基于Proxy模式的遠(yuǎn)程處理框架研究

（武夷學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)系，福建 武夷山354300）

在分布式應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)中，基于面向服務(wù)體系架構(gòu)(Service-Oriented Architecture，SOA）的軟件架構(gòu)已經(jīng)成為主流。JavaRMI、EJB、CORBA(Common Object Request Broker Architecture，公共對(duì)象請(qǐng)求代理體系結(jié)構(gòu)）和Microsoft的 WCF(Windows Communication Foundation，視窗通信基礎(chǔ)）、.NET Remoting、Web Service等都可以用于SOA系統(tǒng)的開發(fā)[1-5]。以上技術(shù)作為成熟的機(jī)制，經(jīng)過(guò)層層包裝，隱藏了技術(shù)細(xì)節(jié)，在方便開發(fā)人員使用的同時(shí)，也存在一個(gè)問題：開發(fā)人員知道如何使用框架進(jìn)行開發(fā)，但無(wú)法理解框架原理及底層運(yùn)作細(xì)節(jié)，對(duì)于一些特殊的編程需求，難以對(duì)框架進(jìn)行有效擴(kuò)展。為此，筆者提出了一種基于Proxy模式的遠(yuǎn)程處理框架，其在局域網(wǎng)的應(yīng)用中編程模型簡(jiǎn)單，框架原理易于理解，且能夠?qū)崿F(xiàn)高速有效的遠(yuǎn)程方法調(diào)用。

1 Proxy模式

Proxy模式有助于跨越障礙進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問[6]。Proxy模式的意圖是為其他對(duì)象提供一種代理以控制對(duì)這個(gè)對(duì)象的訪問[7]。其適用場(chǎng)合之一就是遠(yuǎn)程代理(Remote Proxy）模式。遠(yuǎn)程代理為一個(gè)對(duì)象在不同的地址空間提供局部代表，隱藏了一個(gè)對(duì)象存在于不同地址空間的事實(shí)。Proxy模式的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其參與者中，Proxy對(duì)象保存一個(gè)引用使得代理可以訪問實(shí)體RealSubject對(duì)象。若為遠(yuǎn)程代理，則Proxy對(duì)象負(fù)責(zé)對(duì)請(qǐng)求及其參數(shù)進(jìn)行編碼，并向不同地址空間中的實(shí)體發(fā)送已編碼的請(qǐng)求。

圖1 Proxy模式結(jié)構(gòu)

2 遠(yuǎn)程處理框架

遠(yuǎn)程處理框架從功能上應(yīng)當(dāng)使跨應(yīng)用程序邊界（可以跨應(yīng)用程序域、跨進(jìn)程、跨機(jī)器乃至跨網(wǎng)絡(luò)）的應(yīng)用程序之間能夠進(jìn)行通信。為便于敘述，將參與通信的應(yīng)用程序區(qū)分為客戶端和服務(wù)器端。通過(guò)遠(yuǎn)程處理框架，客戶端能夠以與調(diào)用本地方法相同的方式調(diào)用服務(wù)器端的遠(yuǎn)程服務(wù)對(duì)象的方法。筆者提出的遠(yuǎn)程處理框架包含代理和遠(yuǎn)程處理2個(gè)組件，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于Proxy模式的遠(yuǎn)程處理框架

通過(guò)使用代理組件，客戶端獲得TransparentProxy(透明代理），TransparentProxy調(diào)用RealProxy（真實(shí)代理）的Invoke方法，所以，重寫Invoke方法是創(chuàng)建代理對(duì)象的關(guān)鍵。Invoke方法應(yīng)當(dāng)包括：向服務(wù)器發(fā)出鏈接請(qǐng)求；將調(diào)用請(qǐng)求封裝成消息，向服務(wù)器發(fā)送該消息；等待并接收返回消息；將消息返回代理對(duì)象。因透明代理與遠(yuǎn)程服務(wù)對(duì)象類型一致，故客戶端調(diào)用代理上的方法與調(diào)用遠(yuǎn)程服務(wù)對(duì)象的方法相同。

現(xiàn)有的各類遠(yuǎn)程處理框架中，服務(wù)器一般充當(dāng)宿主，即只發(fā)布遠(yuǎn)程服務(wù)對(duì)象，其余的工作都由遠(yuǎn)程處理框架完成?？蚣苤械倪h(yuǎn)程處理組件遵循此原則，其功能包括監(jiān)聽客戶端鏈接請(qǐng)求、根據(jù)客戶端的調(diào)用請(qǐng)求調(diào)用服務(wù)對(duì)象的方法、將方法調(diào)用的結(jié)果發(fā)送回客戶端的代理對(duì)象等。

