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探索 OSGi 框架的组件运行机制

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在目前的 Java 开发平台中,对于组件开发过程,比如打包、部署和验证等,并没有一个统一的标准。正因如此,许多 Java 项目,例如 JBoss 和 Net Beans,都拥有一套自定义的组件开发规范和框架,但是实际上这些解决方案都是基于为组件分配独立的类加载器 (Class Loader) 的思想。 OSGi 框架为基于 Java 的组件开发提供了一套通用的和标准的解决方案,并已经成为事实上的工业标准。

OSGi 组件框架

在 OSGi 框架中,组件被称为 Bundle,它是由一些提供 Bundle 自身功能的资源 ( 如 Java 类文件、配置文件等 )、MANIFEST.MF 文件和其它资源文件构成。在运行时环境中,每个 Bundle 都有一个独立的 Class Loader,Bundle 之间通过不同的类加载器和在 MANIFEST.MF 文件中定义的包约束条件就可以轻松实现包级别的资源隐藏和共享,从而实现基于组件方式的开发和运行。 Class Loader 是实现这种运行方式的关键机制,每个 Bundle 的 Class Loader 必须在此 Bundle 得到正确的解析 ( Resolving ) 之后,再由 OSGi 框架创建。只有当一个 Bundle 中的所有包约束条件都满足时,它才被正确解析完毕。

Bundle 解析

Bundle 的解析是通过分析定义在 MANIFEST.MF 文件中的元数据 ( 主要定义了包约束条件 ),查找与包约束条件相匹配的 Bundle 并建立关联关系的过程。 MANIFEST.MF 文件中的包约束条件主要是通过 Import-Package、DynamicImport-Package、Export-Package 和 Require-Bundle 这四种表达方式来实现。下面简单介绍一下它们:

  1. Import-Package:定义需要导入的包。默认是所有需导入的包必须都能够找到相应的导出 Bundle (Exporter),否则解析失败。
  2. Export-Package:定义导出的包。在一个 Bundle 里面,一个包的导出定义并不意味着相应的包导入定义,而是这些类资源会在 Bundle 自身的类路径里面查找和加载。
  3. Require-Bundle:定义依赖的 Bundle 。
  4. DynamicImport-Package:定义需要动态导入的包。这部分定义没有在 Bundle 解析过程中使用,而是在运行时动态解析并加载共享包。

在 Bundle 得到正确解析后,OSGi 框架将会生成此 Bundle 的依赖关系表。在实际运行过程中,框架就可以通过此关系表找到 Bundle 依赖的外部 Class Loader,从而实现外部类资源的加载和运行 hg 。 Bundle 的关系图可以在 OSGi 的控制台中通过内部命令" bundle "来查看,如下图所示:

图 1. Bundle 依赖关系表
图 1. Bundle 依赖关系表
图 1. Bundle 依赖关系表

点击这里 查看清晰大图。)

Bundle 运行

Bundle 的运行主要依靠于 OSGi 框架为其创建的类加载器(Class Loader),加载器负责查找和加载 Bundle 自身或所依赖的类资源。 ClassLoader 之间的依赖关系构成了一个有向图,如下图所示:

图 2. Class Loader 依赖关系图
图 2. Class Loader 依赖关系图
图 2. Class Loader 依赖关系图

Bundle 的 Class Loader 能加载的所有类的集合构成了 Bundle 的类空间 (Class Space) 。类空间包含的类资源主要来自于以下几个方面:

  1. 父 Class Loader 可加载的类集合;
  2. Import-Package 定义的依赖的包;
  3. Require-Bundle 定义的依赖的 Bundle 的类集合;
  4. Bundle 自身的类集合,通常在 Bundle-Classpath 中定义;
  5. 隶属于 Bundle 的 Fragment 类集合。

在实际运行环境中,Bundle 的 Class Loader 根据如下规则去搜索类资源。规则简要介绍如下:

