方法來處理異步消息。

2.3.3 消息模型的實現

消息模型按照JMS規范中消息結構的定義對其進行實現。消息頭中，Messageheader類中包含了Destination，MessageID，Priority等消息識別信息和路由信息。JMSMessageID唯一標識了隊列或主題中的每一個消息。

2.3.4 消息隊列中間件在高校選課系統中的應用

高校選課系統中的主要需求是選課時對課程余量的并發爭搶。有限的課程數量面對瞬時的高并發請求，此時就可利用消息中間件良好的異步通信特性來實現。當用戶點擊選課按鈕后，將請求發送至中間件服務器。隊列管理器開始將請求加入課程選課隊列，成功則告知正在選課，否則客戶端響應選課結束。對于隊列中的選課請求則進行課程余量減庫存處理，并記錄結果。選課過程完成后標記選課結束，并清空選課隊列，避免重復判斷和處理[9-10]。

用戶輪詢結果，如果選課結束且該用戶選課失敗，則跳轉到選課結束頁面，否則繼續等待直到成功。后面選課結果的持久化，則是選課邏輯中需要操作的業務。消息中間件在高校選課系統中的應用實例如圖8所示。

4 結 語

消息中間件在大型企業分布式應用中具有豐富的應用。相較于通過遠程調用實現服務傳遞的系統，面向消息的中間件提出了一種靈活、擴展性好且使用簡單的通信模式。可為高并發需求提供緩沖，也可忽略平臺異構性，為分布式應用提供簡單的中間橋梁。極大地增強了系統集成的簡易程度和擴展性，降低了系統更新維護成本和難度，使系統更加高效運行。目前，面向消息的中間件系統已成為中間件系統中發展最快體系，有著非常廣闊的前景。

參 考 文 獻

[1]陳旭東. 基于CORBA技術的綜合電信網管系統的構建[D].北京：華北電力大學，2005.

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[3]何雙元. 高并發下消息隊列模型的研究與應用[D].武漢：武漢理工大學，2015.

[4]朱方娥，曹寶香.基于JMS的消息隊列中間件的研究與實現[J].計算機技術與發展，2008（5）：172-175.

[5]汪濤. 基于SOA架構的中間件應用集成研究[D].西安：西安電子科技大學，2011.

[6] 佚名.Java Message Service API Rev[EB/OL].[2002-04-08].http： //java.sun. com/products/jms/.

[7]李艷春，李新，焦文彬.分布式信息系統中數據交換平臺設計與實現[J].計算機工程與設計，2012（7）：2640-2645.

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[9]王迎.自動化測試平臺的設計與實現[D]北京：北京交通大學，2015.

[10]邵作鎮，萬曉冬.基于STAF的軟件自動化測試研究與應用[J].電子科技，2010（7）：9-11.