3 遠(yuǎn)程處理框架的實(shí)現(xiàn)

筆者所提出的遠(yuǎn)程處理框架采用Remote Proxy模式，由代理組件和遠(yuǎn)程處理組件構(gòu)成。代理組件ProxyClass從抽象類RealProxy派生，其通過(guò)持有遠(yuǎn)程服務(wù)接口IServerClass可在客戶端中以本地化的方式調(diào)用遠(yuǎn)程服務(wù)對(duì)象的相關(guān)方法；遠(yuǎn)程處理組件發(fā)布遠(yuǎn)程服務(wù)對(duì)象，并通過(guò)Socket監(jiān)聽來(lái)自客戶端的鏈接請(qǐng)求，根據(jù)請(qǐng)求內(nèi)容進(jìn)行方法調(diào)用并返回處理結(jié)果。

3.1 Remote Proxy模式結(jié)構(gòu)

Remote Proxy模式與傳統(tǒng)Proxy模式最大的區(qū)別在于代理類ProxyClass沒有實(shí)現(xiàn)公共接口IServerClass，而是派生于RealProxy類(見圖3）。RealProxy是.NET框架提供的用于實(shí)現(xiàn)代理功能的抽象類，其包括抽象方法Invoke，Invoke方法定義如下：

public abstract IMessage Invoke（IMessage msg）；

其中，類型為IMessage的參數(shù)msg包含了有關(guān)方法調(diào)用的信息：對(duì)象標(biāo)識(shí)、方法名和參數(shù)列表等。RealProxy通過(guò)Invoke方法持有遠(yuǎn)程服務(wù)接口的信息。ProxyClass因派生于RealProxy而獲得了遠(yuǎn)程服務(wù)接口，并通過(guò)Invoke方法實(shí)現(xiàn)了Remote Proxy模式的意圖：對(duì)方法調(diào)用請(qǐng)求信息進(jìn)行編碼，并向不同地址空間中的實(shí)體發(fā)送已編碼的請(qǐng)求[6]。

圖4 遠(yuǎn)程處理框架通信流程

3.2 代理組件設(shè)計(jì)

代理組件是遠(yuǎn)程處理框架中應(yīng)用于客戶端的重要組件，客戶端通過(guò)代理組件實(shí)現(xiàn)方法調(diào)用消息的封裝、傳輸，并接收遠(yuǎn)程服務(wù)對(duì)象調(diào)用結(jié)果的返回消息（見圖4）。

創(chuàng)建任何代理類都必須繼承于抽象類RealProxy[7]。為了獲取遠(yuǎn)程對(duì)象的透明代理，可通過(guò)調(diào)用代理類的GetTransparentProxy方法。用透明代理對(duì)象調(diào)用遠(yuǎn)程對(duì)象的方法時(shí)，將自動(dòng)調(diào)用被重寫過(guò)的Invoke方法。重寫Invoke方法的主要步驟如下：①生成遠(yuǎn)程對(duì)象方法的調(diào)用消息。以下代碼中，RemoteMethodInfo類是自定義的，用于表示遠(yuǎn)程對(duì)象方法的調(diào)用消息：

②將調(diào)用消息序列化到內(nèi)存流。這里需要用到MemoryStream類，該類定義的流對(duì)象可以將對(duì)象狀態(tài)序列化到內(nèi)存中。③與發(fā)布遠(yuǎn)程對(duì)象的服務(wù)器建立鏈接。用TcpClient類的構(gòu)造函數(shù)進(jìn)行到服務(wù)器的鏈接，此處需提供主機(jī)名和端口號(hào)。④將步驟②處理結(jié)果發(fā)送到服務(wù)器。TcpClient類的GetStream方法返回一個(gè)NetworkSteam類對(duì)象，該對(duì)象用于對(duì)Internet中的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送或接收。⑤等待服務(wù)器響應(yīng)。DataAvailable屬性用于確定是否可以讀取數(shù)據(jù)，如果可以在NetworkSteam上讀取數(shù)據(jù)，則為true，否則為false。⑥從服務(wù)器接收數(shù)據(jù)。當(dāng)服務(wù)器將調(diào)用結(jié)果返回時(shí)，將流上的數(shù)據(jù)讀取到字節(jié)數(shù)組＿buffer中，并用其構(gòu)建內(nèi)存流對(duì)象，最后將接收到的數(shù)據(jù)反序列化以重構(gòu)對(duì)象。⑦根據(jù)調(diào)用結(jié)果構(gòu)造返回消息。構(gòu)造返回消息就是創(chuàng)建ReturnMessage對(duì)象，該對(duì)象將被RealProxy類的其他方法解包裝，獲得真正的調(diào)用結(jié)果。