  1. 如类资源属于 java.* 包,则将加载请求委托给父加载器;
  2. 如类资源定义在 OSGi 框架中启动委托列表(org.osgi.framework.bootdelegation)中,则将加载请求委托给父加载器;
  3. 如类资源属于在 Import-Package 中定义的包,则框架通过 Class Loader 依赖关系图找到导出此包的 Bundle 的 Class Loader,并将加载请求委托给此 Class Loader ;
  4. 如类资源属于在 Require-Bundle 中定义的 Bundle,则框架通过 Class Loader 依赖关系图找到此 Bundle 的 Class Loader,将加载请求委托给此 Class Loader ;
  5. Bundle 搜索自己的类资源 ( 包括 Bundle-Classpath 里面定义的类路径和属于 Bundle 的 Fragment 的类资源);
  6. 若类在 DynamicImport-Package 中定义,则开始尝试在运行环境中寻找符合条件的 Bundle 。

如果在经过上面一系列步骤后,仍然没有正确地加载到类资源,则 OSGi 框架会向外抛出类未 发现异常。

确保 Bundle 类空间的完整性

从上述对 OSGi 组件框架的剖析中,MANIFEST.MF 文件中定义的元数据对 Bundle 的解析和运行起着至关重要的作用。 Bundle 所需要的类资源应该完全被其类空间所覆盖,否则将会在运行时环境中抛出类或资源未发现异常,从而导致 Bundle 无法正常工作。下面给出一个实际例子来说明这种情况。

在 Eclipse 环境中创建两个插件开发项目 , 并命名为 Client 和 HelloService. HelloService 向外提供服务 , Client 通过注册在 OSGi 控制台中的命令来调用 HelloService 的服务。 HelloSerive 定义的服务接口为 :

清单 1. IHello.java
package com.ibm.helloservice; 
public interface IHello { 
    public void sayHello(String addition); 
}
清单 2. ILabelProvider.java
package com.ibm.helloservice; 

public interface ILabelProvider { 
    public String getLabel(); 
}

同时 HelloService 还给出了具体实现 :

清单 3. HelloImpl.java 和 Resource.java
package com.ibm.helloservice.impl; 
import com.ibm.helloservice.IHello; 
public class HelloImpl implements IHello { 
    public void sayHello(String addition) { 
        System.out.println ("Hello ” + addition + "!"); 
    } 
} 

package com.ibm.helloservice.resource; 
import com.ibm.helloservice.ILabelProvider; 
public class Resource implements ILabelProvider { 
    public String getLabel() { 
        return "Test Label"; 
    } 
}

由于此 Bundle 向外提供了服务和资源信息,因此需要在 MANIFEST.MF 文件中将它们所属于的包导出:

清单 4. MANIFEST.MF
 Manifest-Version: 1.0 
 Bundle-ManifestVersion: 2 
 Bundle-Name: HelloService Plug-in 
 Bundle-SymbolicName: HelloService 
 Bundle-Version: 1.0.0 
 Bundle-Activator: com.ibm.helloservice.impl.Activator 
 Bundle-Localization: plugin 
 Export-Package: com.ibm.helloservice, 
 com.ibm.helloservice.resource 
 Import-Package: org.osgi.framework; version="1.3.0"

在 BundleActivator 类中,向 OSGi 框架注册了 IHello 的 service,具体实现代码十分简单,在此略过。服务使用方 (Client Bundle),是一个控制台程序,通过注册在 OSGi 框架中的命令调用 HelloService Bundle 提供的服务。具体实现参见如下代码:

