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基于动态代理的上下文感知编程模型EIPM研究

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基于动态代理的上下文感知编程模型EIPM研究 基于动态代理的上下文感知 编程模型 EIPM研究 任蓓丽,齐 勇,李 明,张俊斌,牛玉洁,赵万贺 (西安交通大学电信学院软件研究所,陕西西安 710049) 摘 要: 上下文感知应用和普适计算环境逐渐渗入人们生活环境的今天,上下文感知应用的设计开发时的支撑 环境方面仍主要采用传统的面向对象等技术及编程模型,这样在设计时与上下文相关的行为会分布在程序中,即环境 上下文和行为在程序编码时就进行了绑定,这使得环境依赖因素和程序控制主体结合的过分紧密,不能适应普适计算 环境多样、复杂、动态和多变等特点,更难于进行系统...

基于动态代理的上下文感知编程模型EIPM研究
基于动态代理的上下文感知 编程模型 EIPM研究 任蓓丽,齐 勇,李 明,张俊斌,牛玉洁,赵万贺 (西安交通大学电信学院软件研究所,陕西西安 710049) 摘 要: 上下文感知应用和普适计算环境逐渐渗入人们生活环境的今天,上下文感知应用的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 开发时的支撑 环境方面仍主要采用传统的面向对象等技术及编程模型,这样在设计时与上下文相关的行为会分布在程序中,即环境 上下文和行为在程序编码时就进行了绑定,这使得环境依赖因素和程序控制主体结合的过分紧密,不能适应普适计算 环境多样、复杂、动态和多变等特点,更难于进行系统维护和扩展.本文以实现应用程序动态适应环境信息变化为目 的,设计并实现了采用动态代理为底层实现机制,通过映射规则的建立将上下文信息和编程逻辑进行分离的上下文感 知编程模型EIPM,提供了相应的开发编译平台和执行容器在内的应用框架系统原型,实现一种适应普适计算环境上 下文动态复杂多变特点的编程模型.以普适环境文件访问系统中上下文感知部分模块的开发为例,进行了 EIPM应用 框架原型系统功能的可行性测试,结果 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明EIPM编程模型具备了对环境上下文变化的动态适应性. 关键词: 普适计算环境;上下文感知;编程模型;动态代理机制 中图分类号: TP311 文献标识码: A 文章编号: 03722112(2010)2A01008 ResearchofDynamicProxyBasedContextAware ProgrammingModelEIPM RENBeili,QIYong,LIMing,ZHANGJunbin,NIUYujie,ZHAOWanhe (Dept.ofComputerScienceandTechnology,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an,Shaanxi710049China) Abstract: Asubiquitouscomputingpatternhasbeeninfiltratingpeople’sdailylifenowadays,thecontextawareapplication’ sdevelopmentprocessisstilladoptingthetraditionalobjectorientedprogrammingmodelandtechnique,whichmakesthecontext relatedbehaviordesigndistributedintheapplicationprograms,andthebindingofenvironmentcontextandbehavioroccurredatcod ingphase.Thiswillleadtotheexcessivetightlycombinationoftheenvironmentdependencefactorandprogrammingcontrollogic, alsohardforthesystemexpandingandmaintenance.Accordingtothesituation,thisthesisaimingatthedynamicadaptationofenvi ronmentcontextchanging,designedandimplementedacontextawareprogrammingmodelcalledEIPMwhichimplementeddynamic