（计算机科学与技术专业论文）一个开源j2se平台的设计和实现.pdf

个开靴s e 平台的设计和实现 f8 7 7 0 5 6 摘要 长期以来，j a v a 技术的发展和j 2 s e 平台的完善，都是由它的授权公司控制， 其发展空间和速度受到了制约。随着n e t 等新兴技术不断挑战j a v a 的地位，业 界对j 2 s e 平台改进的呼声越来越大。随着开源社区和开源软件技术的发展，一 个开源实现j 2 s e 平台的设想越来越受到业界的重视，被普遍认为是j 2 s e 平台未 来的发展趋势。 本文基于上述开源j 2 s e 平台的设想，结合本人参与设计和开发的一个开源 j 2 s e 平台实现项目，较为完整地介绍了这个开源j 2 s e 平台的架构设计、实现技 术和开发方式。 首先，本文主要以模块化的眼光，介绍了这个开源架构的设计，在介绍平台 的整体划分方案的同时，将其中重要模块的进一步划分方案做了一个较为详细的 介绍，体现了这个开源架构的独特结构特点和设计思想。随后，本文按照实现方 案，将主要功能模块的实现技术分别做了介绍。特别地，本文对本人的主要工作 a p i 库的实现做了较为详细的介绍和举例描述。最后，本文从软件工程的角 度，介绍了这个开源j 2 s e 项目在实施过程当中的若干质量保证手段。这些手段 使得上述设计和实现技术可以真正变成可靠的平台产品。 这个项目采用开源开发模式实现一个完整的j z s e 平台，在业界具有开创性 意义，对j 2 s e 平台的发展和开源软件技术的发展都做出了贡献。目前，平台的 1 4 2 版本已经问世，5 0 版本正在构建当中，项目本身也已经广受业界关注。 本人的研究工作集中于这个平台的设计和a p i 库的实现方面，以实际工作证 明了这个开源j 2 s e 平台的可行性，在平台划分、实现技术和质量保证等方面积 累了一定的经验。本文总结了本人的工作，可以为类似的开源项目和j 2 s e 实现 项目提供有益的参考。 关键字：j a v a ，j 2 s e ，开源，a p a c h e ，j a v a 虚拟机( j v m ) ，a p i 库，o a l ， 极限编程( x p ) ，单元测试 个开源j 2 s e 平台的设计和实现 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fj 2 s ei su n d e rc o n t r o lo fo n ea u t h o r i z e dc o m p a n y ， t h ep r o g r e s sis1 i m i t e d a ss o m eg r o w i n gt e c h n o l o g i e s ，s u c ha s n e t ， c h a l l e n g i n gj a v a ，t h e r ei sg r o w i n gd e m a n do fi m p r o v i n gj 2 s e a s o p e n s o u r c et e c h n o l o g ya n dc o m m u n i t yi ss t r o n gn o w ，t h e r ei sag r o w i n g r e g a r do fi m p l e m e n t i n ga no p e n s o u r c ej 2 s ep l a t f o r m ，w h i c hi sg e n e r a l l y b e l i e y e da st h et r e n do fj 2 s e b a s e dt h i s i d e aa n dar e a lo p e n s o u r c ej 2 s ep r o j e c tij o i n e d ，t h i s p a p e ri n t r o d u c e dt h ea r c h i t e c t u r e ，t e c h n o l o g ya n dd e v e l o p i n gp r o c e s so f t h i so p e n s o u r c ej 2 s ei m p l e m e n t a t i o np r o j e c t a tf i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ea r c h i t e c t u r ei nam o d e l e rv i e w b o t hg e n e r a la n dd e t a iid e sig ns c h e m ea r ein t r o d u c e d t h e n ，a c c o r d in gt o i m p l e m e n ts c h e m e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e ds o m ek e yt e c h n o l o g i e so fm a i n m o d u l e s ，e s p e c i a l l yo ft h