云平台里的小框架设计范例-云计算-火龙果软件工程

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云平台里的小框架设计范例

作者高焕堂，火龙果软件发布于 2014-03-12

前言：在大数据时代里，云平台的角色愈来愈吃重了。其中多层框架云平台成为主流(例如，上层Java+下层C/C++)。然而，云平台的主人只有一个，我们可能只是客人角色，有没有可能反客为主，挟天子以令诸侯呢?这就看架构师的思考技术了。

1. 认识云(端)平台

1.1 以百货公司比喻云平台

传统的网络服务是封闭型的Client/Server架构的延伸。其中的Client与Server两端的软件程序是各自开发的，Server端开发人员撰写完整的Server端程序，而Client端开发人员则撰写完整的Client端程序并且呼叫Server端的程序。这种传统的网络服务系统，其Server端如同一座四合院，庭院深锁，外人(即Client程序)只能在大门口与四合院内的主人沟通。如今的云(Cloud)概念里，其系统架构和软件开发，大多来自传统技术的延伸，并非特别的创新。然而它有了开放心怀，不再紧闭大门、深锁庭院了，而是打开大门，提供庭院让外人进来搭帐篷露营。此外，四合院主人还愿意提供各项资源(软硬件)和服务，甚至免付费呢!

上述的四合院比喻，还不能完整看出云所带来的商业模式和价值。开放型的四合院，也相当于目前大家常常去逛的百货公司，如下图：

图1 云平台就像百货公司

在四合院里搭帐篷，也相当于在百货公司里开设专柜做生意。例如，你到许多百货公司处处可见到香奈儿、SK-II等化妆品专柜，如下图：

图2 百货公司里的连锁专柜(企业)

基于云的开放架构，Android开发者能到各式各样的云(如Google、Facebook等)平台上，开发云层上的应用程序(就如同进入别人的四合院里搭帐篷露营、也如同到各个百货公司开设连锁专柜)。于是，Android应用服务就如同SK-II的国际连锁服务。Android手机端成为连锁店的营运总部，Android手机也成为连锁店总经理的随身指挥利器，和运筹帷幄中心了。

1.2 以连锁专柜比喻特定领域的(跨)云平台

一般而言，有两种常见的云分类：

公有云(Public Cloud)-- 开放给各行业或各领域的人们进来写软件或使用服务。

私有云(Private Cloud)-- 并不开放给别人进来写软件或使用服务。

如果你学过Java或C++的话，就知道类别里的函数可分为：public、private和protected共三种。如果对应到云的分类别上，将可以得到第三种云，就是：

限定云(Protected Cloud)，即<特定领域的云(Domain-Specific Cloud)>-- 特定领域就是特定行业，例如医疗行业、物联网行业、保险行业、网络游戏行业、KTV行业等，各有其专属(Protected)范围。只开放熟悉该行业的人进来写软件或使用服务。例如，医疗领域云平台的系统架构图如下：

图3 医疗领域的(跨)云平台

从图可以看出来，这个医疗领域云平台，是建立于多的公有(Public)云平台上，甚至，可能也有自己的私有(Private)云。所以它是一种跨云(公有及私有)的云。由于它是建立于公有云的虚拟平台上，不需要巨大投资于硬设备上，所以建置成本远低于公有云。欲理解这种新潮跨云平台的最好比喻就是：

公有云，如同「百货公司」。

特定领域云，如同百货公司里的 Chanel连锁专柜。

大家都知道：跨百货公司的连锁专柜也是公司，所以跨公有云的特定领域跨云平台，也是云。

2. 认识GAE(Google AppEngine)云平台

GAE(Google AppEngine)是Google的云服务引擎，第三方应用程序开发者能开发应用程序(AP)，然后放在Google服务器上执行，不需担心频宽、系统负载、安全维护等问题，一切由Google代管。只要AP每月不超过500万网页面的流量就可享受免费的待遇。GAE平台的系统架构如下图：

图4 GAE云平台架构(摘自Google公司文件)

