中間件技術(shù)相關(guān)思想、概念與分類

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為解決分布異構(gòu)問題，人們提出了中間件（middleware）的概念。中間件是位于平臺(tái)（硬件和操作系統(tǒng)）和應(yīng)用之間的通用服務(wù)，這些服務(wù)具有標(biāo)準(zhǔn)的程序接口和協(xié)議。針對(duì)不同的操作系統(tǒng)和硬件平臺(tái)，它們可以有符合接口和協(xié)議規(guī)范的多種實(shí)現(xiàn)。本文將從概念、思想及分類等方面對(duì)中間件進(jìn)行介紹。

一、為什么要中間件

計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展。從硬件技術(shù)看，CPU速度越來越高，處理能力越來越強(qiáng)；從軟件技術(shù)看，應(yīng)用程序的規(guī)模不斷擴(kuò)大，特別是Internet及WWW的出現(xiàn)，使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍更為廣闊，許多應(yīng)用程序需在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的異構(gòu)平臺(tái)上運(yùn)行。這一切都對(duì)新一代的軟件開發(fā)提出了新的需求。在這種分布異構(gòu)環(huán)境中，通常存在多種硬件系統(tǒng)平臺(tái)（如PC，工作站，小型機(jī)等），在這些硬件平臺(tái)上又存在各種各樣的系統(tǒng)軟件（如不同的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、語言編譯器等），以及多種風(fēng)格各異的用戶界面，這些硬件系統(tǒng)平臺(tái)還可能采用不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)連接。如何把這些系統(tǒng)集成起來并開發(fā)新的應(yīng)用是一個(gè)非?，F(xiàn)實(shí)而困難的問題。

二 什么是中間件

為解決分布異構(gòu)問題，人們提出了中間件（middleware）的概念。中間件是位于平臺(tái)（硬件和操作系統(tǒng)）和應(yīng)用之間的通用服務(wù)，如圖1所示，這些服務(wù)具有標(biāo)準(zhǔn)的程序接口和協(xié)議。針對(duì)不同的操作系統(tǒng)和硬件平臺(tái)，它們可以有符合接口和協(xié)議規(guī)范的多種實(shí)現(xiàn)。

也許很難給中間件一個(gè)嚴(yán)格的定義，但中間件應(yīng)具有如下的一些特點(diǎn)：

滿足大量應(yīng)用的需要

運(yùn)行于多種硬件和OS平臺(tái)

支持分布計(jì)算，提供跨網(wǎng)絡(luò)、硬件和OS平臺(tái)的透明性的應(yīng)用或服務(wù)的交互

支持標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議

支持標(biāo)準(zhǔn)的接口

由于標(biāo)準(zhǔn)接口對(duì)于可移植性和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議對(duì)于互操作性的重要性，中間件已成為許多標(biāo)準(zhǔn)化工作的主要部分。對(duì)于應(yīng)用軟件開發(fā)，中間件遠(yuǎn)比操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)更為重要，中間件提供的程序接口定義了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的高層應(yīng)用環(huán)境，不管底層的計(jì)算機(jī)硬件和系統(tǒng)軟件怎樣更新?lián)Q代，只要將中間件升級(jí)更新，并保持中間件對(duì)外的接口定義不變，應(yīng)用軟件幾乎不需任何修改，從而保護(hù)了企業(yè)在應(yīng)用軟件開發(fā)和維護(hù)中的重大投資。

三、主要中間件的分類

中間件所包括的范圍十分廣泛，針對(duì)不同的應(yīng)用需求涌現(xiàn)出多種各具特色的中間件產(chǎn)品。但至今中間件還沒有一個(gè)比較精確的定義，因此，在不同的角度或不同的層次上，對(duì)中間件的分類也會(huì)有所不同。由于中間件需要屏蔽分布環(huán)境中異構(gòu)的操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它必須能夠提供分布環(huán)境下的通訊服務(wù)，我們將這種通訊服務(wù)稱之為平臺(tái)?；谀康暮蛯?shí)現(xiàn)機(jī)制的不同，我們將平臺(tái)分為以下主要幾類：