ea p i1 i b r a r y a tl a s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e d s o m eq u a l i t ye n s u r i n gm e t h o d si nas o f t w a r ee n g i n e e r i n gv i e w t h i sp r o j e c ti m p l e m e n t saj 2 s ep l a t f o r mi nac r e a t i v eo p e n s o u r c ew a y ， a sag r e a tc o n t r i b u t i o nt ot h ej 2 s ep l a t f o r ma n do p e n s o u r c et e c h n o l o g y t h ev e r s i o n1 4 2h a sb e e nr e l e a s e d ，a n dv e r s i o n5 ，0i su n d e rd e v e l o p i n g w it hm o r ea n dm o r ec o n c e r n m yr e s e a r c hw o r kf o c u so nt h ed e s i g na n di m p l e m e n to fa p il i b r a r y ， p r o v i n gt h ef e a s i b i l i t yb yw o r k ，a n dg a i ns o m ee x p e r i e n c ei np l a t f o r m d e s i g n ，i m p l e m e n ta n dq u a l i t ye n s u r i n g t h i sp a p e rs u m m a r i z e dm yw o r k ， c a np r o v i d eu s e f u lr e f e r e n c ef o rs i m il a ro p e ns o u r c eo rj 2 s ep r o j e c t s k e y w o r d ：j a v a ，j 2 s e ，o p e n s o u r c e ，a p a c h e ，j v m ，a p iii b r a r y ，o a l ，x p ， u n i tt e s t 第2 页 1 1 背景 一个开源j 2 s e 平台的设计和实现 第一章绪论 j a v a 是当代计算机软件开发的重要技术，是一种被广泛应用的软件平台。 经过十年的发展，j a v a 技术已经成为世界上最卓越的企业应用和移动应用开发 平台之一，历史上从没有过像j a v a 这样的平台能够如此广泛地被应用，j a v a 平 台已经支撑了当今世界上大部分的企业级应用程序，目前全球j a v a 经济价值已 经超过1 ，2 0 0 亿美元。 十年来，j a v a 编程语言及平台成功地应用在网络计算及移动等各个应用领 域，比如移动电话、个人电脑、跨国金融系统和卫星通讯等。据统计，目前全球 运行j a v a 的设备已达到2 5 亿，j a v a 开发人员超过4 5 0 万，基于j a v a 技术的智 能卡达1 0 亿，基于j a v a 技术的手机达7 0 8 亿，采用j a v a 技术的p c 机达7 亿， j c p ( j a v ac o m m u n i t yp r o c e s s ，j a v a 社区进程) 成员达9 1 2 个，广大运营商使用 的j a v a 平台1 4 0 多个 2 。 s u n 公司是j a v a 的发源地，当初s u n 公司推出j a v a 时提出的口号是：“编 写一次，到处运行”。十年来，j a v a 的跨平台和开放特性已经得到公认，此外， j a v a 语言还具有众多优秀特性，包括面向对象、类似于c 和c + + 的表达语法、良 好的安全性等，在许多方面成为c o b o l 和c + + 等语言的继任者，受到全球开发人 员的青睐，并已成为企业级i t 业务应用的首选开发平台。 j 2 s e 是j a v a 的标准版本，包含了j a v a 的主要组件和重要功能，也被称作 “核心j a v a ”。在s u n 的推动下，j 2 s e 平台从最开始的一个秘密计划到如今的庞 大而丰富的平台架构，已经发展出了很多的版本，目前比较常用的是j 2 s e 的 1 4 2 版本和最新推出的5 0 版本。j 2 s e 保持了很好的向上兼容性，低版本的所 有公开承诺的接口和功能，都将会在高级版本当中继续存在。 随着软件开发平台技术的百家争鸣，原有的j 2 s e 的发展模式越来越不适应 当代计算机软件技术对j a v a 平台的期待和要求，广大开发者纷纷提出了将j a y a 平台开源的建议。在现有j a v a 平台无法开放源代码的情况下，开源社区出现了 一种开发开源j 2 s e 平台的构思，他们试图开发一个开源的j 2 s e 平台，符合1 a v a 第5 页 一个开源j 2 s e 平台的设计和实现 的规范，与现有平台兼容，实现开源j a v a 的要求，为目后j a v a 技术的快速发展 和j a v a 应用的开发提供一个有益的选择和机会。 