CN1975680A - 基于Java的进程间异步通信的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及进程间通信技术领域，旨在提供一种基于Java的进程间异步通信的实现方法。该方法包括以下步骤：(1)通信服务进程的实现；(2)进程内通信服务进程实现；(3)消息的设计；(4)通信过程的实现。本发明采用了集中式的通信方式，并且在与上层应用的交互中引入了消息触发机制，对收到的消息由通信系统负责调用回调函数进行处理。同时，将消息封装成对象，利用Java的序列化机制直接传送对象，简化上层应用对消息的封装与解析；进程只和服务程序通信，进程间以服务程序作为中介交换信息；进程了解服务程序的位置，服务程序保留所有进程的信息。本发明中的方法适用于各种进程分布模型，不受迁移的影响。

Description

基于Java的进程间异步通信的实现方法

技术领域

本发明涉及进程间通信技术领域，更具体的说，是涉及一种基于Java的进程间异步通信的实现方法。

背景技术

进程通信的概念最初来源于单机系统。由于每个进程都在自己的地址范围内运行，为保证两个相互通信的进程之间既互不干扰又协调一致工作，操作系统为进程通信提供了相应设施，如UNIX BSD中的管道(pipe)、命名管道(namedpipe)和软中断信号(signal)，UNIX system V的消息(message)、共享存储区(shared memory)和信号量(semaphore)等，但都仅限于用在本机进程之间通信。网间进程通信要解决的是不同主机进程间的相互通信问题(可把同机进程通信看作是其中的特例)。为此，首先要解决的是网间进程标识问题。同一主机上，不同进程可用进程号(process ID)唯一标识。但在网络环境下，各主机独立分配的进程号不能唯一标识该进程。例如，主机A赋于某进程号5，在B机中也可以存在5号进程，因此，“5号进程”这句话就没有意义了。

其次，操作系统支持的网络协议众多，不同协议的工作方式不同，地址格式也不同。因此，网间进程通信还要解决多重协议的识别问题。

为了解决上述问题，TCP/IP协议引入了下列几个概念。

端口：网络中可以被命名和寻址的通信端口，是操作系统可分配的一种资源。按照OSI七层协议的描述，传输层与网络层在功能上的最大区别是传输层提供进程通信能力。从这个意义上讲，网络通信的最终地址就不仅仅是主机地址了，还包括可以描述进程的某种标识符。为此，TCP/IP协议提出了协议端口(protocol port，简称端口)的概念，用于标识通信的进程。

端口是一种抽象的软件结构(包括一些数据结构和I/O缓冲区)。应用程序(即进程)通过系统调用与某端口建立连接(binding)后，传输层传给该端口的数据都被相应进程所接收，相应进程发给传输层的数据都通过该端口输出。在TCP/IP协议的实现中，端口操作类似于一般的I/O操作，进程获取一个端口，相当于获取本地唯一的I/O文件，可以用一般的读写原语访问之。

类似于文件描述符，每个端口都拥有一个叫端口号(port number)的整数型标识符，用于区别不同端口。由于TCP/IP传输层的两个协议TCP和UDP是完全独立的两个软件模块，因此各自的端口号也相互独立，如TCP有一个255号端口，UDP也可以有一个255号端口，二者并不冲突。

端口号的分配是一个重要问题。有两种基本分配方式：第一种叫全局分配，这是一种集中控制方式，由一个公认的中央机构根据用户需要进行统一分配，并将结果公布于众。第二种是本地分配，又称动态连接，即进程需要访问传输层服务时，向本地操作系统提出申请，操作系统返回一个本地唯一的端口号，进程再通过合适的系统调用将自己与该端口号联系起来(绑扎)。TCP/IP端口号的分配中综合了上述两种方式。TCP/IP将端口号分为两部分，少量的作为保留端口，以全局方式分配给服务进程。因此，每一个标准服务器都拥有一个全局公认的端口(即周知口，well-known port)，即使在不同机器上，其端口号也相同。剩余的为自由端口，以本地方式进行分配。TCP和UDP均规定，小于256的端口号才能作保留端口。

地址：网络通信中通信的两个进程分别在不同的机器上。在互连网络中，两台机器可能位于不同的网络，这些网络通过网络互连设备(网关，网桥，路由器等)连接。

连接：两个进程间的通信链路称为连接。连接在内部表现为一些缓冲区和一组协议机制，在外部表现出比无连接高的可靠性。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于Java的进程间异步通信的实现方法。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的。

一种基于Java的进程间异步通信的实现方法，包括以下步骤：

(1)通信服务进程的实现：

通信服务进程是利用Java提供的多线程机制，维护三个核心数据结构：通信结构表、进程组索引表和发送线程实例表；通信服务进程包括六个模块：进程注册模块、消息接收模块、消息分发模块、控制模块、通信结构类和消息发送模块；