3.3 遠(yuǎn)程處理組件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程處理組件是遠(yuǎn)程處理框架的核心，服務(wù)器端使用遠(yuǎn)程處理組件注冊(cè)信道，發(fā)布遠(yuǎn)程服務(wù)對(duì)象，并處理來(lái)自客戶端的調(diào)用請(qǐng)求[8]。遠(yuǎn)程處理組件結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中RegisterChannel方法實(shí)現(xiàn)信道注冊(cè)功能，Register RemoteObject方法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程服務(wù)對(duì)象注冊(cè)功能，StartServers方法對(duì)每個(gè)注冊(cè)信道啟動(dòng)一個(gè)線程進(jìn)行處理，ChanelProc方法具體負(fù)責(zé)與客戶端的通信，MyChannel和MyRemoteObj是自定義類，分別代表信道對(duì)象和遠(yuǎn)程服務(wù)對(duì)象。

圖5 遠(yuǎn)程服務(wù)組件結(jié)構(gòu)

1）信道注冊(cè)功能 服務(wù)器注冊(cè)信道時(shí)，為每個(gè)信道命名。信道注冊(cè)方法中，首先檢測(cè)信道名稱，若信道名稱不存在，則創(chuàng)建信道并分配端口號(hào)，將該信道添加到已注冊(cè)的信道集合中。

2）遠(yuǎn)程服務(wù)對(duì)象注冊(cè)功能 服務(wù)器注冊(cè)遠(yuǎn)程對(duì)象時(shí)，為每個(gè)遠(yuǎn)程對(duì)象指定一個(gè)URI。遠(yuǎn)程對(duì)象注冊(cè)方法中，首先檢測(cè)該URI是否已存在，若該URI不存在，則注冊(cè)該遠(yuǎn)程對(duì)象并將其添加到已注冊(cè)的遠(yuǎn)程對(duì)象集合中。

3）啟動(dòng)注冊(cè)信道 對(duì)于每一個(gè)已注冊(cè)的信道啟動(dòng)一個(gè)線程池，利用QueueUserWorkItem方法將信道監(jiān)聽處理方法ChannelProc作為回調(diào)方法排入隊(duì)列等待執(zhí)行，channel對(duì)象作為參數(shù)傳遞給ChannelProc方法。

4）信道處理方法 信道處理方法首先啟動(dòng)監(jiān)聽。利用Socket對(duì)象接收客戶端連接請(qǐng)求，并通過(guò)序列化和反射機(jī)制，用所接收的數(shù)據(jù)創(chuàng)建遠(yuǎn)程服務(wù)對(duì)象，調(diào)用對(duì)應(yīng)方法，獲取結(jié)果，反序列化后發(fā)送回客戶端[8]。其詳細(xì)步驟如下：①接收用戶請(qǐng)求，AcceptSocket方法用于接收來(lái)自客戶端的連接請(qǐng)求，并返回一個(gè)Socket對(duì)象；②接收并緩存數(shù)據(jù)，Receive方法接收客戶端的請(qǐng)求數(shù)據(jù)，并將所接收數(shù)據(jù)存入到緩沖區(qū)Buffer中；③將數(shù)據(jù)反序列化為調(diào)用請(qǐng)求對(duì)象；④獲取遠(yuǎn)程服務(wù)對(duì)象標(biāo)識(shí)；⑤獲取實(shí)際的遠(yuǎn)程服務(wù)對(duì)象，ActiveObj是MyRemoteObj中定義的只讀屬性，其通過(guò)反射機(jī)制創(chuàng)建了遠(yuǎn)程服務(wù)對(duì)象；⑥調(diào)用遠(yuǎn)程對(duì)象的相應(yīng)方法并獲得結(jié)果；⑦將調(diào)用結(jié)果序列化并發(fā)送到客戶端。

4 應(yīng) 用

為驗(yàn)證以上遠(yuǎn)程處理框架的有效性，將框架相關(guān)組件應(yīng)用于高校大學(xué)生素質(zhì)拓展學(xué)分管理系統(tǒng)。部分高校要求學(xué)生需積極參加各類課外活動(dòng)以獲取素質(zhì)拓展學(xué)分，學(xué)分類型分為學(xué)術(shù)活動(dòng)、文體活動(dòng)等6類，規(guī)定每類需修滿1學(xué)分，總分不低于10學(xué)分方可畢業(yè)。一般情況下，每位學(xué)生的學(xué)分驗(yàn)證信息約60～100條，每學(xué)期增加的信息記錄約10萬(wàn)條。系統(tǒng)共有學(xué)生、院系教務(wù)管理人員和校素質(zhì)拓展中心管理人員3類用戶：學(xué)生通過(guò)瀏覽器登錄系統(tǒng)，可提交學(xué)分驗(yàn)證信息和查看本人學(xué)分，院系教務(wù)管理人員通過(guò)客戶端登錄遠(yuǎn)程服務(wù)器，審核信息并提交數(shù)據(jù)。系統(tǒng)用C＃語(yǔ)言開發(fā)，用SQLServer2005作為數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。下面以院系教務(wù)管理人員遠(yuǎn)程登錄為例，相關(guān)組件部署如表1所示。