a p a c h e 组织作为开源软件界最为成功和最具实力的组织之一，率先提出了 一个实现完整的开源j 2 s e 平台的计划，取名为h a r m o n y 。不仅是a p a c h e ，业界 很多知名的公司也参与到了这个项目当中来，为这个开源项目贡献了很多的成 果，使得这个项目在业界的影响也越来越大。这个项目计划实现上述开源的设想， 构建一个与现有5 o 平台完全兼容的开源3 2 s e 平台。这样的计划在计算机业界 还是第一次，因为重新以开源方式开发一个j 2 s g 平台是一个十分困难的事情， 需要充分的设计和良好的实现，而且还要注意不要侵犯已有非开源实现的知识产 权。 在该项目的设计和实现阶段，本人参与其中，负责部分的设计和实现工作， 开发了部分的a p i 库函数，对于整个项目的设计和关键部分的实现技术有一定的 了解。 这个项目的设计框架和实现技术都是十分先进的，项目采用多级模块化划分 的手段，将完整而庞大的j 2 s e 平台非常合理地划分为许多小模块，实现了可替 换与独立开发等等设计目标；在实际开发过程中，开源开发的种种技术手段都经 受住了考验，也实现了作为一个底层平台所应有的可靠性和高质量。更加重要的 是，这个平台的开源设计和开源实现，本身就是一个开创性的探索，对于开源软 件技术和j a v a 技术的发展都有着很好的推动和示范作用。 1 2 国内外相关研究情况 近年来，国内外对于开源j a v a 平台的研究和实践从来没有中断过，其中涌 现了许多优秀的研究成果和实践案例。不过，这些实践都不是完整的实现一个 j 2 s g 平台，而只是实现了其中的部分组件，如j v m 和a p i 库的一部分等，而且 在兼容性和可靠性方法都有很大的差距。这些事实，也从另一个角度表明了这个 开源的完整j 2 s e 平台设计构想和h a r m o n y 项目的重要意义。 1 k a f f e k a f f e 是一个非常老资格的开源j w ，提供了l i n u x 环境下的j v m 开源实现。 它基于g n u 授权，是一个主要用于研究和教学的j v m 。 第6 页- 一个开源j 2 s e 平台的设计和箕现 这个j v m 的不足之处，它自己的网站上面也承认，就是这个j v m 不适合开发 j a v a 程序，因为它的很多地方是不符合j a v a 标准的，有很多和s u n 的实现不兼 容的接口；而且，它也缺乏上层a p i 库的支持；而且这个j v m 缺乏完备的文档和 辅助工具；它对于0 s 平台的支持也只限于l i n u x 系列。 关于k a f f e 的更多信息，请参考它的官方网站b ! ! 卫；趣! ：! i ：! ! g z 。 2 c l a s s p a t h c l a s s p a t h 是g n u 组织当中的一个开源实现j a v a 核心a p i 库的项目。目前 为止，这时业界最好最完备的j a v aa p i 库，但是，它也只是实现了部分的a p i 库的功能，而编译器和j v m 还需要额外支持。 关于c l a s s p a t h 项目和g n u 组织的更多信息，请参考它的官方网站 b ! ! 坠；! 丑! 翌：g 旦坠：q 芏g 兰鱼! ! ! 垒! 宝曼! 垦墨墨巳垦主b 。 3 6 c j g c j 是g n u 当中6 c c 系列编译器的新成员。g c j 可以将j a v a 程序编译成本地 代码，所以严格的说它不算是一个真正意义上的j v m 。 关于6 c j 的更多信息，请参考它的官方网站b ! ! p ；g ! ! ：鲤! ：! ! g i i ! 型。 4 国内发展 在中国的互联网时代刚刚开始的时候，人们普遍认为j a v a 只是一种增强网 页效果的工具。不过很快，人们开始认识到j a v a 的强大功能。现在，在中国大 学的计算机系里面，j a v a 语言已经慢慢成为一种和c c + + 一样必修的语言，在中 国的书店里面，j a v a 书籍成为最畅销的技术类图书之一。 但是，在国内，j a v a 还处于应用阶段，很少有国内的组织和个人参与到j a v a 的发展当中来，要在国内找到一个开源的j a v a 平台实现，就更加的困难。不过， 近年来国内还是在推动j a v a 发展的道路上有了一些进展。不久前，中国中间件 软件领域的厂商金蝶中间件公司与s u n 公司正式签署j 2 e e 应用服务器认证协议， 并通过了j a v ac o m m u n i t yp r o c e s s ( j c p ，j a v a 标准制定组织) 的审核，正式成为 其中的一员，这标志着中国有了第一个参与制定j a v a 发展标准的组织了。 1 3 本人的工作 本人从去年开始参加这个开源j 2 s e 项目的开发工作，到目前为止，已经工 第7 页 一个开源j 2 s e 平台的设计和实现 作了半年时间。本人的工作包括一些设计工作和a p i 库的实现工作，主要工作是 a p i 库的实现。 