proxyasthebasemechanism,separatedthecontextinformationandprogramminglogicbyestablishingthemappingrule.Also,it providedthecorrespondingdevelopmentplatformandexecutioncontainerastheimplementationframeworkprototypesystemtosup portworkundertheprogrammingmodel.UsePervasiveDocumentAccessSystemasapplicationbackground,testandillustratethe feasibilityofEIPMapplicationframework,andtheresultsindicatethatEIPMprogrammingmodelhasthedynamicadaptabilityto thechangingenvironmentcontext. Keywords: ubiquitouscomputingenvironment;contextaware;programmingmodel;dynamicproxymechanism 1 引言 普适计算[1](Ubiquitous/PervasiveComputing)思想最 早由MarkWeiser在上世纪90年代初提出.近年来随着 互联网已经进入普适网络阶段,基于普适网络的系统平 台及其关键技术已经成为重要的研究方向.普适计算要 求设备和计算机能够感知用户所处的上下文及其变化, 并做出相应的动作,即上下文感知(ContextAwareness)技 术.而上下文感知应用程序则指的是那些由用户当前上 下文来控制执行动作的软件系统,通过硬件和软件的传 感器来察觉到用户的当前环境状况,然后根据一些提前 定义好的规则或规范来自动的决定它的行为.其特点在 于它们使得计算设备更智能,对用户更贴心,因此将成 为未来的关键技术. 收稿日期:20090522;修回日期:20090710 基金项目:国家863高技术研究发展 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 (No.2006AA012101);国家自然科学基金重点项目(No.60933003);陕西省国际合作项目(No.2008kw02); IBM联合项目(No.JLP2009060081);高效能服条器和存储技术国家重点实验室开放基金项目 第2A期 2010年2月 电 子 学 报 ACTAELECTRONICASINICA Vol.38 No.2A Feb. 2010 更多技术文章,论文请登录www.srvee.com 内容版权归作者所有 目前对于普适计算环境下的上下文感知应用设计 开发时支撑环境方面主要采用传统的面向对象等技术 及编程方法.由于传统编程模型需要在设计时确定参数 个数及类型,环境依赖因素和程序控制主体结合过分紧 密,通常将上下文和行为在程序代码中就进行了绑定. 但这种开发时绑定往往会在上下文感知应用程序中为 下面的一些情况带来困难:(a)当新的上下文被引入; (b)当上下文和行为的映射规则需要改变;(c)增加新的 行为.也就是说,一旦环境发生变化,就需要修改程序并 重新进行编译、部署等工作,不能适应普适计算环境多 样、复杂、动态和多变等特点,更难于进行系统维护和扩 展.因此研究针对普适计算环境特点的上下文感知编程 模型及其支撑环境十分必要并有重要实际意义. 近年来在面向上下文的编程模型的研究有了新的 进展,其中有代表性的包括下面几类.AndryRakotoni rainy提出的面向上下文编程模型 COP(ContextOriented Programming)[2],通过将程序分为主体框架和与上下文 相关的 openterms,根据上下文或openterms的描述来选 择合适的stubs进行填充,实现了上下文和应用逻辑的 解耦,但其使用脚本语言作为基础实现,而脚本语言本 身能否担负大型工程项目的开发始终被业界怀疑,因 此较难适用于复杂的应用;而 AncaRarau等人提出的 AwareC#[3]在语言层面上采用多面体概念扩展 C#语 言模型,来将上下文感知功能插入到 C#中去,但仅仅 在语言层面来进行扩展使得程序员在编程时将上下文 及各种变化也定义在程序中,对环境变化的适应能力 较差;AnandRanganathan等人提出的 Olympus[4]模型利 用本体来从抽象层定义规则与实体,并通过框架 Gaia 完成虚拟实体到真实空间的映射,程序员需要使用脚 本语言和本体来定义规则与实体,因此对环境的适应 能力较差. 本文以实现运行时动态适应环境信息变化为目的, 设计了采用动态代理为底层实现机制,通过建立上下文 空间与应用逻辑行为的映射规则,将上下文信息和编程 逻辑进行分离的上下文感知编程模型 EIPM(Expanded IsotopeProgrammingModel).