表1 遠(yuǎn)程處理框架組件及部署

4.1 遠(yuǎn)程服務(wù)接口與服務(wù)類

為便于部署，將服務(wù)接口與服務(wù)類分放在2個(gè)不同的文件中，客戶端只需持有服務(wù)接口即可。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)很明顯，只要接口不變，服務(wù)類的具體實(shí)現(xiàn)的變化就不會(huì)對(duì)客戶端產(chǎn)生影響，保證了客戶端的穩(wěn)定性(IServerClass聲明了服務(wù)接口，ServerClass實(shí)現(xiàn)IServerClass（見圖3））。其中Authentication方法對(duì)教務(wù)管理人員提供的UID和密碼進(jìn)行驗(yàn)證并返回驗(yàn)證結(jié)果。

4.2 發(fā)布遠(yuǎn)程服務(wù)對(duì)象

通常，在遠(yuǎn)程處理框架中，服務(wù)器端一般是作為遠(yuǎn)程服務(wù)對(duì)象的宿主程序。服務(wù)器端通過(guò)以下步驟發(fā)布遠(yuǎn)程服務(wù)對(duì)象：使用遠(yuǎn)程處理組件，先注冊(cè)一個(gè)信道，再注冊(cè)一個(gè)遠(yuǎn)程服務(wù)對(duì)象，之后，利用線程池接受客戶端的服務(wù)調(diào)用請(qǐng)求并進(jìn)行處理。代碼如下：

4.3 客戶端

客戶端通過(guò)代理組件獲取遠(yuǎn)程服務(wù)對(duì)象的透明代理后，將以使用本地對(duì)象的方式使用遠(yuǎn)程服務(wù)對(duì)象。院系教務(wù)管理人員在進(jìn)行素質(zhì)拓展學(xué)分的管理前需登錄到服務(wù)器進(jìn)行身份驗(yàn)證，方法如下：

5 結(jié) 語(yǔ)

研究了一種遠(yuǎn)程處理框架，通過(guò)Remote Proxy模式將框架分解成代理組件和遠(yuǎn)程處理組件，在組件設(shè)計(jì)中，涉及序列化機(jī)制、反射機(jī)制等.NET框架中的重要技術(shù)，并基于Socket實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程服務(wù)對(duì)象方法調(diào)用信息的網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程。最后，將其應(yīng)用于高校大學(xué)生素質(zhì)拓展學(xué)分管理系統(tǒng)，客戶端通過(guò)代理組件能夠以調(diào)用本地對(duì)象成員函數(shù)的方式調(diào)用遠(yuǎn)程服務(wù)對(duì)象的函數(shù)。當(dāng)然，與成熟的分布式系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)相比，筆者所提出的框架還有其不足之處，如發(fā)布對(duì)象的宿主機(jī)制還不夠完善，無(wú)法采用配置文件等。

[1]李海聞，寧敏，林福良，等 .一種基于CORBA的分布式應(yīng)用模型 [J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2010，19（2）：33-34.

[2]劉丹，程曉，侯德林 .一種基于RMI的分布式架構(gòu)設(shè)計(jì) [J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2007，24（9）：207-208.

[3]鐘涵，李志蜀，王汾雁，等..NET Remoting和Web Service結(jié)合的分布式應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2007，27（6）：213-214.

[4]趙慶霞，孫建伶 .基于WCF的服務(wù)緩存設(shè)計(jì)與研究 [J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010，31（14）：3151-3152.

[5]Lowy J.WCF服務(wù)編程 [M].張逸，徐寧 譯 .北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：14-16.

[6]Martin R C，Martin M.敏捷軟件開發(fā)：原則、模式與實(shí)踐(C＃版）[M].鄧輝，孟巖 譯 .北京：人民郵電出版社，2008：377-381.

[7]Gamma E，Helm R，Johnson R，et al.Design patterns elements of reusable object-oriented software [M].New York：Adison-Wesley，1995：233-234.

[8]飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心 .精通.NET核心技術(shù)——高級(jí)特性 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2002：202-211.