清单 5. Activator.java
package com.ibm.client; 

import java.io.IOException; 
import java.io.InputStream; 
import java.util.Properties; 

import org.eclipse.osgi.framework.console.CommandInterpreter; 
import org.eclipse.osgi.framework.console.CommandProvider; 
import org.osgi.framework.BundleActivator; 
import org.osgi.framework.BundleContext; 
import org.osgi.framework.ServiceReference; 
import org.osgi.framework.ServiceRegistration; 
import org.osgi.util.tracker.ServiceTracker; 
import org.osgi.util.tracker.ServiceTrackerCustomizer; 

import com.ibm.helloservice.IHello; 
import com.ibm.helloservice.ILabelProvider; 

public class Activator implements BundleActivator, 
    ServiceTrackerCustomizer, CommandProvider  { 

    private ServiceTracker helloServiceTracker; 
    private ServiceRegistration registration; 
    private BundleContext bundleContext; 
    private IHello hello; 
	
    private static Properties config = null; 

    static { 
        config = new Properties(); 
        try { 
            InputStream is = Activator.class.getClassLoader() 
                .getResourceAsStream("LabelProvider.properties"); 
            config.load(is); 
        } catch (IOException e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } 
    } 
	
    public void start(BundleContext context) throws Exception { 
        bundleContext = context; 
        helloServiceTracker = new ServiceTracker(context, IHello.class.getName(), this); 
        helloServiceTracker.open(); 
        registration = context.registerService(CommandProvider.class.getName(), 
        this, null); 
    } 

    public void stop(BundleContext context) throws Exception { 
        helloServiceTracker.close(); 
        registration.unregister(); 
        bundleContext = null; 
    } 

    public Object addingService(ServiceReference servRef) { 
        Object service = bundleContext.getService(servRef); 
        if(service instanceof IHello) { 
            hello = (IHello)service; 
            return hello; 
        } 	
        return service; 
    } 

    public void modifiedService(ServiceReference servRef, Object service) { } 

    public void removedService(ServiceReference servRef, Object service) { 
        if(service instanceof IHello) { 
            hello = null; 
        } 
        bundleContext.ungetService(servRef); 
    } 

    public String getHelp() { 
        return "\tcall - say hello"; 
    } 

    public void _call(CommandInterpreter ci) throws Exception { 
        hello.sayHello(newLabelInstance().getLabel()); 
    } 
	
    private ILabelProvider newLabelInstance() throws Exception { 
        String className = config.getProperty("ProviderClass"); 
        Class<?> labelClass = this.getClass().getClassLoader().loadClass(className); 
        ILabelProvider label = (ILabelProvider)labelClass.newInstance(); 
        return label; 
    } 
 }

在以上代码中,Bundle 通过 ServiceTracker 得到 IHello 这个服务接口,并同时向 OSGi 框架注册一个名为" call "的命令。在这个命令的执行过程中,Bundle 通过自身的 ClassLoader 去加载定义在 LabelProvider.properties 文件中的 ILabelProvider 实现类,并打印 Label Provider 中的内容。从以上代码中,我们会很容易地定义出此 Bundle 需要导入哪些包,如下 MANIFEST.MF 文件所示 :

代码清单 6: MANIFEST.MF
 Manifest-Version: 1.0 
 Bundle-ManifestVersion: 2 
 Bundle-Name: Client Plug-in 
 Bundle-SymbolicName: Client 
 Bundle-Version: 1.0.0 
 Bundle-Activator: com.ibm.client.Activator 
 Bundle-Localization: plugin 
 Import-Package: com.ibm.helloservice, 
 org.eclipse.core.runtime, 
 org.eclipse.osgi.framework.console;version="1.0.0", 
 org.osgi.framework;version="1.3.0", 
 org.osgi.util.tracker;version="1.3.1"

从表面上看 , 这个文件没有任何遗漏 , 在 Eclipse IDE 环境中能够正确解释通过 , 并且在启动 OSGi 框架后 , Client Bundle 也能够被正确解析和启动。但是在敲入 call 命令的后 , 就会显示如下错误 :

图 3. 资源加载异常
图 3. 资源加载异常
图 3. 资源加载异常

点击这里 查看清晰大图。)

原来缺少了一个依赖包 com.ibm.helloservice.resource.Resource。在 MANIFEST.MF 文件中加入对它的定义后 , call 命令就能够正确运行了 :