其设计思想是在 Isotope编程 模型(IPM)核心概念的基础上,通过进一步的完善以及 实现机制的设计来扩展 IPM模型.同时为 EIPM编程模 型建立了包括开发、编译以及执行容器在内的应用框架 原型系统,来提供一种适应普适计算环境多样、复杂、动 态和多变特点的编程模型,减少上下文感知应用程序开 发人员开发和维护的工作量和复杂程度. 2 Isotope编程模型简介 Isotope编程模型(IPM)[5]的核心思想在于将对象的 代码从一个类文件扩展到多个类文件,每个文件表示 一种环境对应的执行过程,多个类文件共存于系统中, 共同提供服务.这种对象模型类似于化学元素中的同 位素:占据相同的周期表位置,具有类似的功能,但具 有不同的形式,因此我们称这种模型为 Isotope(同位素) 编程模型,简称 IPM.在 IPM模型对象中除了传统对象 的属性声明,还包含一组同位素元素(isotopeelements). 每个同位素元素代表着对象在不同环境下的执行动 作.对象在表示其处于不同环境中的行为时,不需要将 所有行为混合在一个对象的声明中,取而代之的是若 干的独立的同位素元素,因此对象的声明过程也简化 为只包含属性的声明.图1是IPM模型对于面向对象模 型中对象的扩展结构. 在 IPM模型结构中,除了对象主体(MainElements) 和与之分离的行为描述部分(isotopeelement)外,每个 isotope还各自具有一个上下文声明块(contextblock),每 个 contextblock由一组上下文信息条件表达式组成,作 为isotopeelement生效的条件. IPM模型的支撑系统框架为 IPM模型中的对象提 供运行时容器来支持基于 IPM模型的程序运行.运行 时容器负责加载和管理对象所有的 IsotopeElement,并 管理ContextBlock及其行为的对应关系,接受系统对指 定对象的调用,并选择合适的 IsotopeElement来完成方 法调用. 3 EIPM编程模型设计关键问题及解决方案 EIPM(ExtendedIsotopeProgrammingModel)是在 Iso tope编程模型理念的基础上,以基于动态代理机制进行 实现为目的的进一步扩充.IPM作为对传统编程模型的 思想扩展,提出了同位素对象的概念,在一定程度上解 决了程序对于环境的适应性问题.但是面对较为复杂 的应用环境,IPM中采用环境声明 ContextBlock的上下 文感知实现机制将很难灵活适应,并且只关注对象方 法的分离是不够的.因此要将 IPM的编程思想体现到 应用上,还需要从核心概念和外围支持系统两方面来 分别对 IPM进行扩展.EIPM编程模型建立在 IPM的基 11第 2A 期 任蓓丽:基于动态代理的上下文感知编程模型EIPM研究 更多技术文章,论文请登录www.srvee.com 内容版权归作者所有 础上,对于上下文从空间的角度进行维度划分,设计了 多面体和多维上下文空间的映射机制;同时扩展了对 象属性环境依赖的分离,将和上下文相关的对象属性 值获取通过上下文的本体建模来进行分离;最后,对于 IPM支撑系统进行更详细的设计和改进. 31 映射机制和选择策略 上下文感知应用对于传统的面向对象编程模型带 来了挑战,即在程序中将上下文和行为进行绑定通常 会在下面的情况中造成麻烦:(a)新的上下文被引入到 应用中;(b)上下文和行为的绑定需要改变;(c)加入新 的行为.因此 EIPM采用把上下文行为绑定从程序中 分离出来,通过映射规则文件的编写来实现. 在普适计算中的应用环境,每个上下文感知的应 用都有自己的上下文空间,其包含了程序依赖的所有 上下文.上下文空间往往是多维的,WeichangDu等人[6] 定义上下文空间为各个上下文维度的笛卡尔乘积: ContextSpace=∏ n i=0 dim→i (1) 其中,ContextSpace代表上下文空间,而dimi则代表空间 中的第i个维度.每个上下文描述对应于多维上下文空 间中的一个点,在 N维上下文空间中用N元组(d1, d2,… ,dn)的形式来表述.在维度 d的坐标用d[i]的 形式表示,例如(time[2],sound[0])就表示了某个两维 上下文空间中的一个上下文点的值. 在EIPM中,将同位素IsotopeElement和上下文进行 相互映射.因为模型的上下文空间定义域是程序所可 能遇到的所有上下文的值,因此从 IsotopeElement到上 下文空间的映射是一种满射,即从每一种在程序定义 域内的上下文都有对应的行为.本文通过“上下文—行 为”绑定规则文件来定义上下文和行为的关联.只有在 当前上下文在一个特定的上下文集合(整个上下文空 间的一个子集)中时,应用程序的某个行为才能被激 活.