遠(yuǎn)程過程調(diào)用（Remote Procedure Call）

面向消息的中間件（Message-Oriented Middleware）

對(duì)象請(qǐng)求代理（Object Request Brokers）

它們可向上提供不同形式的通訊服務(wù)，包括同步、排隊(duì)、訂閱發(fā)布、廣播等等，在這些基本的通訊平臺(tái)之上，可構(gòu)筑各種框架，為應(yīng)用程序提供不同領(lǐng)域內(nèi)的服務(wù)，如事務(wù)處理監(jiān)控器、分布數(shù)據(jù)訪問、對(duì)象事務(wù)管理器OTM等。平臺(tái)為上層應(yīng)用屏蔽了異構(gòu)平臺(tái)的差異，而其上的框架又定義了相應(yīng)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)組件等，用戶只需告訴框架所關(guān)心的事件，然后提供處理這些事件的代碼。當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，框架則會(huì)調(diào)用用戶的代碼。用戶代碼不用調(diào)用框架，用戶程序也不必關(guān)心框架結(jié)構(gòu)、執(zhí)行流程、對(duì)系統(tǒng)級(jí)API的調(diào)用等，所有這些由框架負(fù)責(zé)完成。因此，基于中間件開發(fā)的應(yīng)用具有良好的可擴(kuò)充性、易管理性、高可用性和可移植性。

下面，針對(duì)幾類主要的中間件分別加以簡要的介紹。

1、遠(yuǎn)程過程調(diào)用

遠(yuǎn)程過程調(diào)用是一種廣泛使用的分布式應(yīng)用程序處理方法。一個(gè)應(yīng)用程序使用RPC來“遠(yuǎn)程”執(zhí)行一個(gè)位于不同地址空間里的過程，并且從效果上看和執(zhí)行本地調(diào)用相同。事實(shí)上，一個(gè)RPC應(yīng)用分為兩個(gè)部分：server和client。server提供一個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)程過程；client向server發(fā)出遠(yuǎn)程調(diào)用。server和client可以位于同一臺(tái)計(jì)算機(jī)，也可以位于不同的計(jì)算機(jī)，甚至運(yùn)行在不同的操作系統(tǒng)之上。它們通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。相應(yīng)的stub和運(yùn)行支持提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和通訊服務(wù)，從而屏蔽不同的操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。在這里RPC通訊是同步的。采用線程可以進(jìn)行異步調(diào)用。

在RPC模型中，client和server只要具備了相應(yīng)的RPC接口，并且具有RPC運(yùn)行支持，就可以完成相應(yīng)的互操作，而不必限制于特定的server。因此，RPC為client/server分布式計(jì)算提供了有力的支持。同時(shí)，遠(yuǎn)程過程調(diào)用RPC所提供的是基于過程的服務(wù)訪問，client與server進(jìn)行直接連接，沒有中間機(jī)構(gòu)來處理請(qǐng)求，因此也具有一定的局限性。比如，RPC通常需要一些網(wǎng)絡(luò)細(xì)節(jié)以定位server;在client發(fā)出請(qǐng)求的同時(shí)，要求server必須是活動(dòng)的等等。

2、面向消息的中間件

MOM指的是利用高效可靠的消息傳遞機(jī)制進(jìn)行平臺(tái)無關(guān)的數(shù)據(jù)交流，并基于數(shù)據(jù)通信來進(jìn)行分布式系統(tǒng)的集成。通過提供消息傳遞和消息排隊(duì)模型，它可在分布環(huán)境下擴(kuò)展進(jìn)程間的通信，并支持多通訊協(xié)議、語言、應(yīng)用程序、硬件和軟件平臺(tái)。目前流行的MOM中間件產(chǎn)品有IBM的MQSeries、BEA的MessageQ等。消息傳遞和排隊(duì)技術(shù)有以下三個(gè)主要特點(diǎn)：