从上图可看到，从手机、PC、MID等众多端设备上，都能随时上网发出要求(Incoming Requests)来存取GAE上的服务。在GAE后台的AppServer里，GAE提供了API(即API Layer)来衔接你的云端应用程序(即AP)。

3. 小强龙的云框架API-- 以GAE的SM游戏为例

水果盘拉霸机(Slot Machine，简称SM)游戏。如下图：

图5 Android拉霸机游戏画面

其玩法是先输入投注金额(Bet)，然后拉动点击把手或点击<SPIN>钮来转动滚动条，滚动条会各自转动，然后随机出现不同图案，如果停定时，有出现符合相同或特定相同图案连成线者，即依其赔率而胜出。同一家游戏场里的拉霸机通常会联网，以投注额厘定累积大奖(Jackpot)金额，并随时更新累绩大奖金额，以便增加吸引性。

3.1 SM游戏的框架设计图

这游戏软件可分为两部分：

游戏(Game)端部分，也就是Android手机端的应用程序。

柜台(Console)端部分，也就是GAE云层Servlet程序。

当玩家押注后，按下<SPIN> 按钮(开始加速滚动)，游戏端就将「目前余额」和「押注金额」传送给GAE的柜台端程序。等待柜台端程序计算出中奖金额后，将「新余额」和「奖项级别」回传给Android游戏端(滚动开始减速)，并更新游戏端的画面。其中，Android游戏端程序(ac01.java)发送HTTP来呼叫GAE云层的Servlet接口，如下图所示：

图6 拉霸机游戏的系统架构图

Android游戏端透过HTTP和Servlet接口来传送三种讯息给GAE 云层。这三种讯息为：

当玩家启动Android游戏端时，发送"Init:"讯息给GAE云层程序-- GAE就从DB里读取玩家的余额(即上回的余额)，并回传给游戏端。

当玩家按下<SPIN>按钮时，发送"Bett:amount,bet" 讯息给GAE云程序-- 此讯息附有余额(amount)和押注金额(bet)，要求GAE程序决定「奖项级别(Rank)」，计算奖金和新余额，然后回传给游戏端。

当玩家欲结束时，按下<Exit>按钮发送"Fini:amount"讯息给GAE云层-- 此讯息附有目前余额(amount)，GAE接到讯息，就依据将余额存入DB，完成时立即回复给游戏端，关闭游戏端画面。

GAE Console端应用程序包含两个部份：Servlet模块和GM模块。GM(全名是Game Machine)类别是Console端应用程序的决策核心，例如决定游戏获奖的奖项，计算奖金等都是GM负责的任务。至于Servlet类别体系则是负责与Android游戏端的沟通任务。

◆ Slot Machine的框架设计图(方案一)

兹先设计(和开发)Slot Machine应用框架，如下图所示：

图7 Console端游戏框架设计图(依据方案一)

当Android游戏端(简称SM)呼叫HttpServlet类别的Servlet接口时，会转而呼叫smConsoleStub类别的doGet()函数，此doGet()转而呼叫process()函数去解析来自Android游戏端的讯息，然后呼叫GM类别的函数，或呼叫应用程序的onInitialAmount()和onFinished()函数。

值得留意的是，此框架设计者(即smConsoleStub类别设计者)决定了它与游戏端沟通的讯息格式(Format)，例如游戏端必须使用"Init:"讯息格式、"Bett:"讯息格式和"Fini:"讯息格式。一旦框架设计者决定了沟通接口，则应用程序开发者就必须遵循这些接口，而不能更改之。此时，框架就藉由这些接口来「框住」应用程序(及开发者)了。此外，框架也决定了它与子类别间的接口，也就是决定了onInitialAmount()和onFinished()函数的名称及参数格式。例如下图：

图8 Console端的应用子类别(smConsoleServlet)

其中，smConsoleServlet子类别就必须遵循smConsoleStub类别的接口规定而实作(Implement) onInitialAmount()和onFinished()两个抽象函数。