设计方面的工作主要包括平台整体的架构设计，以及主要模块的内部具体设 计。平台的整体架构设计是由a p a c h e 组织和各大合作公司的资深成员共同合作 完成的，每一个参与项目的工程技术人员都必须了解这个整体的划分和架构，为 保持内容的完整性，这个方面的内容将会在本文中加以一定的说明和介绍；在具 体的模块设计方面，本人主要参与了a p i 库的划分和设计。a p i 库是整个j 2 s e 平台最大最复杂的部分，实现了几乎所有j 2 s e 平台的对外表现功能。开源a p i 库的设计，必须要将整个a p i 库进行合理划分，然后由不同组织分别独立开发， 保证开发的效率和可移植性。这样，就要求一个面向模块化的设计思想。本人参 与的a p i 库的设计工作，就主要在于库的划分和重构，包括：对l a n g ，u t i l ， n e t ，i o n i o 等模块的划分做出可行性研究；对它们进行具体划分；分配相关的 外部接口和内部本地代码模块。这些内容将会重点在本文设计方面的章节加以介 绍。 实现方面的工作主要包括a p i 库的实现、j v m 的实现、跨平台函数库的实现 等。本人的主要工作就在a p i 库的实现上。这个部分的工作主要依靠开发人员根 据设计架构，阅读a p i 文档，编写测试代码，编写实现代码，进行单元测试和集 成测试来实现。在这部分的工作当中，开发人员将使用非常多的软件开发技术和 软件工程手段，来确保a p i 库的质量。本人参与了很多a p i 库的实现和测试，主 要包括：u t i l 模块当中的日志记录包的实现：n i o 模块当中c h a n n e l s 类和多个 网络类的实现：n i o 模块和n e t 模块共同部分的重构工作；e c l i p s e 、t o m c a t 等 开源平台上的移植和测试工作，等等。这些内容将会重点在本文实现方面的章节 加以介绍。 本人在完成硕士阶段学习以后，将会继续参与这个项目的开发。 1 4 本文的主要内容 基于上述背景，本文将要重点介绍一下这个开源j 2 s e 平台的设计和实现， 通过介绍本人参与和了解的设计和实现工作情况，较为完整地阐述这个平台的设 计思想和实现技术。 第8 页 一个开源j 2 s e 平台的设计和实现 本文的主要内容和相关章节的简介如下： 本文第一章提出项目的背景和基本情况，简介国内外相关研究状况，概括全 文内容。 本文的第二章着重介绍开源j j s e 平台实现的构思。首先，本章将对j a v a 技 术和j j s e 平台做一番简要介绍；介绍j a v a 技术的基本发展历程；介绍目前在计 算机行业内，j a v a 遇到的挑战和问题。随后，本章将介绍开源软件技术和主要 的开源软件组织。最后，本章将提出这个开源j 2 s e 平台的构思，简述其目标和 意义；概括其难点和主要问题。 本文第三章着重介绍平台的设计情况。首先，本章将提出这个开源平台的设 计目标。随后，本章将介绍这个平台设计的整体架构。最后，本章将针对设计目 标，按照整体架构的划分，以“模块化”划分的思想为基础，逐一地介绍这个平 台当中的各个组件的设计情况，重点介绍a p i 库、g y m 、o a l 等组件的设计。 本文第四章着重介绍平台的实现技术。本章将依次对上一章当中介绍的主要 组件，如a p i 库、j v m 和o a l 等，分别仔细的做出实现方面的介绍，给出具体的 实现方法和相关技术介绍。 本文第五章着重介绍项目的质量保证措施。首先，本章将介绍实际项目开发 过程当中的一些质量方面的挑战。随后，本章将关注品质保证方面的话题，将测 试优先、持续集成、结对编程等技术手段做一个介绍，并对项目的相关法律话题 进行一定的介绍。 本文第六章介绍项目目前取得的成果，对全文内容做一个总结，对这个平台 的设计架构、实现技术和项目开发做一个前景展望。 第9 页 个开源j 2 s e 平台的设计和实现 第二章开源j 2 s e 平台的构思 j a v a 技术是一种计算机编程工具，从1 9 9 5 年正式推出至今，j a v a 已经成为 世界上最为成功的软件开发平台。但是，j a v a 现有的发展模式限制了它的进一 步发展。此时，开源软件的构思给j a v a 的发展带来了瓶的希望和选择。本章将 对j a v a 的基本特性和发展现状做一个简要的介绍，然后讨论一下开源j 2 s e 的构 想对j a v a 未来发展的影响。 2 1j a v a 技术与j 2 s e 平台 2 1 1j a v a 与j 2 s e j a v a 语言是一种先进的、有生产力的高级语言。它稳定，安全，便于开发， 它的很多特性，深深的影响了计算机软件技术的发展。它的主要特性有： 1 面向对象 j a v a 语言是一种比c + + 语言更为纯粹的面向对象( o b j e c to r i e n t e d ) 的语言， 它抛开了向c 语言兼容的负担，建立在完全面向对象的基础之上。 2 平台无关 用j a v a 写的应用程序不用修改就可在不同的软硬件平台上运行。j a v a 虚拟 机( j v m ) 在目标码级别实现平台无关性。 3 分布式 j a v a 提供了一整套的网络支持程序库，开发人员可以利用这个库进行网络 程序设计，方便得实现j a v a 的分布式特性。 