通訊程序可在不同的時(shí)間運(yùn)行：程序不在網(wǎng)絡(luò)上直接相互通話，而是間接地將消息放入消息隊(duì)列，因?yàn)槌绦蜷g沒有直接的聯(lián)系。所以它們不必同時(shí)運(yùn)行。消息放入適當(dāng)?shù)年?duì)列時(shí)，目標(biāo)程序甚至根本不需要正在運(yùn)行；即使目標(biāo)程序在運(yùn)行，也不意味著要立即處理該消息。

對(duì)應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)沒有約束：在復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合中，通訊程序之間不僅可以是一對(duì)一的關(guān)系，還可以進(jìn)行一對(duì)多和多對(duì)一方式，甚至是上述多種方式的組合。多種通訊方式的構(gòu)造并沒有增加應(yīng)用程序的復(fù)雜性。

程序與網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性相隔離： 程序?qū)⑾⒎湃胂㈥?duì)列或從消息隊(duì)列中取出消息來進(jìn)行通訊，與此關(guān)聯(lián)的全部活動(dòng)，比如維護(hù)消息隊(duì)列、維護(hù)程序和隊(duì)列之間的關(guān)系、處理網(wǎng)絡(luò)的重新啟動(dòng)和在網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)消息等是MOM的任務(wù)，程序不直接與其它程序通話，并且它們不涉及網(wǎng)絡(luò)通訊的復(fù)雜性。

3、對(duì)象請(qǐng)求代理

隨著對(duì)象技術(shù)與分布式計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，兩者相互結(jié)合形成了分布對(duì)象計(jì)算，并發(fā)展為當(dāng)今軟件技術(shù)的主流方向。1990年底，對(duì)象管理集團(tuán)OMG首次推出對(duì)象管理結(jié)構(gòu)OMA（Object Management Architecture），對(duì)象請(qǐng)求代理（Object Request Broker）是這個(gè)模型的核心組件。它的作用在于提供一個(gè)通信框架，透明地在異構(gòu)的分布計(jì)算環(huán)境中傳遞對(duì)象請(qǐng)求。CORBA規(guī)范包括了ORB的所有標(biāo)準(zhǔn)接口。1991年推出的CORBA 1.1 定義了接口描述語言O(shè)MG IDL和支持Client/Server對(duì)象在具體的ORB上進(jìn)行互操作的API。CORBA 2.0 規(guī)范描述的是不同廠商提供的ORB之間的互操作。

對(duì)象請(qǐng)求代理（ORB）是對(duì)象總線，它在CORBA規(guī)范中處于核心地位，定義異構(gòu)環(huán)境下對(duì)象透明地發(fā)送請(qǐng)求和接收響應(yīng)的基本機(jī)制，是建立對(duì)象之間client/server關(guān)系的中間件。ORB使得對(duì)象可以透明地向其他對(duì)象發(fā)出請(qǐng)求或接受其他對(duì)象的響應(yīng)，這些對(duì)象可以位于本地也可以位于遠(yuǎn)程機(jī)器。ORB攔截請(qǐng)求調(diào)用，并負(fù)責(zé)找到可以實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求的對(duì)象、傳送參數(shù)、調(diào)用相應(yīng)的方法、返回結(jié)果等。client對(duì)象并不知道同server對(duì)象通訊、激活或存儲(chǔ)server對(duì)象的機(jī)制，也不必知道server對(duì)象位于何處、它是用何種語言實(shí)現(xiàn)的、使用什么操作系統(tǒng)或其他不屬于對(duì)象接口的系統(tǒng)成分。

值得指出的是client和server角色只是用來協(xié)調(diào)對(duì)象之間的相互作用，根據(jù)相應(yīng)的場(chǎng)合，ORB上的對(duì)象可以是client，也可以是server，甚至兼有兩者。當(dāng)對(duì)象發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求時(shí)，它是處于client角色；當(dāng)它在接收請(qǐng)求時(shí)，它就處于server角色。大部分的對(duì)象都是既扮演client角色又扮演server角色。另外由于ORB負(fù)責(zé)對(duì)象請(qǐng)求的傳送和server的管理，client和server之間并不直接連接，因此，與RPC所支持的單純的Client/Server結(jié)構(gòu)相比，ORB可以支持更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