下面用二维上下文空间来进行说明,如图2所示. 上图2中的二维上下文空间具有两组上下文集合: 包括区域 A和区域B的集合1;包括区域 B,C,D的集 合2.这里,上下文集合1对应的是类 X的应用空间,集 合2和类 Y的应用空间绑定.在每个类对应的集合中, 不同的上下文区域对也应着不同的 Isotope方法:类 X 在上下文区域A中会采用X.IsotopeElement1,而在区域 B就会换成X.IsotopeElement2.类似的类 Y在自己所 对应的上下文集合中,也会根据上下文区域的变化而 采用不同的 Isotope方法.在上下文空间中,集合1和集 合2允许拥有重叠,这个交集部分在应用类不同的时候 会激活不同的 IsotopeElement行为.在对上下文和行为 绑定的时候,分为两个阶段的映射:类Class到上下文集 合 ContextSet的映射和上下文元组到行为方法的绑定. 不同的上下文区域允许绑定到同一个 Isotope方法,但 反过来则不允许,即禁止一个上下文元组对应同一个 Class中的多个 Isotope方法. EIPM模型在进行同位素方法选择时,摒弃了 Iso tope模型中采用 ContextBlock的固定且难以实现的方 式,而采用基于动态代理的框架组件和定义匹配规则 文件来实现.应用框架系统将应用程序、执行容器和映 射规则整合到一起成为一个完整的上下文感知应用. 这样,程序员的注意力将被放在应用逻辑的实现上,而 不是程序和环境上下文的具体绑定.而在运行时刻,应 用框架中的执行容器读取映射规则配置文件,在程序 初始化时创建多维上下文空间.当程序运行过程中,需 要调用属于上下文相关对象实例的方法时,执行容器 通过从当前应用环境获取上下文数据,若上下文和上 次调用时有所变化,则通过查询映射规则,获得匹配的 上下文信息,进行同位素方法的选择.在进行匹配选择 过程中,需要定义的映射规则包括:(1)应用上下文规 则:定义一个应用所涉及到的上下文空间,包括组成空 间的各维度信息,并通过定义每个维度的属性信息来 详细设计上下文空间的划分;(2)上下文行为映射规 则:将环境上下文和具体的 Isotope行为进行绑定的配 置信息,由专门角色(领域专家或用户)来指定和更改, 具有很大的灵活性.在对映射规则的定义中,包括对上 下文集合(由 ContextSet标签表示)所对应的类的信息 的指定,上下文区域的信息(Regions标签)与上下文 IsotopeElement对象的映射信息(Region-Isotope-Binding 标签)表示.通过相关角色对规则的定义和设置,来实 现在不改变程序代码的基础上,根据环境的变化对应 用程序进行动态配置. 32 对象属性的上下文依赖分离 我们需要注意的另一个事实是,对象不但会根据 不同的上下文信息来有不同的行为,同时也会呈现出 21 电 子 学 报 2010年 更多技术文章,论文请登录www.srvee.com 内容版权归作者所有 不同的状态(不同的属性值的集合).以智能办公室的 多功能打印机为例,当打印机通过用户偏好来转换打 印模式时,该用户信息作为上下文就影响了打印机的 状态,此时的对象属性中的一部分就发生了变化,通过 用户及其相关信息进行了更新或增减.类似的场景在 实际应用中比比皆是,因此我们不能忽略对象属性和 上下文变化的关系.而对程序员来说,关注这些上下文 敏感的属性是一项复杂而耗费时间的任务.因此在 EIPM编程模型中,上下文相关的对象属性值的获取被 从程序逻辑中分离出来.这首先需要进行上下文的建 模.T.Strang等人在文献[7]中总结了几种上下文模型, 并基于六条标准(分布式组成、部分验证、丰富性和高 质量、任意性、分级形式化以及可用性)对各种上下文 建模方法进行了评估和总结,最后评估结果表明本体 (Ontology)建模是最适合于表示上下文信息的模型.本 体是一种共享概念模型的明确的形式化规范说明,用 于描述概念以及概念间的关系.目前应用广泛的本体 描述语言是W3C的WebOntologyLanguage(OWL).因此, EIPM模型的属性值分离机制通过采用将实体和它们的 上下文抽象为本体来实现,即模型化应用环境中的上 下文相关实体,然后通过映射模块来为程序主体动态 获取当前环境下上下文相关对象的属性值.这样通过 映射关系,对象获得了属性的上下文信息,并为程序员 隐藏了底层上下文获取的细节.本体的实体属性更新 通过上下文感知系统的上下文获取机制模块来实现, 一种方式是将静态数据和动态数据用OWL文件形式存 储,并随传感器及解释器的结果而更新;另一种方式将 实体数据在数据库中存储,通过本体和数据库的映射 来完成查找.属性值获取原理如图3所示. 类的成员变量按照与上下文的关系分为两类:上 下文无关属性变量和上下文相关属性变量.