4 可靠性 j a v a 是强类型的语言，要求显式的方法声明；j a v a 不支持指针，杜绝了内 存的非法访问；j a v a 的自动垃圾收集机制防止了内存丢失等动态内存分配导致 的问题；j a v a 解释器运行时实施检查，可以发现数组和字符串访问的越界。这 些特性，强化了j a v a 的可靠性。 5 安全性 第1 0 页。 一个开源j 2 s e 平台的设计和实现 j a v a 的字节码校验器、j a v a 解释器、类装载器 4 等组件都考虑了安全检查 的机制，使得j a v a 成为安全的编程语言。 6 多线程 跟c + + 语言相比，j a v a 语言内置了丰富的多线程库和底层代码支持，使得多 线程容易实现。 j a v a 作为一个强大的平台，可以开发桌面应用、企业级i t 应用以及移动设 备的应用。基于应用类型，j a v a 平台分为以下三种版本 5 ： 1 j 2 s e 代表j a v a2s t a n d a r de d it i o n ，也叫c o r ej a v a ，包含了j a v a 语言的核心 部分，主要用于开发跨平台的桌面应用。 2 j 2 e e 代表j a v a2e n t e r p r i s ee d i t i o n ，基于j 2 s e ，提供了企业级1 t 应用的一 些扩充支持，主要开发企业级i t 应用。 3 j 2 m e 代表j a v a2m i r c oe d i t i o n ，是j 2 s e 的精简版本，用于移动设备如手机、 p d a 的应用。 可见，j 2 s e 是整个j a v a 技术的核心，是所有j a v a 应用的基石。而j 2 s e 本 身又是一个完整而庞大的体系结构，它的基本结构如图1 所示 3 。 第1 1 页。 个开源j 2 s e 平台的设计和实现 圈1j 2 s e5 0 体系结构图 上图中，有几个部分特别的重要： 1 j w 就是j a v a 的虚拟机，j a v a 虚拟机是一个想象中的机器，在实际的计算机上 通过软件模拟来实现。j a v a 虚拟机有自己想象中的硬件，如处理器、堆栈、寄存 器等，还具有相应的指令系统 1 。j v m 在执行编译好的程序时，把字节码解释成 具体平台上的机器指令执行，这是实现平台无关性的关键。 2 a p i 库 也就是j 2 s e 的“类库”( c l a s sl i b r a r y ) ，包含了丰富的应用接口和功能组 件，实现了绝大部分的j a v a 高级功能，是j 2 s e 最常被程序员直接用到的部分。 3 应用工具 j a v a 的辅助工具，帮助开发人员生成、部署、监控和调试程序。 j a v a 程序的简单执行过程如图2 所示。代码被编译器翻译成统一的二进制 字节编码形式，在不同的平4 2 ，被相应的j v m 解释执行，从而实现了“一次编 写，到处使用”( w r i t eo n c e ，f u r la n y w h e r e 2 ) 。 第1 2 页 2 1 2j a v a 的发展 个开源j 2 s e 平台的设计和实现 图2 简单j a v a 程序的执行过程 早在1 9 9 1 年，s u n 公司的j a m e sg o s l i n g 领导了一个秘密团队，开发出了 j a v a 语言的前身o a k 2 。1 9 9 5 年，j a v a 语言正式问世，在互联网应用当中发挥 了令人惊奇的潜能。如今，j a v a 已经成为世界上最有生产力的语言之一，世界 上到处可见j a v a 的应用。 j a v a 是发展的语言，从最开始的j d k1 0 版，到目前最先进的5 0 版本， j a v a 显示出了蓬勃的发展潜力。在发展的道路上，j a v a 的众多开拓者实现了很 多先进的思想，如垃圾收集器、文档注释自动生成、即时编译器( j i t ) 等等。 s u n 公司作为j a v a 语言的发明者，一直控制着j a v a 语言的发展。在j a v a 技术的授权文档当中，s u n 明确指出j a v a 不是开源的，其公布出来的源代码可 以用来学习和帮助理解，但是不可随意改动和发布新版本 2 。 j a v a 的发展是通过一个叫做j c p 的组织来进行的。j c p ( j a v ac o m m u n it y p r o c e s s ) 成立于1 9 9 5 年，是使有兴趣的各方参与定义j a v a 的特征和未来版本的 正式过程。j c p 使用j s r ( j a v as p e c i f i c a t i o nr e q u e s t s ) 作为正式规范文档， 描述被提议加入到j a v a 体系中的规范和技术 6 。j c p 不断的通过j s r 来规范 j a v a 未来的发展。不过，j c p 实际上处于s u n 公司的控制之中。 j c p 产生的文件，通常是指导性的标准和规范，规定了j a v a 的特性，这些 规范是公开的，可以被利用的。遵照这些规范，任何个人、公司和团体都可以开 发自己的完整或者部分的可运行代码，这些实际可用的代码，叫做j a v a 平台的 一个“实现”( i m p l e m e n t a t i o n ) 4 。