摘 要：網(wǎng)格計(jì)算是分布式計(jì)算的一種方式，它的目的是要實(shí)現(xiàn)虛擬組織中資源（如CPU、存儲(chǔ)器等）的共享。針對(duì)計(jì)算密集型應(yīng)用中傳統(tǒng)的分布式計(jì)算模式的不足，利用Java程序的跨平臺(tái)特性，提出了網(wǎng)格計(jì)算中代碼上載的思想，并給出了其一個(gè)模型的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)格計(jì)算 計(jì)算密集 Java 代碼上載

中圖分類號(hào)：TP302.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2008）23-0022-03

根據(jù)共享資源的不同，網(wǎng)格計(jì)算可以分為計(jì)算密集型和數(shù)據(jù)密集型等（即計(jì)算網(wǎng)格和數(shù)據(jù)網(wǎng)格）。計(jì)算網(wǎng)格對(duì)CPU和存儲(chǔ)器資源要求較高，而計(jì)算中需要的數(shù)據(jù)較少。[1] 傳統(tǒng)的分布式計(jì)算技術(shù)，例如CORBA，RMI和DCOM中資源共享通常局限于一個(gè)固定的組織，這種共享是靜態(tài)的，并且開(kāi)銷較大。[2] 本文針對(duì)計(jì)算密集型應(yīng)用中傳統(tǒng)的分布式計(jì)算模式的不足，提出了網(wǎng)格計(jì)算中代碼上載的思想，并給出了一個(gè)支持代碼上載的網(wǎng)格模型的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

一、網(wǎng)格模型設(shè)計(jì)

支持代碼上載的網(wǎng)格模型如圖1所示。為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格服務(wù)的透明性，本模型設(shè)計(jì)中在用戶所在的機(jī)器上設(shè)置了一個(gè)用戶代理。

用戶代理具有以下職責(zé)：（1）與用戶交互：接收用戶執(zhí)行某程序代碼請(qǐng)求，最后將計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)給用戶；（2）與信息服務(wù)交互：根據(jù)用戶提供的要求向信息服務(wù)查詢，并收到符合要求的計(jì)算引擎的IP地址和服務(wù)端口；（3）與計(jì)算引擎交互，將用戶提交的程序代碼傳送給計(jì)算引擎，并接收計(jì)算結(jié)果。

每當(dāng)有一個(gè)新的計(jì)算引擎啟動(dòng)時(shí)，它就會(huì)自動(dòng)連接信息服務(wù)，并將它的信息發(fā)送給信息服務(wù)，并請(qǐng)求在信息數(shù)據(jù)庫(kù)中注冊(cè)；當(dāng)有用戶代理查詢符合某要求的計(jì)算引擎時(shí)，信息服務(wù)根據(jù)該要求從信息數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢和選擇負(fù)載較輕的計(jì)算引擎，并將該引擎的IP地址和端口發(fā)送給用戶代理；當(dāng)某計(jì)算引擎的當(dāng)前負(fù)載狀況等特征改變時(shí)，它也將這些改變通知信息服務(wù)，信息服務(wù)及時(shí)更新信息數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)信息。這樣信息數(shù)據(jù)庫(kù)就實(shí)時(shí)地動(dòng)態(tài)反映了網(wǎng)格環(huán)境中的計(jì)算資源。

本模型的實(shí)現(xiàn)基于客戶/服務(wù)器模式，利用了現(xiàn)有的廣泛存在的TCP/IP通信協(xié)議，并采用Java語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

二、實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

由于篇幅有限，本文只介紹計(jì)算引擎、用戶代理和相關(guān)輔助類的實(shí)現(xiàn)，并且假定用戶代理已經(jīng)從信息服務(wù)那里查詢到了計(jì)算引擎所在的IP地址和服務(wù)端口。

1.輔助類的實(shí)現(xiàn)

用戶代理將編譯過(guò)的用戶程序（擴(kuò)展名為class）發(fā)送給計(jì)算引擎，計(jì)算引擎接收該代碼文件并存于本地，然后JVM中的解釋器加載該代碼文件中的類并執(zhí)行。大致框架如下：

Class c = cl.loadClass(classname，bytecode， 0， bytecode.length);

Object o=c.newInstance();

((SomeInterface)o).someClassMethod();