其中上下 文相关属性变量在运行时其值将由OWL本体库中所对 应对象的属性来提供,通过上下文信息匹配,获取本体 库中相应对象的属性,并提供给程序.这样通过将对象 与应用环境空间实体进行映射,来获取并为对象指定 与上下文相符合的上下文相关属性的值. EIPM模型的执行容器将从本体层次和实体描述来 查询发现对应的实体.在为 Isotope对象选择对应的实 体时,需要满足下面几种约束:(1)开发人员在程序中 指定的变量约束条件;(2)本体中列出的约束条件;(3) 系统管理员为应用场景空间指定的约束条件;(4)系统 使用者的用户策略.属性匹配的实体发现过程的执行 步骤如下: (a)发现与实体相匹配的类:应用框架查询本体 库,取得和主体对象类相同或者最接近的类的列表,若 返回是类列表,则按语义相似度排列. (b)类级约束条件过滤:应用框架将本体库返回的 列表中的类进行过滤,过滤掉那些不符合约束条件的 类.这些类级别限制条件通过策略文件或者本体中的 指定来提供. (c)在应用领域本体中查询对象实例:对列表中的 类,通过有过滤条件的查询来发现类的对象集合中对 应的实例个体. (d)实例级约束检查:对从本体库中返回的所有实 例,系统检查它是否满足在程序逻辑中和策略文件中 指定的实例级约束条件.得到最终匹配列表,其中实例 的都满足匹配要求. (e)在最终列表里选择最佳实例:系统基于多维标 准匹配函数来决定最优的实例个体,从而将其属性值 映射到主体对象中. 33 语言层扩充 为了和EIPM的实现机制无缝的衔接,编程模型还根 据需要对语言层扩展,引入新的语言成分,使应用程序开 发人员可以将EIPM模型应用在他所熟悉的面向对象语言 编程上.本文以Java面向对象语言为例来进行扩展.扩展 后的Isotope语言是一种中间语言,可以根据不同转换策略 将其转化为现有流行的高级面向对象语言. IContext(上下文描述):IContext作为一个复合数据 类型来定义上下文,可表示为单个的三元组即(Subject, Predicate,Object),或者是若干三元组的列表.程序将 I Context变量来作为程序员指定的约束条件来过滤获取 上下文感知元素(属性值和 IsotopeElement). IClass(Isotope类定义):IClass声明用来定义上下文 相关类.声明格式和 class类似:IClassNameOfClass[ex 31第 2A 期 任蓓丽:基于动态代理的上下文感知编程模型EIPM研究 更多技术文章,论文请登录www.srvee.com 内容版权归作者所有 tendsSuperclass].在类体的定义中,包括了普通属性,上 下文相关属性变量,以及方法的声明.其中方法体可以 作为缺省方法实现也可以为空.在创建类的对象的声 明部分可根据需要还指定该对象关联的上下文内容. 例如PDA的一个对象 PDA-1是一个 PDA,他属于用户 ID为takayama的用户,且当前时刻正在访问文件服务 器Serv1.则定义如下: lclassPDAextendsDevice { //Classbody…… } PDAPDA-1=newPDA(para-1,para-2…):(UseriDistakayama), (AccessTargetisServ1); 或者使用关键词 IContext来定义: IcontextpdaContext={(UseriDistakayama),(AccessTargetisServ1)}; PDAPDA-1=newPDA(para-1,para-2);pdacontext cavDefine(变量声明):用在对类进行属性定义时, 声明其中的上下文相关属性变量(ContextAwareAt tributes).其形式为:cavDefinevariableTypevariableName. 上下文感知变量定义时只有声明,而不能进行初始化, 赋值需要在运行时动态查找本体库得到. element(同位素声明):使用关键字 element声明 I Class类对象的同位素对象的时候,除了主体对象的名 称外,还要指定element的名称来区别各个element,以便 在编译后和上下文进行绑定.其定义形式为:element Class-NameElement-Name;element也可以在所属的类定 义文件中直接声明,定义形式为elementElement-Name; 这些扩展的语言成分提供了与 EIPM模型系统的 无缝衔接,使系统更好的领会程序员的意图,从而支持 了 EIPM执行容器的工作.采用新语言成分的 程序编写的代码都被保存为.ist文件,需要经 过开发环境提供的编译器转换成目标语言文 件才能运行. 34 执行容器框架设计 显然,对于对象的分离机制(包括上下文 相关属性和方法)改变了 EIPM编程模型的运 行模式,传统编程的运行机制要被改造.