目前，完整的j 2 s e 实现只有s u n 的j d k 系 列，而其他的j 2 s e 实现，如b e a 公司的j d k ，基本上都是在s u n 的授权之下， 。第1 3 页 一个开源j 2 s e 平台的设汁和实现 基于s u n 的核心组件，对某一些方面做出了一些优化和改进，本质上还是以s u n 的j d k 为基础的。 2 1 3j a v a 技术现状 在最新版本的j 2 s e 5 0 当中，j a v a 平台引入了很多的新特性，如“泛型” 编程、自动装箱机制、枚举类型、同步集合、格式输入输出 3 等等，极大的丰 富了平台的功能，提高了应用的性能。但是，业界的竞争也是残酷的，j a v a 如 今推出的新特性，虽然十分强大，但是其中很多特性并不是j a v a 首创的了，而 是j a v a 在追赶和借鉴其他语言。 在j a v a 语言创造奇迹的那段时间里，微软公司借鉴了j a v a 的特性，推出了 自己的开发框架n e t ，其中的c # 语言脱胎于j a v a 语言，c l r ( c o m m o nl a n g u a g e r u n t i m e ) 对应于j v m 。在很多地方，强大的微软投入了很多的功夫，使得n e t 框 架性能优异，不仅实现了j a v a 技术当中的很多优点，如面向对象、异常处理等 等，而且还解决了很多j a v a 当中的很多性能上的缺点，提高了虚拟机的执行效 率。在短短的时间内，n e t 和j 2 e e 分庭抗礼，成为当今软件开发技术的两大阵 营。 对比n e t 技术的突飞猛进，j a v a 的发展却显得比较缓慢。s u n 公司在财力 上无法像微软一样支持j a v a 技术的发展，在授权上又牢牢控制了j a v a 的发展， 使得j a v a 阵营慢慢的失去了原有的优势，两大阵营的平衡逐渐发生偏移。 j a v a 语言最有活力的地方，在于世界上成千上万的开发者基于j a v a 平台开 发出来的优秀的组件和应用。在竞争激烈的今天， 为了能够实现更为性能优异 的组件，也为了能够在竞争中不至于落后，无数开发者都希望s u n 公司能够公开 j a v a 的源代码，这样，全球的开发者就可以集思广+ 益，共同努力，以前所未有 的力度推动j a v a 语言的发展。不过，基于兼容性的考虑，s u n 公司没有同意这 样做，j a v a 依然不是开源的平台，所有跟j a v a 本身相关的发展必须通过j c p 流 程。 2 2 开源软件技术 近年来，随着软件开发技术的进步和全球软件产业的交流融合，开放源代码 第1 4 页 一个开源j 2 s e 半符的设计和荽现 的软件越来越受到业界的重视。 开源软件的英文为o p e ns o u r c es o f t w a r e ，简称为o s s 。开放源代码软件就 是在开放源代码许可证下发布的软件，以保证软件用户自由使用及接触源代码的 权利，同时也保障了用户自行修改、复制，以及再分发的权利 7 。 目前业界有很多开源的组织倍受瞩目，他们的产品甚至在性能和功能上还超 过了某些收费的软件： 1 a p a c h e a p a c h e 组织是一个1 9 9 9 年成立的庞大的开源软件组织，拥有自己完整的开 发团队和管理机构，拥有自己的开源软件证书和规范，是整个开源软件世界当中 最引人注目的组织。 它拥有许多开源项目，其中有很多是程序员们耳熟能详的，如实现m v c 模式 的经典框架s t r u t s ；广泛被采用的j s p s e r v l e t 容器t o m c a t ：开源的邮件服务 组件j a m e s ；对j a v a 集合框架的有效扩充j a k a r t ac o m m o n s ；j a v a 当中最好的 日志管理组件l 0 9 4 j ；以及大名鼎鼎的项目集成工具a n t 等等 8 。它是从最开 始的a p a c h ew e bs e r v e r 发展而来的，而这个性能卓越的开源网络服务器软件， 一直以来就以压倒性的优势领先于微软的i i s ，占据了大部分的市场份额。 2 g n u g n u 是u n i x 世界的开源组织，它的主要贡献是开源的操作系统l i n u x 。 3 j b o s s j b o s s 是开放源代码的，遵从j 2 e e 规范的，1 0 0 纯j a v a 的e j b 服务器。j b o s s 的用户数以万计，遍及世界。 4 m o z i l l a m o z i l l a 最有名的产品就是网络浏览器f i r e f o x ，这个从l i n u x 浏览器 m o z i l l a 发展而来的开源产品已经越来越在w i n d o w s 系统中体现出优于i e 浏览 器的特性了。 5 其他 当然，其他很多的开源产品也令人关注，如p e r l 、p h p 、m y s q l 、f r e e b s d 等 等。 有了开源组织，软件业就不再是少数大公司一统天下的格局了，每一个开发 第15 页 个开游j 2 s 平台莳设计和实蜕 人员，都可以接触到产品的源代码，对它提出自己的看法；甚至可以直接加入项 目开发流程当中，直接推动产品的发展。