图 4. 运行结果
图 4. 运行结果
图 4. 运行结果

这个例子模拟了在实际 Bundle 开发过程中普遍遇到的问题,即许多类资源定义在 plugin.xml 文件中,然后由其他组件动态的创建和调用,而在 Eclipse IDE 开发环境中,并没有相应的机制去检查非 Java 代码里的包引用,从而 Bundle 缺失对某些包依赖的定义,最后就造成了 Bundle 类空间的不完整性。通常这种情况下,Bundle 能够被正确解析,但是在运行的时候就会抛出类未找到异常。所以在开发一个 Bundle 的时候,一定要仔细检查类空间是否已经将整个 Bundle 所需要的类资源覆盖,这样才能避免运行时的异常发生。

合理使用 Manifest 文件

Import-Package 与 Require-Bundle

OSGi 框架提供了两种导入包依赖的方式,即 Import-Package 和 Require-Bundle 。从下图中我们可以看出 Require-Bundle 会对整个 Bundle 产生依赖,也就是说 Bundle 所 Export 出的包都会被 A 加入到自己的类空间,而 Import-Package 只会对指定的包产生依赖关系。

图 5. Bundle 依赖关系图
图 5. Bundle 依赖关系图
图 5. Bundle 依赖关系图

在大多数情况下,都应该使用 Import-Package 而不是 Require-Bundle 。 Import-Package 比 Require-Bundle 更利于 Bundle 的部署和版本维护,同时在查找类的时候有更高的效率。

Eclipse-LazyStart

在 OSGi R4 版本中,通过对 Eclipse-LazyStart 属性的设置,可以指定 Bundle 是否支持慢启动功能。当 Eclipse-LazyStart 被设置为 true 的时候,Bundle 不会被默认启动,而是当 Bundle 的类或其它资源被第一次调用时,由框架自动激活 Bundle 。这样就会使得 OSGi 框架在启动的时候,只启动必须的 Bundle 而延迟启动其它的 Bundle,从而确保了启动时间和效率。在默认情况下,Eclipse-LazyStart 为 false 。

Bundle-ManifestVersion

Bundle-ManifestVersion 指定了 Bundle 应该遵循 OSGi 规范的版本号。其默认值是 1,即 R3 版本;值为 2 的时候,表示为 R4 版本。当 Bundle 需要用到 R4 中新功能的时候,如 Bundle 的慢启动,则必须显示设置 Bundle-ManifestVersion 为 2 。

类不一致性问题

在 OSGi 框架中,多个 Bundle 可以导出相同的包,如果在某个 Bundle 的类空间中存在来自于不同 Bundle 的相同类信息,就会导致类的不一致性问题。示例如下:

图 6. Bundle 依赖关系图
图 6. Bundle 依赖关系图
图 6. Bundle 依赖关系图

Bundle A 向外 Export 两个包 p 和 r,其中 p 对 q 存在约束关系,即 q 须为 Bundle B 中的 1.0 版本。同时,Bundle C 又分别导入了 p 和 q 两个包,包 p 来自于 A,而包 q 为 Bundle D 中的 2.0 版本。虽然 C 中并没有显示地定义对 B 中包 q 的依赖关系,但是由于 A 中的包 p 绑定了 B 中版本为 1.0 的包 q,故 C 在解析对包 p 的依赖关系的时候也会自动把 B 中 1.0 版本的包 q 导入到自己的类空间中。这样在 C 的类空间中,就存在着两个不同版本、来自于不同 Bundle 的包 q,进而就会存在两个不同的 Class Loader 对应着包 q,故在 Bundle C 的运行过程中就会出现类不一致性的异常。

小结

本文介绍了 OSGi 框架的组件运行机制,包括 Bundle 的解析、运行等,并结合实际的示例演示了在基于 OSGi 平台开发 Bundle 的过程中应该注意的一些问题。


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Zone=Java technology
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publish-date=07242008