(2)进程内通信服务进程实现：

进程内通信服务进程向通信进程的上层应用提供一个异步的消息触发通信界面，进程内通信服务进程由进程内通信服务模块实现，它包括发送模块、接收模块、消息触发模块和消息处理模块；

(3)消息的设计：

消息由消息头和消息体组成，消息头包括消息的类型和进程的寻址信息，消息体包含用户数据；

(4)通信过程：

①进程内通信服务进程发送模块利用Java提供的对象序列化机制，直接将以消息对象封装的消息发往网关；

②通信服务进程注册模块由端口监听线程和访问控制线程构成，端口监听线程监听来自于通信进程的连接请求，每收到一个连接请求，启动一个访问控制线程，检查连接的合法性：如果口令正确，在通信结构类中增加该连接对应的套接字，以及相应的对象输入和对象输出，并为该连接新建消息发送线程实例，将其写入消息分发模块维护的数据结构中，如果口令不正确，关闭该连接；

③通信服务进程消息接收模块采用非阻塞方式轮询通信结构表中所有的套接字，记录下有消息到达的套接字，依次从其中读取消息，每得到一条消息，通过消息分发器选择消息发送模块中合适的发送线程实例进行发送；

④通信服务进程消息分发模块根据消息的组标识查找目的进程所在进程组的发送线程实例表，在发送线程实例表中根据目的进程的组内标识查找该进程对应的发送线程实例树，将消息传给树上所有的叶子节点一一发送线程实例，由它们负责将消息发送到目的进程，发送线程实例树维护向同一个通信进程发送消息的所有的发送线程实例；

⑤通信服务进程控制模块保证资源的及时释放，检查发送线程实例树中发送线程的状态，如果已经死掉，释放指向该线程的句柄，关闭并删除相应的通信结构；

⑥通信服务进程消息发送模块负责将消息发往目的进程，包括多个发送线程实例，发送线程维护一个私有的消息队列，用于保存等待发送的消息，消息队列为空时线程处于阻塞状态，有消息需要发送时，消息分发模块会把消息写入消息队列并唤醒该线程；

⑦进程内通信服务进程接收模块接收从网关发来的消息，在线程内部维护一个待处理消息队列和消息处理线程池，采用阻塞的通信方式，阻塞监听与网关通信的连接，每当有消息到达时被唤醒，对消息进行处理；

⑧进程内通信服务模块收到一个消息后，在消息处理线程中首先判断消息的类型：是数据报消息还是应答消息，如果是数据报消息，根据消息源的组标识，调用消息处理接口实现树中的相应的处理方法进行处理，如果是应答消息，根据消息序号在消息配对队列中查找配对对象，调用该对象提供的对应答消息的处理方法，消息处理接口的实现和配对对象中的应答消息处理方法都由上层应用实现；

⑨进程内通信服务进程消息接收模块每收到一条消息，激活消息处理线程池中的一个空余线程完成消息的处理。

作为一种改进，所述的进程注册模块控制通信进程的连入，保证通信服务进程的安全性；所述的消息接收模块接收通信进程发来的消息；所述的消息分发模块维护进程组索引表和组内进程索引表，实现目标进程的寻址和发送线程实例的维护；所述的控制模块保证资源的及时释放；所述的通信结构类维护通信结构表，实现对通信结构表的增、删、改方法；所述的消息发送模块负责将消息发往目的进程。

作为一种改进，所述的通信结构表记录连入网关的所有套接字以及建立在其上的对象输入和对象输出，所述的进程组索引表是以目标进程组标识为关键字，以指向发送线程实例表的句柄为值的哈希表，所述的发送线程实例表是以目标进程的组内标识为关键宇，指向该进程对应的发送线程实例树的句柄为值的哈希表。

作为一种改进，所述的发送模块利用Java提供的对象序列化机制，直接将以消息对象封装的消息发往网关；所述的接收模块接收从网关发来的消息；所述的消息触发模块维护消息处理接口的实现，将其组织成树状结构——消息接口实现树；所述的消息处理模块由消息处理线程构成，该模块完成对消息的处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用了集中式的通信方式，并且在与上层应用的交互中引入了消息触发机制，对收到的消息由通信系统负责调用回调函数进行处理。同时，将消息封装成对象，利用Java的序列化机制直接传送对象，简化上层应用对消息的封装与解析。进程只和服务程序通信，进程间以服务程序作为中介交换信息。进程了解服务程序的位置，服务程序保留所有进程的信息。本发明中的方法适用于各种进程分布模型，不受迁移的影响。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是通信服务进程的结构示意图；