本文 为 EIPM设计了基于动态代理实现机制的执行 容器,作为整个 EIPM系统框架的运行核心部 分来支持新编程模型下的程序运行.执行容器 框架的设计除了要考虑 EIPM的执行 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 外, 还需要为管理员提供管理接口,以便按照需求 调整应用程序,适应上下文环境的变化. 在EIPM模型的执行系统中,参与者被分 为下面几种角色:(1)程序开发人员:编写程序 的应用逻辑,对程序中上下文相关约束进行指 定;(2)领域专家:为 IsotopeElement的定义提供支持,设 计上下文感知规则文件,并负责应用环境的上下文本 体建模;(3)系统管理员:负责管理整个执行容器系统 框架,包括维护和更新本体库、IsotopeElement库、以及 规则配置文件和约束;(4)用户:用户偏好的来源.事实 上,这些角色只是从系统的角度来进行分类的,而现实 世界中他们是可以重叠的. EIPM编程模型的执行过程从逻辑顺序上可分为下 面几个过程,这里我们假定上下文本体库,Isotope库以 及映射配置文件都已经被各个角色定义好. (1)程序员使用 EIPM扩展语言进行应用 Isotope程 序的编写;(2)预编译模块对 Isotope程序进行处理,将 其转化为 Java语言程序.IsotopeElement部分被预编译 为Element对象,同时动态代理相关代码也将插入 Java 文件中;(3)对于当环境改变时新加入的 Isotope对象, 由系统管理员对映射规则进行更新修改,来将 Element 对象加入到运行系统中;(4)当上下文相关类需要被实 例化,通过按实体匹配策略查询上下文本体库来确定 目标实体,从中得到上下文相关属性的值,发送给对 象;(5)在调用 IClass的对象方法的时候,系统根据从上 下文组件中获取的当前上下文,和缓存上下文进行比 较,若不同则根据配置文件中的多维上下文空间匹配 规则选择对应的 Isotope对象,并调用其对应的方法.若 相同,则按照上次调用记录使用对应的 Element对象. 若无返回对象则执行主体对象中的缺省方法. 根据前面对EIPM模型的运行机制和流程,设计了 执行容器体系结构,如图4所示. 执行容器由管理员控制台,IsotopeElement管理组 41 电 子 学 报 2010年 更多技术文章,论文请登录www.srvee.com 内容版权归作者所有 件,映射规则管理组件,本体管理组件,Isotope选择模 块,属性匹配模块以及对象访问控制模块 7个部分组 成.系统管理员通过管理控制台来发出指令控制各组 件完成任务,管理数据库和规则文件,监视当前的对象 信息.管理员有权限查看目前加载的 Isotope对象信息, 卸载或替换已有的 IsotopeElement,更改映射规则配置 文件,更新当前上下文本体库.而 IsotopeElement管理组 件,映射规则管理组件,和本体管理组件用来辅助系统 管理员对于上下文相关成分的动态管理.所有的上下 文相关成分都由它们直接管理.其中本体管理组件通 过读取来自外围模块上下文组件中得到上下文内容, 生成本体信息,写入到本体库中.Isotope选择模块和属 性匹配模块在运行过程中通过配置信息和匹配规则, 和运行程序交互,应用在为运行程序实体选择 Element 对象和匹配上下文相关对象属性值,完成程序对运行 中上下文相关成分的定义和更改.运行程序的执行部 分采用动态代理的实现机制,对应用程序中 Isotope对 象方法的调用进行拦截,通过匹配映射策略得到对应 的 IsotopeElement方法,返回给执行中的应用程序,从而 实现运行时动态感知并适应环境上下文的控制. 4 应用框架 EIPM模型的应用框架原型系统是用来支撑编程模 型在上下文感知应用程序设计和运行过程的.应用框 架系统设计目的是,为了给开发人员提供上下文感知 编程环境,以及运行时动态感知环境上下文的对象访 问控制功能.应用框架共包括三个层次,分别是开发环 境,编译环境和运行时环境.系统概要设计如图5所示. EIPM编程模型以面向对象编程模型为基础,因此 目标语言可以是各种面向对象编程语言,本文以 Java 语言为目标语言,因此在下层的编译环境中包含了语 法规则的定义和 Java转换策略来对 EIPM中的语言扩 展成分进行分析转换,其步骤为:(1)Isotope类和上下文 提供类的源程序编写在后缀名为.ist的文本文件中; (2)编译器将 ist源程序转化为 Isotope模型;(3)根据目 标语言转换策略将 Isotope模型转化为后缀名为.java的 源文件;(4)最后与其他普通 Java类一起编译链接为. class字节码文件. 中间层的应用开发环境的目标是为编程人员提供 上下文感知应用程序开发平台及开发支持包.