◆Slot Machine的框架设计图(方案二)

在上述方案一里，框架设计师决定了Android游戏端与云层之间沟通讯息的格式，而应用程序开发者只能遵循之而不能制定自己喜欢的讯息格式。如果想让应用程序开发者能自行决定上述的讯息格式，就可更改框架设计如下图：

图9 Console端游戏框架设计图(依据方案二)

在此新方案里，smConsoleStub22类别的process()是抽象函数，让应用程序的smConsoleServlet22子类别来实作之。框架里的smConsoleStub22类别只是将讯息转达给应用子类别smConsoleServlet22而已，并不决定讯息格式，也不解析讯息。而是由smConsoleServlet22子类别的process()函数来解析讯息。由于Android游戏端的ac01类别和云层的smConsoleServlet22子类别都属于应用程序，由ac01类别与smConsoleServlet22子类别之间的沟通讯息格式，是应用开发者可以自订了。

3.2 SM游戏的云端框架范例代码

这云层框架是依据上述的方案一而设计的，其包含两个类别：GM类别和smConsoleStub类别。兹在GAE开发项目里定义上述类别，如下图：

兹撰写GM.java类别和smConsoleStub.java类别，其代码如下：

其中，RC类别是依据随机值而换算出获奖的奖项(Rank)，其实各家游戏场都有不一样的奖项决定规则，而且随时都可能更换新的奖项规则。上述RC类别只是一个简单范例而已。Android游戏机端传送HTTP讯息给GAE云层，就转而呼叫上述的doGet()函数。此时诞生一个GM对象，并从session取得"gmState"的值，并将此值存入GM对象里，设定了GM对象的状态值。接着，转而呼叫process()函数来解析讯息内容，在依据内容而呼叫GM对象的函数或应用子类别的函数，最后回传讯息给游戏机端。

3.3 SM游戏的应用程序(App)范例代码

这拉霸机应用程序包括：GAE云层的smConsoleServlet子类别和Android游戏端的ac01子类别。

GAE云层的应用程序代码

其包括smConsoleServlet子类别。兹在GAE开发项目里定义之，如下：

兹撰写smConsoleServlet类别，其程序代码如下：

/*---- smConsoleServlet.java ----*/

package misooGAE001;

import com.google.appengine.api.users.User;

import GameFramework.smConsoleStub;

@SuppressWarnings("serial")

public classsmConsoleServletextends smConsoleStub{

@Override protected int onInitialAmount(User user) {

// 读取user's initial(recorded) amount from DB

int init_amt = 1000;

return init_amt;

}

@Override protected boolean onFinished(User user, int final_amount) {

// 将user's final amount 存入 DB

return true;

}}

云层框架smConsoleStub类别并不负责向DB存取游戏玩家的目前余额。所以在游戏启动时，smConsoleStub呼叫应用程序子类别smConsoleServlet的onInitialAmount()函数去DB读取玩家的余额。而且在游戏结束时，框架类别smConsoleStub则呼叫应用程序子类别smConsoleServlet的onFinished()函数去将玩家余额写入DB里，储存起来。

Android游戏端应用程序代码

应用程序开发者除了上述smConsoleServlet子类别之外，还要开发Android游戏端的应用程序。兹在Android开发项目里定义ac01子类别，如下图：

兹撰写ac01.java子类别，其程序代码如下：

此ac01类别的invokeServlet()函数会启动一个子执行绪(Thread)去发送HTTP讯息给GAE云层的Servlet程序。例如，游戏启动时，立即发送"Init:"讯息给云层，此时画面上出现一个「等待」窗口，如下图：

一直等到接获云层Servlet回复时，就出现测试用的简易游戏画面，如下：

其中的Amt:1000表示目前此玩家的余额是1000元。此时，玩家可以连续按下<Add>按钮来投注更多金额。例如，投注100元的画面如下：

此时，玩家可按下<SPIN>按钮，ac01类别的invokeServlet()函数会启动一个子执行绪(Thread)去发送"Bett:"讯息给云层，此时画面上出现一个「等待」窗口。一直等到接获云层Servlet回复时，就出现更新游戏画面上的金额，如下：