图3是进程内通信服务模块的结构示意图。

具体实施方式

结合附图，下面对本发明作进一步的说明。

一种基于Java的进程间异步通信的实现方法，其具体实施方法如下：

(1)通信服务进程的实现：

通信服务进程是通信的中转站，设计上采用了“慢收”“快发”的策略，并充分利用Java提供的多线程机制，是一个包含多个线程的进程，维护三个核心数据结构：通信结构表、进程组索引表和发送线程实例表；

通信结构表记录连入网关的所有套接字以及建立在其上的对象输入(ObjectInput)和对象输出(Object Out)，进程组索引表是以目标进程组标识为关键字，以指向发送线程实例表的句柄为值的哈希表，发送线程实例表是以目标进程的组内标识为关键宇，指向该进程对应的发送线程实例树的句柄为值的哈希表；

通信服务进程由六个模块构成：

·进程注册模块控制通信进程的连入，保证通信服务进程的安全性；

·消息接收模块接收通信进程发来的消息；

·消息分发模块是通信服务进程的核心部件，维护进程组索引表和组内进程索引表，实现目标进程的寻址和发送线程实例的维护；

·控制模块保证资源的及时释放；

·通信结构类维护通信结构表，实现对通信结构表的增、删、改方法；

·消息发送模块负责将消息发往目的进程；

(2)进程内通信服务进程实现：

进程内通信服务进程向通信进程的上层应用提供一个异步的消息触发通信界面，进程内通信服务进程由进程内通信服务模块实现，它包括发送模块、接收模块、消息触发模块和消息处理模块；

·发送模块利用Java提供的对象序列化机制，直接将以Message对象(消息对象)封装的消息发往网关；

·接收模块接收从网关发来的消息；

·消息触发模块维护消息处理接口的实现，将其组织成树状结构——消息接口实现树；

·消息处理模块由消息处理线程构成，该模块完成对消息的处理；

(3)消息的设计：

消息采用对象方式实现，主要支持3种类型的消息：数据报消息、请求消息和应答消息，消息由消息头和消息体组成，消息头包括消息的类型和进程的寻址信息，消息体包含用户数据；

(4)通信过程：

①进程内通信服务进程发送模块利用Java提供的对象序列化机制，直接将以Message对象(消息对象)封装的消息发往网关；

②通信服务进程注册模块由端口监听线程和访问控制线程构成，端口监听线程在通信服务进程启动时启动，监听来自于通信进程的连接请求，每收到一个连接请求，启动一个访问控制线程，检查连接的合法性：要求连入的通信进程在发送连接请求后的规定时间内发送注册消息，注册消息中包含该进程的标识和注册口令，如果口令正确，在通信结构类中增加该连接对应的套接字，以及相应的对象输入和对象输出，并为该连接新建消息发送线程实例，将其写入消息分发模块维护的数据结构中，如果口令不正确，关闭该连接；

③通信服务进程消息接收模块在通信服务进程初始化的时候启动，通信服务进程关闭时停止，在通信服务进程的生存期始终处于可调度状态，消息接收模块采用非阻塞方式轮询通信结构表中所有的套接字，记录下有消息到达的套接字，依次从其中读取消息，每得到一条消息，通过消息分发器选择消息发送模块中合适的发送线程实例进行发送；

④每当有消息到达，通信服务进程消息分发模块根据消息的组标识查找目的进程所在进程组的发送线程实例表，在发送线程实例表中根据目的进程的组内标识查找该进程对应的发送线程实例树，将消息传给树上所有的叶子节点——发送线程实例，由它们负责将消息发送到目的进程，发送线程实例树维护向同一个通信进程发送消息的所有的发送线程实例；

⑤由于通信网关同时要和多个通信进程保持联接，内部有多个通信线程，线程的状态都在动态的变化中，通信服务进程控制模块保证资源的及时释放，它是一个后台线程，定时启动，检查发送线程实例树中发送线程的状态，如果已经死掉，释放指向该线程的句柄，关闭并删除相应的通信结构；

⑥通信服务进程消息发送模块负责将消息发往目的进程，包括多个发送线程实例(每个通信连接对应一个发送线程实例)，发送线程维护一个私有的消息队列，用于保存等待发送的消息，消息队列为空时线程处于阻塞状态，有消息需要发送时，消息分发模块会把消息写入消息队列并唤醒该线程；

⑦进程内通信服务进程接收模块接收从网关发来的消息，在线程内部维护一个待处理消息队列和消息处理线程池，采用阻塞的通信方式，阻塞监听与网关通信的连接，每当有消息到达时被唤醒，对消息进行处理；

⑧进程内通信服务模块收到一个消息后，在消息处理线程中首先判断消息的类型：是数据报消息还是应答消息，如果是数据报消息，根据消息源的组标识，调用消息处理接口实现树中的相应的处理方法进行处理，如果是应答消息，根据消息序号在消息配对队列中查找配对对象，调用该对象提供的对应答消息的处理方法，消息处理接口的实现和配对对象中的应答消息处理方法都由上层应用实现；