虽然产品是免费的，但是开源产品本身 巨大的价值，可以保证他们被高质量而又高效率的开发和维护。 2 3 开源j 2 s e 平台 2 3 1 构思和意义 有了开源的操作系统l i d l i x ，为什么不能有开源的j 2 s e 平台? 在j a v a 发展 到今天这个格局的情况下，不少开源的j a v a 项目应运而生。j a v a 开发者十分渴 望j a v a 本身也能够开源，这样，他们就可以根据底层的平台细节，开发出更好 的j a v a 产品。 但是，j a v a 事实上不是开源的，它的发展受到限制。为了解决当前j a v a 面 临的问题，迎接其他平台的挑战，有一种构思越来越受到业界的重视，那就是构 建开源j 2 s e 平台的想法。 这个想法的基本内容是：依照现有的j 2 s e 框架，用开源的方式，完成一个 功能完全一样的j 2 s e 实现，这样，就证明了开源j a v a 的可行性。随后，这个开 源的j 2 s e 实现必定会以它的自由和灵活的特性，受到业界重视，今后的j c p 也 会随之改变，以开源的思维来发展未来的j a v a 技术。可以想象，在这个开源j 2 s e 的基础上，开源的j 2 m e 和j 2 e e 实现也可以很容易的实现。最后，整个j a v a 阵 营将充满生机和活力，因为，那个时候，j a v a 将不再是一家公司的专利，而是 所有开发者共同的财富，所有的人、公司和团体都可以自由地提出自己的j a v a 版本，j c p 则会维护一个开源的标准版本保证兼容性，真正实现了“大家的j a v a 大家来推动” 9 。 这个构想并不是迫使s u n 公司放弃自己的权利，而是自己开发一套完整的 j 2 s e 实现，与现有的s u n 的实现共同存在，给广大开发者一个另外的选择，在 推动j a v a 技术发展的同时也用实际项目来激励开源软件的发展。 这个想法是可行的，因为j 2 s e 的规范是公开的，可靠的，任何团体都可以 提出自己的实现，而不仅仅只是目前的一种选择而已；这个想法也是很有价值的， 因为目前确实没有第二个完整的j 2 s e 实现，开源j 2 s e 平台的出现将极大的推动 技术进步。 一篱1 6 页 2 3 2 问题和难点 一个开源j 2 s e 平台的设计和实现 作为一种开创性的想法，开源j 2 s e 的实现有着很高的难度，又很多的重要 事项值得注意： 1 模块划分 如图1 ，j 2 s e 平台是一个庞大的体系，必须以最低的耦合度划分出来，准 确规定好互相之间的接口，才可以把技术风险降到最低。 划分是一个很复杂，同时又是很重要的一个问题。因为在s u n 公司的最初设 计里面，没有考虑过模块化和开源的想法，所以固有的耦合性比较大。而且，这 个划分既有全局的划分，即把整个平台划分为几个大的组件，如j v m ，a p i ，t o o l s 等等，也有局部的划分，例如把a p i 库进一步划分成一些软件包的集合。 2 可用性 开源软件的开发方式比较自由，而且开发人员可能来自世界各地，不同的背 景，不同的时区，不同的文化，使得协作和沟通变得十分困难，这对于软件产品 的质量和可用性造成了一定的影响。 鉴于这个问题，开源j 2 s e 实现必须由一个开源组织统一领导，开发者必须 遵守一定的质量保证原则和方法，还需要有一整套的方法来检验产品质量。 3 兼容性 作为一个开源产品，这个实现并不需要，也不能够在现有实现的基础上有所 改动，一定要保证兼容。为了做到兼容现有实现，开发者必须做相应的工作。 4 维护与升级 开源产品的最大问题之一就是难于维护和升级。这个实现的关键就在于有一 个完整的开发流程和一个强大的开源社区支持，保证维护和升级的可靠。 5 知识产权 有一个法律问题值得人们的注意，那就是：如何保证开源版本的j 2 s e 不会 抄袭现有s u n 的j d k 源代码? 根据s u n 的授权，改动j d k 的源代码是非法的 2 。 根据知识产权一般规则，法律不保护想法和公开的规范，所以参照规范开发实现 是可以的，但是法律保护具体的实现，抄袭或者借鉴已有的非开源的实现代码， 是非法的。 鉴于以上原因，这个开源j 2 s e 平台的开发方式将要受到一定的限制。在开 第1 7 丽一 个开源j 2 s e 平台的设计和实现 发过程当中，所有的开发人员必须签订协议，保证自己过去没有，在开发过程中 也不会查看s u n 公司的j d k 实现代码；而且，开发流程中还要加入一些特殊的软 件工程流程，来保证代码的“纯洁性”。 2 4 小结 j a v a 技术，尤其是核心的j 2 s e 平台，是一种功能强大，同时又生机勃勃的 计算机软件开发技术。由于技术竞争和技术发展的需要，开发者提出了实现一个 和现有5 0 版本j 2 s e 平台完全兼容的开源版本j 2 s e 实现的构思。开源j 2 s e 的 实现是十分有意义而又富于挑战的。在下面的章节中，本文将介绍a p a c h e h a r m o n y 项目的设计和实现，这个项目，就是基于以上开源j 2 s e 平台的构思， 由开源组织a p a c h e 基金会发起和推动的一个实际项目。