4、事務(wù)處理監(jiān)控

事務(wù)處理監(jiān)控（Transaction processing monitors）最早出現(xiàn)在大型機(jī)上，為其提供支持大規(guī)模事務(wù)處理的可靠運(yùn)行環(huán)境。隨著分布計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，分布應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)大規(guī)模的事務(wù)處理提出了需求，比如商業(yè)活動(dòng)中大量的關(guān)鍵事務(wù)處理。事務(wù)處理監(jiān)控界于client和server之間，進(jìn)行事務(wù)管理與協(xié)調(diào)、負(fù)載平衡、失敗恢復(fù)等，以提高系統(tǒng)的整體性能。它可以被看作是事務(wù)處理應(yīng)用程序的“操作系統(tǒng)”?？傮w上來說，事務(wù)處理監(jiān)控有以下功能：

進(jìn)程管理，包括啟動(dòng)server進(jìn)程、為其分配任務(wù)、監(jiān)控其執(zhí)行并對(duì)負(fù)載進(jìn)行平衡。

事務(wù)管理，即保證在其監(jiān)控下的事務(wù)處理的原子性、一致性、獨(dú)立性和持久性。

通訊管理，為client和server之間提供了多種通訊機(jī)制，包括請(qǐng)求響應(yīng)、會(huì)話、排隊(duì)、訂閱發(fā)布和廣播等。

事務(wù)處理監(jiān)控能夠?yàn)榇罅康腸lient提供服務(wù)，比如飛機(jī)定票系統(tǒng)。如果server為每一個(gè)client都分配其所需要的資源的話，那server將不堪重負(fù)。但實(shí)際上，在同一時(shí)刻并不是所有的client都需要請(qǐng)求服務(wù)，而一旦某個(gè)client請(qǐng)求了服務(wù)，它希望得到快速的響應(yīng)。事務(wù)處理監(jiān)控在操作系統(tǒng)之上提供一組服務(wù)，對(duì)client請(qǐng)求進(jìn)行管理并為其分配相應(yīng)的服務(wù)進(jìn)程，使server在有限的系統(tǒng)資源下能夠高效地為大規(guī)模的客戶提供服務(wù)。

四、面臨的一些問題

中間件能夠屏蔽操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的差異，為應(yīng)用程序提供多種通訊機(jī)制；并提供相應(yīng)的平臺(tái)以滿足不同領(lǐng)域的需要。因此，中間件為應(yīng)用程序了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的高層應(yīng)用環(huán)境。然而，中間件服務(wù)也并非“萬能藥”。中間件所應(yīng)遵循的一些原則離實(shí)際還有很大距離。多數(shù)流行的中間件服務(wù)使用專有的API和專有的協(xié)議，使得應(yīng)用建立于單一廠家的產(chǎn)品，來自不同廠家的實(shí)現(xiàn)很難互操作。有些中間件服務(wù)只提供一些平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)，從而限制了應(yīng)用在異構(gòu)系統(tǒng)之間的移植。應(yīng)用開發(fā)者在這些中間件服務(wù)之上建立自己的應(yīng)用還要承擔(dān)相當(dāng)大的風(fēng)險(xiǎn)，隨著技術(shù)的發(fā)展他們往往還需重寫他們的系統(tǒng)。盡管中間件服務(wù)提高了分布計(jì)算的抽象化程度，但應(yīng)用開發(fā)者還需面臨許多艱難的設(shè)計(jì)選擇，例如，開發(fā)者還需決定分布應(yīng)用在client方和server方的功能分配。通常將表示服務(wù)放在client以方便使用顯示設(shè)備，將數(shù)據(jù)服務(wù)放在server以靠近數(shù)據(jù)庫，但也并非總是如此，何況其它應(yīng)用功能如何分配也是不容易確定的。（萬方數(shù)據(jù)）