不能將引用 o 轉(zhuǎn)換到someClass，因?yàn)檫@時(shí)計(jì)算引擎還不直接知道傳送來(lái)的類名（通過(guò)后面所講的類Task的屬性TaskName可以間接知道）。為此用戶程序必須繼承一個(gè)抽象類或?qū)崿F(xiàn)一個(gè)接口（這里用接口），并且在用戶代理和計(jì)算引擎所在的機(jī)器上部署該接口，由于接口名稱是事先已知的，從而可以動(dòng)態(tài)執(zhí)行用戶代理傳來(lái)的任何用戶代碼。接口定義Skeleton.java如下：

import java.net.*;

public interface Skeleton {

void run(Socket s);}

用戶程序類必須實(shí)現(xiàn)該接口，給出方法run的具體實(shí)現(xiàn)。假設(shè)用戶程序類用來(lái)計(jì)算fibonacci數(shù)列中的第40項(xiàng)，則用戶程序類Compute.java的代碼如下（本文代碼省略了相應(yīng)的import語(yǔ)句）：

public class Computeimplements Skeleton{

public void run(Socket s){

DataOutputStream os = 1;

try{

os = new DataOutputStream(s.getOutputStream());

long a=fib(40);

String output=\"The fib(40) is \"+a;

System.out.println(output);

os.writeBytes(output); }

catch(IOException e) {

System.out.println(\"Erorr io: \"+e);}

}

public long fib(long n)

{if (n<3)

return(1);

else

return(fib(n-2)+fib(n-1));}

}

還有一個(gè)輔助類Task.java，它封裝了一個(gè)字符串和byte數(shù)組，用來(lái)傳送用戶的代碼文件，由于要通過(guò)Socket發(fā)送Task對(duì)象，所以類Task必須實(shí)現(xiàn)Serializable接口。Task.java的代碼如下：

public class Task implements Serializable{

public String TaskName;

public byte ByteCode[];

public Task (String n，byte b[])

{this.TaskName=n;

this.ByteCode=b;}

}

和Skeleton.java一樣，必須將Task.java編譯后得到的Task.class部署在用戶代理和計(jì)算引擎所在的機(jī)器上。

2.用戶代理的實(shí)現(xiàn)

用戶代理程序非常簡(jiǎn)單，它所要做的就是接收用戶提交的代碼文件名，打開(kāi)一個(gè)到位于指定IP地址和服務(wù)端口的計(jì)算引擎的連接，用一個(gè)Task對(duì)象封裝該代碼文件，并通過(guò)Socket發(fā)送該對(duì)象。最后接收計(jì)算引擎返回的結(jié)果，并在控制臺(tái)上將結(jié)果呈現(xiàn)給用戶。用戶代理程序可以基于GUI實(shí)現(xiàn)，為了簡(jiǎn)單和說(shuō)明方便，這里給出基于命令行的實(shí)現(xiàn)，代碼UserAgent.java如下：

public class UserAgent {

public static void main(String[] argv)

{ public String IP=”202.114.20.44”;

publice SERVICE_PORT=4000;

Socket s=1;

ObjectOutputStream os=1;

BufferedReader is = 1;

String output=1;

try {

s = new Socket(IP， SERVICE_PORT);

os = new ObjectOutputStream(s.getOutputStream());

is=new BufferedReader(new InputStreamReader(s.getInputStream()));

System.out.println(\"transimiting file....\");

// 讀取用戶提交的代碼文件，并將它封裝在一個(gè)Task對(duì)象中。

String filename=argv[0];

int l=filename.length();

FileInputStream fis = new FileInputStream(filename);

byte[] bytecode = new byte[fis.available()];

fis.read(bytecode);

Task obj = new Task(filename， bytecode);

// 通過(guò)Socket發(fā)送Task對(duì)象

os.writeObject(obj);

//接收計(jì)算引擎發(fā)送來(lái)的計(jì)算結(jié)果，并在控制臺(tái)上顯示

output=is.readLine();

System.out.println(\"Got from server: \"+output);

fis.close();

os.close();

s.close();

} catch (Exception e) {

e.printStackTrace(); }

}}

這里使用Socket類建立了基于TCP的網(wǎng)絡(luò)連接是為了使用戶代理和計(jì)算引擎之間的通信更可靠。

3.計(jì)算引擎的實(shí)現(xiàn)