本人在项目当中承担了 一定的设计和实现的工作，本文的重点内容，就是介绍本人所了解和参与的该项 目的设计和实现的相关情况。 第1 8 页 一个开源j 2 s e 平台的设计和实现 第三章平台设计 为了实现以上开源j 2 s e 平台的构想，开源组织a p a c h e 提出了一个名为 h a r m o n y 的开源软件项目。这个项目就是基于上述思想，从底层虚拟机开始，实 现一个完整的开源j 2 s e 平台。从本章开始，本文将结合这个项目的情况以及本 人在项目当中的实际工作，对以上开源j 2 s e 构想的设计和实现做一个介绍。本 章将要重点介绍开源j 2 s e 平台的设计和模块划分，以及其中的主要组件的划分 情况，这是整个平台成败的关键。 3 1 设计目标 开源软件的开发流程，具有一定的自由性和不确定性。通常的情况是，来自 世界各地的开发者，在一个组织的统一协调下，分工合作，不定期的提交一些功 能模块，然后集成到一个大的平台产品当中。这样的开发方式是开源软件的固有 特征，不可改变，但是对于j 2 s e 这样的庞大体系，这样的开发模式会增加产品 的风险。 为了减小风险，也为了便于平台的升级和维护，平台的设计者就要充分考虑 以上问题，合理的划分平台，定义好模块之间的接口，降低耦合性。这个开源平 台的设计目标是： 1 符合j 2 s e 基本结构 与现有的j 2 s e 实现功能上兼容的同时，在基本的大的组件方面也要做到一 致。如j v m 、a p i 库、j i t 组件等等大规模组件必须对应一致。 2 可独立开发 为了开发的便利和风险的降低，平台的模块必须实现独立开发，各个模块之 间尽量减少耦合，这样才可以发挥开源项目的优势，避免其缺陷。 3 模块替换 在j a v a 的开源世界里，随时都有很多开源软件的出现，如果出现了某些优 秀的开源j 2 s e 组件，应该允许它们方便的替换进来；另外，如果发现本身某一 个模块实现上的不足，也可以方便的替换出去，而不影响整个平台。 第1 9 页 一个开源j 2 s e 平台的设计和实现 4 共享组件 除开提供完整的j 2 s e 实现，这个项目的另外一个有价值之处就是在于为开 源社区提供共享的j 2 s e 组件。这个目标十分重大，因为一个完整的j 2 s e 平台， 本身就意味着了聚集了很多有价值的组件。所以，平台的设计必须确保这些组件 可以方便的被共享和重用。 3 2 整体架构 完整的j 2 s e 平台的设计，应该是多个层次的。首先，应该在最抽象的层次， 按照设计目标，划分出整体的模块组件，规定好它们的互联规范；然后，应该在 比较具体的层次，在比较大的组件当中再次划分予模块，例如a p i 库的进一步划 分。 整体的架构如图3 所示。 图3 平台总体架构图 在这个图当中，各个主要组件的基本情况如下： 1 j v m j v m 组件用于实现开源的j a v a 虚拟机。这个部分主要考虑虚拟机内部应该 实现的类装载、验证和执行引擎等功能。虚拟机应该支持j i t 。同时，为了组件 独立，它应该规定好v m 的接口，便于上层a p i 库透明的替换和升级j v m 。 2 c l a s sl i b r a r y 这就是a p i 库，是j 2 s e 的核心，也是最具活力的部分。虽然j a v aa p i 内部 一第2 0 页 一个开源j 2 s e5 f 台的设计和实现 已经分好了很多的包( p a c k a g e ) ，但是，真正实现这些a p i 还需要本地代码，它 们的关系很复杂。所以，基本的做法就是将已有的包重新划分，尤其是本地代码 部分要做出相应的划分。 3 o a l 这个组件是一个位于平台底层的组件，负责与0 s 交互。不同的0 s 有不同的 系统调用，这个o a l 组件就是整合了不同平台的系统调用，将它们透明的提供给 上层的j v m 或者j a v aa p i 使用的。o a l 是实现平台无关性的关键。 4 辅助工具 如同现有j 2 s e 平台的实现一样，开源的实现也要提供一定的辅助工具，例 如调试工具、内存检测工具和性能分析工具等等。不过，这个部分比较松散，这 些工具一般也是可选的，不是必需的，与整个系统的关联不是特别紧密。 3 3a p i 库设计 a p i 库，也就是c l a s sl i b r a r y ，是j 2 s e 当中最复杂和最常用的部分。它提 供了开发者丰富的编程接口，给j a v a 应用程序提供了实现的基础。更重要的是， 在j 2 s e 的a p i 基础上，很多产品被开发出来，如a p a c h e 的j a v a 组件等等。所 以说，a p i 库是开发者直接面对的编程工具，也是j a v a 系统的基础。 a p i 库的目标，是要实现一个标准j 2 s e 库，和现有的s u n 的j d k 兼容一致。 虽然不会增加特性，但是在不看s u n 的源代码的限制下，设计和开发这样的a p i 库，依然是一项艰巨的工作。 c l a s sl i b r a r y 系统的设计，主要上分为以下四个大类，三十多个模块，如 图4 所示。图中所示只是主要模块，其他的小模块包含在某些模块当中( 如反 射模块就包含在l a n g 模块