根据 EIPM的设计,开发环境包括 Isotope工程文件生成向导, Isotope代码编辑器,以及对 ist文件进行预编译的编译 模块. 最上层的应用运行环境根据环境上下文变化来动 态选择 Isotope对象运行,为对象提供匹配的属性值集, 以及为管理员提供对应用环境上下文的管理接口.其 中主要的运行时支持是通过匹配策略组件和对象访问 控制模块的配合实现.在对象访问控制模块中,需要实 现的最主要的功能是利用匹配策略组件获得的 Element 信息,动态调用匹配的 Element对象方法.本文的设计 中采用代理的方式,利用拦截器和 Java反射机制来进 行实现.提供一个代理机构,通过在调用主体对象方法 的时候,对方法进行拦截,并转而匹配得到的 Element 对象进行方法调用,完成所需要的功能.实现机制的模 型包括三部分:执行逻辑,拦截器和代理机构.因此,为 了将上面的实现机制和程序紧密的结合,编译器在分 析 Isotope文件代码并转换为 Java代码的时候做的转换 工作就包括了,在 IClass关键字标注的上下文相关类的 Java代码中插入对于代理的调用机制.Isotope程序到 Java代码中相关的对应转换如下图6所示: 先通过定义拦截器并生成提供获取拦截器的接 口;然后通过参数得到代理对象,并获取类信息,将其 传递给上下文空间Element匹配机制组件,获得匹配的 element对象名;最后代理机制将相应的 element对象的 相应方法传递给执行逻辑,从而实现了对象访问控制. 5 模型应用及分析 51 应用背景 为各种电子办公设备都接入了网络的现代化办公 51第 2A 期 任蓓丽:基于动态代理的上下文感知编程模型EIPM研究 更多技术文章,论文请登录www.srvee.com 内容版权归作者所有 环境设计一种普适文件的访问系统,其中的关键问题 之一是在越来越复杂的办公环境下,不同的用户身份 和文件访问场合对于操作的要求都不相同.不仅在程 序员设计系统时考虑和规定范围内的上下文变化时需 要有不同的执行动作,还会随着公司的运行而引进新 的上下文和执行动作.在一个工作办公环境范围内,我 们只考虑实现通过(1)用户角色(UserRole)的不同和 (2)用户当前位置(Location)这两个上下文维度来创建 上下文空间,根据不同的上下文来为用户提供不同的 文件访问功能. 文件的访问方式为,通过智能手机登陆文件服务 器,通过认证之后为用户显示符合当前上下文(由用户 角色和位置决定)的内容,包括用户可访问的文件列表 和文件信息视图.接下来用户根据列表选择需要的文 件,此时通过“获取文件”操作得到文件的 Document- ID.之后使用支持Document-ID访问文件的系统来进行 文件读取.每种访问过程都根据上下文的不同而执行 不同的动作.在多处上下文感知应用模块中,本文选择 “AccessPoint服务器根据当前上下文信息为用户手机提 供对应的访问文件列表”的功能模块来进行基于 EIPM 的实现. 52 应用模型抽象 在例子中的应用环境上下文空间的设计中,上下 文分为2个维度:(1)用户角色部分 UserRole:小组经理 (inGroupManager),小组成员(inGrouper),和非本小组的 人员(outGrouper).(2)用户所在地点 Location:会议室 (meetingRoom),办公室(officeRoom)和外部区域(out side). 而需要实现的“访问文件列表”功能模块是由 Ac cessPoint服务器根据当前上下文信息提供访问文件列 表,而这个操作对应于不同上下文的不同操作.操作1: 为小组成员和经理提供会议相关文件列表(对应上下 文:小组内成员在会议室访问文件系统);操作 2:提供 对应于各自权限的全部文件列表(对应上下文:小组内 成员和经理在办公室访问文件系统);操作3:提供非机 密文件的全部列表;并将访问信息记录在服务器的访 问日志中(对应上下文:小组经理在公司外访问文件系 统);操作4:提供只包含会议相关文件列表(对应上下 文:非本小组成员在公司内部访问文件系统);操作 5: 拒绝访问(对应上下文:小组普通成员和非本小组成员 在公司外部访问文件系统). 首先要为应用设计各种规则文件,包括应用上下 文规则,对象行为定义文件,以及最重要的上下文行为 映射规则文件.例子中的规则文件 XML表示如下图 7 所示: 53 程序编译与运行结果分析 Isotope编译器将 ist文件首先转化成相应的 java代 码,对于在引用Isotope类的java代码中进行必要的翻译; 然后编译生成对应的class文件. 根据编译得到的结果运行程序时会发生两种情况: 一种情况是行为随上下文的不同而得到不同运行结果. 例子中当模拟的上下文模块得到对应于上下文空间中 “小组内成员包括经理在会议室访问文件系统”的当前 上下文值时,对应了“会议内容”列表如图8所示. 