計(jì)算引擎在端口（此處為4000）監(jiān)聽(tīng)，使用ServerSocket對(duì)象接受用戶代理的連接。每當(dāng)一個(gè)用戶代理連接到所監(jiān)聽(tīng)的端口，ServerSocket就分配一個(gè)新的Socket對(duì)象，然后將這個(gè)新Socket對(duì)象的引用傳遞給一個(gè)新產(chǎn)生的線程（線程類Connects的一個(gè)實(shí)例）處理，主線程在端口4000繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)更多的連接請(qǐng)求，這種在服務(wù)端口的不斷監(jiān)聽(tīng)是通過(guò)一個(gè)While循環(huán)實(shí)現(xiàn)的，代碼Server.java如下所示：

public class Server {

public static final int SERVICE_PORT=4000;

public static void main(String argv[]) throws IOException

{ServerSocket service = new ServerSocket(SERVICE_PORT);

Socket clientSocket;

System.out.println(\"Server is started!\");

while(true){

clientSocket = service.accept();

new Connects(clientSocket);

}}}

線程類Connects的方法run包含了計(jì)算引擎與各個(gè)用戶代理的具體交互操作。首先接收用戶發(fā)送來(lái)的Task對(duì)象，將Task對(duì)象中封裝的代碼文件恢復(fù)成文件的形式；然后從該代碼文件中加載用戶程序類并執(zhí)行；最后將計(jì)算結(jié)果發(fā)送給用戶代理。線程類的代碼Connects.java如下所示：

class Connects extends Thread{

Socket client;

ObjectInputStream ois ;

FileOutputStream fos;

public Connects(Socket s){

client = s;

this.start();}

public void run(){

try {

CL cl=new CL();

ois = new ObjectInputStream(client.getInputStream());

// 通過(guò)Socket讀取Task對(duì)象，并還模得到完整的代碼文件

Task obj = (Task) ois.readObject();

byte bytecode[] = obj.ByteCode;

String filename = obj.TaskName;

int l=filename.length();

String classname=filename.substring(0，l-6);

fos = new FileOutputStream(filename);

fos.write(bytecode);

fos.close();

System.out.println(\"the file \"+filename+\" is received!\");

// 從代碼文件加載類并執(zhí)行其中的方法run

Class c = cl.loadClass(classname，bytecode， 0， bytecode.length);

Object o=c.newInstance();

((Skeleton) o).run(client);

}

catch(Exception e) {

e.printStackTrace();

}

try {

ois.close();

client.close();}

catch(IOException ex) {

ex.printStackTrace();}

}}

class CL extends ClassLoader{

public Class loadClass(String name， byte[] b， int off，int len)

{ return super.defineClass(name，b，off，len);}}

其中的類CL是ClassLoader類的子類，它的方法loadClass用來(lái)加載類，之所以不直接使用ClassLoader類的方法defineClass是因?yàn)镃lassLoader是抽象類，不能實(shí)例化。

4.代碼執(zhí)行

啟動(dòng)計(jì)算引擎后，執(zhí)行用戶代理的代碼如圖2所示（Compute.class是用戶代碼文件名）。

三、結(jié)論

本文提出的計(jì)算網(wǎng)格模型的設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)，利用了Java程序跨平臺(tái)執(zhí)行的特性和現(xiàn)有的廣泛存在的TCP/IP的通信協(xié)議，它可以隨時(shí)利用計(jì)算網(wǎng)格中高性能計(jì)算機(jī)的CPU和內(nèi)存快速運(yùn)算處理用戶各種特定的計(jì)算密集型應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了跨組織的計(jì)算資源的動(dòng)態(tài)共享。

參考文獻(xiàn)：

[1]I. Foster， C. KesselmanThe Grid: Blueprint for a New Computing Infrastructure [M] Morgan Kaufmann Pub.，1998

[2] I. Foster， C. Kesselman， S.TueckeThe Anatomy of the Grid [J] Intl.J.Supercomputer Applications，2001

[3]The Globus Project home page， http://www.globus.org

[4]都志輝，陳渝，劉鵬. 網(wǎng)格計(jì)算[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[5](美) Bruce Eckel 著 Java編程思想（英文版.第二版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[6]（澳）David Reilly著，沈鳳 等譯. Java網(wǎng)絡(luò)編程與分布式計(jì)算[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.