其中的Rank:3 表示获得第3级别的奖项，押注100元，赢得300元奖金，目前余额为1300元。当玩家按下<Exit>按钮，ac01类别的invokeServlet()函数会启动一个子执行绪(Thread)去发送"Fini:"讯息给云层，此时画面上出现一个「等待」窗口。一直等到接获云层Servlet回复时，就表示云层已经将余额存入DB，于是ac01就结束了。

3.4 搭配上漂亮的UI画面

上述的拉霸机范例程序，只要将Android游戏端应用程序更换掉，就可以换上漂亮的操作画面了，如下图所示：

图10 美观的Android拉霸机游戏画面

然而，由于篇幅的限制，本范例只采用简易操作画面，以便列出完整的程序代码。

4. Android框架 + GAE框架

Android的跨进程界面IBinder，其角色相当于云层里的Servlet界面：

图11 Android端框架与GAE云框架的完美整合

无论Android还是GAE云层都是以框架来支撑「强龙/地头蛇」商业样式。兹写个GAE框架范例，并进行架构设计如下：

图12 Android框架+ GAE框架的范例

其中的UploadPost和myUploadPost两个类别的程序代码如下：

//UploadPost.java

package com.patrick.ccpmediastore;

import java.io.IOException;

import java.net.URLEncoder;

import javax.servlet.http.HttpServlet;

import javax.servlet.http.HttpServletRequest;

import javax.servlet.http.HttpServletResponse;

@SuppressWarnings("serial")

public abstract class UploadPost extends HttpServlet {

 public void doPost(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp)

          throws IOException {

   try { PMF.get().getPersistenceManager().makePersistent(getMediaObject(req));

                      resp.sendRedirect("/");

              } catch (Exception e) {

                      resp.sendRedirect("/?error=" +

                      URLEncoder.encode("Object save failed: " + e.getMessage(), "UTF-8"));

           }}

       protected abstract MediaObject getMediaObject(HttpServletRequest req) ;

}

// myUploadPost.java

package com.patrick.ccpmediastore;

import java.io.IOException;

import java.util.Date;

import java.util.Iterator;

import java.util.Map;

import javax.servlet.http.HttpServletRequest;

import javax.servlet.http.HttpServletResponse;

import com.google.appengine.api.blobstore.*;

import com.google.appengine.api.users.User;

import com.google.appengine.api.users.UserService;

import com.google.appengine.api.users.UserServiceFactory;

@SuppressWarnings("serial")

public class myUploadPost extends UploadPost {

private BlobstoreService blobstoreService =

BlobstoreServiceFactory.getBlobstoreService();

protected MediaObject getMediaObject(HttpServletRequest req) {

UserService userService = UserServiceFactory.getUserService();

User user = userService.getCurrentUser();

Map<String, BlobKey> blobs = blobstoreService.getUploadedBlobs(req);

Iterator<String> names = blobs.keySet().iterator();

String blobName = names.next();

BlobKey blobKey = blobs.get(blobName);

BlobInfoFactory blobInfoFactory = new BlobInfoFactory();

BlobInfo blobInfo = blobInfoFactory.loadBlobInfo(blobKey);

String contentType = blobInfo.getContentType();

long size = blobInfo.getSize();

Date creation = blobInfo.getCreation();

String fileName = blobInfo.getFilename();

String title = req.getParameter("title");

String description = req.getParameter("description") + "from myNewUploadPost";

boolean isShared = "public".equalsIgnoreCase(req.getParameter("share"));

　　　　 MediaObject mediaObj = new MediaObject(user, blobKey, creation,

contentType, fileName, size, title, description, isShared);

return mediaObj ;

}}

　一样的框架设计思维、方法和技术，应用于Android行动端上，同时应用于GAE云层上。