⑨进程内通信服务进程消息接收模块每收到一条消息，激活消息处理线程池中的一个空余线程完成消息的处理。

通过以上步骤实现进程间的异步通信。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1、一种基于Java的进程间异步通信的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)通信服务进程的实现：

通信服务进程是利用Java提供的多线程机制，维护三个核心数据结构：通信结构表、进程组索引表和发送线程实例表；通信服务进程包括六个模块：进程注册模块、消息接收模块、消息分发模块、控制模块、通信结构类和消息发送模块；

(2)进程内通信服务进程实现：

进程内通信服务进程向通信进程的上层应用提供一个异步的消息触发通信界面，进程内通信服务进程由进程内通信服务模块实现，它包括发送模块、接收模块、消息触发模块和消息处理模块；

(3)消息的设计：

消息由消息头和消息体组成，消息头包括消息的类型和进程的寻址信息，消息体包含用户数据；

(4)通信过程：

①进程内通信服务进程发送模块利用Java提供的对象序列化机制，直接将以消息对象封装的消息发往网关；

②通信服务进程注册模块由端口监听线程和访问控制线程构成，端口监听线程监听来自于通信进程的连接请求，每收到一个连接请求，启动一个访问控制线程，检查连接的合法性：如果口令正确，在通信结构类中增加该连接对应的套接字，以及相应的对象输入和对象输出，并为该连接新建消息发送线程实例，将其写入消息分发模块维护的数据结构中，如果口令不正确，关闭该连接；

③通信服务进程消息接收模块采用非阻塞方式轮询通信结构表中所有的套接字，记录下有消息到达的套接字，依次从其中读取消息，每得到一条消息，通过消息分发器选择消息发送模块中合适的发送线程实例进行发送；

④通信服务进程消息分发模块根据消息的组标识查找目的进程所在进程组的发送线程实例表，在发送线程实例表中根据目的进程的组内标识查找该进程对应的发送线程实例树，将消息传给树上所有的叶子节点一一发送线程实例，由它们负责将消息发送到目的进程，发送线程实例树维护向同一个通信进程发送消息的所有的发送线程实例；

⑤通信服务进程控制模块保证资源的及时释放，检查发送线程实例树中发送线程的状态，如果已经死掉，释放指向该线程的句柄，关闭并删除相应的通信结构；

⑥通信服务进程消息发送模块负责将消息发往目的进程，包括多个发送线程实例，发送线程维护一个私有的消息队列，用于保存等待发送的消息，消息队列为空时线程处于阻塞状态，有消息需要发送时，消息分发模块会把消息写入消息队列并唤醒该线程；

⑦进程内通信服务进程接收模块接收从网关发来的消息，在线程内部维护一个待处理消息队列和消息处理线程池，采用阻塞的通信方式，阻塞监听与网关通信的连接，每当有消息到达时被唤醒，对消息进行处理；

⑧进程内通信服务模块收到一个消息后，在消息处理线程中首先判断消息的类型：是数据报消息还是应答消息，如果是数据报消息，根据消息源的组标识，调用消息处理接口实现树中的相应的处理方法进行处理，如果是应答消息，根据消息序号在消息配对队列中查找配对对象，调用该对象提供的对应答消息的处理方法，消息处理接口的实现和配对对象中的应答消息处理方法都由上层应用实现；

⑨进程内通信服务进程消息接收模块每收到一条消息，激活消息处理线程池中的一个空余线程完成消息的处理。

2、根据权利要求1中步骤(1)所述的基于Java的进程间异步通信的实现方法，其特征在于，所述的进程注册模块控制通信进程的连入，保证通信服务进程的安全性；所述的消息接收模块接收通信进程发来的消息；所述的消息分发模块维护进程组索引表和组内进程索引表，实现目标进程的寻址和发送线程实例的维护；所述的控制模块保证资源的及时释放；所述的通信结构类维护通信结构表，实现对通信结构表的增、删、改方法；所述的消息发送模块负责将消息发往目的进程。

3、根据权利要求1所述的基于Java的进程间异步通信的实现方法，其特征在于，所述的通信结构表记录连入网关的所有套接字以及建立在其上的对象输入和对象输出，所述的进程组索引表是以目标进程组标识为关键字，以指向发送线程实例表的句柄为值的哈希表，所述的发送线程实例表是以目标进程的组内标识为关键宇，指向该进程对应的发送线程实例树的句柄为值的哈希表。

4、根据权利要求1所述的基于Java的进程间异步通信的实现方法，其特征在于，所述的发送模块利用Java提供的对象序列化机制，直接将以消息对象封装的消息发往网关；所述的接收模块接收从网关发来的消息；所述的消息触发模块维护消息处理接口的实现，将其组织成树状结构——消息接口实现树；所述的消息处理模块由消息处理线程构成，该模块完成对消息的处理。