而在运行时分别为其他四种上下文时的程序运行 结果如图9所示. 另一种情况是在应用背景需求中提到的包括新上 下文的引入、映射规则改变以及增加新的行为.例如下 面的情况:类 DocListView类需要为小组普通成员提供 在公司外部对文件列表的浏览(原本不包含这个上下 文及其对应的操作),则需要做两步:(1)添加上下文 re gion:r.6=memberOutside代表小组普通成员在公司外部 的上下文,并填写对应的 IsotopeElement的信息;(2)修 改上下文 regionr.5=nonmanagerOutside,将上下文范围 中包括了小组普通成员的部分去除.通过上面的操作, 61 电 子 学 报 2010年 更多技术文章,论文请登录www.srvee.com 内容版权归作者所有 系统管理员就将原本对小组普通成员和非本组成员对 文件列表的外部访问功能区别开来,分成为两个上下 文域,并各自对应了不同动作的 Isotope列表操作.上下 文获取与解释模块 通知 关于发布提成方案的通知关于xx通知关于成立公司筹建组的通知关于红头文件的使用公开通知关于计发全勤奖的通知 感应到上下文 r.6时,则会运行 对应的操作.由此可见,根据模拟外界环境上下文的变 化,程序运行得到不同的结果.而与此同时,在应用程 序中并没有提及上下文的内容,并且上下文和应用程 序之间映射关系的变化也不需要程序员在源程序中进 行处理,也就是说将功能与环境的绑定在运行时决定. 上面的两项功能分析分别通过模拟外界环境上下 文变化,测试程序运行得到不同的结果;以及根据应用 环境上下文映射规则的变化,通过管理员控制工具进 行处理,使得程序对其动态的适应.由运行结果分析可 知,基于动态代理的 EIPM编程模型通过对上下文信息 和编程逻辑进行分离,采用动态拦截和代理的机制来在 运行时绑定上下文和编程逻辑,实现了(1)根据当前上 下文的变化而动态调整运行不同的行为方法;(2)对应 用环境的各种变化,包括上下文、行为及两者的映射规 则的变化,不需要修改程序本身就可以处理,并且不需 重启系统的情况下完成对应用环境变化的动态适应. 6 结论 本文提出了一种基于动态代理机制的上下文感知 编程模型 EIPM.该模型以 Isotope模型的概念为基础,通 过对其扩展和改进,进行了详细的设计,实现了将环境 因素和程序控制主体进行解耦,使得上下文感知应用 程序开发更加灵活,更好的适应多变的普适计算环境. EIPM编程模型在编程过程层面将同一对象在不同环境 中的不同对象行为和属性值分离出来,在程序管理层 面通过映射规则文件和本体文件引入环境上下文因 素,并且在运行阶段提供动态的上下文对应行为的选 择和调用.在设计理论的指导下,实现了 EIPM编程模 型支撑系统应用框架,为 EIPM编程模型下的程序开发 和运行提供了系统支持. 参考文献: [1]WeiserM.Thecomputerforthe21stcentury[J].Scientific American,1991,265(3):94-104. [2]RarauA,BentaKI,CremeneM.Multifacetedbasedlanguage forpervasiveserviceswithdeterministicandfullydefinedbe havior[A].2007IeeeInternationalConferenceonPervasive Services[C].LosAlamitos,CA:IEEEComputerSociety, 2007.76-79. [3]YangHI,JansenE,HelalS.Acomparisonoftwoprogramming modelsforpervasivecomputing[A].InternationalSymposium onApplicationsandtheInternetWorkshops[C].LosAlamitos, CA:IEEEComputerSociety,2006.134-137. [4]RanganathanA,ChetanS.OlympusAhighlevelprogramming modelforpervasivecomputingenvironments[A].ThirdIEEE InternationalConferenceon8-12March(PerCom’05)[C]. LosAlamitos,CA:IEEEComputerSociety,2005.7-16. [5]XiM,ZhaoJZ,QiY,etal.Isotopeprogrammingmodel:A kindofprogram modelforcontextawareapplication[A]. 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