J2ME(CLDC/MIDP)簡介

Taylor 2006-02-16

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J2ME(CLDC/MIDP)簡介

作者： Java研究組織
2005-06-01 11:40 AM

名詞梳理

在正式開始介紹J2ME之前，這里我列出一些常見名詞,方便與下文參照：

J2ME(Java2 Platform, Micro Edition) Java2平臺微型版

CLDC(Connected, Limited Device Configuration) 連接受限設備配置

CDC（Connected Device Configuration）連接設備配置

MIDP(Mobile Information Device Profile) 移動信息設備描述

KVM(The K Virtual Machine) K虛擬機

背景

隨著無線應用與嵌入式系統(tǒng)的愈來愈受到人們的重視，SUN也推出了J2ME(Java2 Platform, Micro Edition)來迎合這一未來的發(fā)展趨勢。

實際上這道也不能算是最新推出，熟悉Java歷史的人都知道，Java原先本是為了開發(fā)消費性電子產(chǎn)品而研制的。誰知，無心插柳柳成蔭，因在網(wǎng)絡應用上的出色表現(xiàn)而流行，以至到現(xiàn)在的在serverside上的應用，如J2EE、EJB等等，發(fā)展的越來越龐大。這次sun又推出了J2ME，這實質是殺了個回馬槍。至于實際表現(xiàn)如何，我們還得拭目以待。

sun認為，未來的信息設備將比我們今天的更為customizable 和 personal。這一點我們已經(jīng)可以從手機和pda的流行程度看出。所以為了開發(fā)面向這些設備的applications。sun推出了J2ME。于是現(xiàn)有的Java版本變?yōu)榱巳齻€：J2EE ,J2SE和J2ME，分別對應與不同的目標設備，如下圖所示。

圖1 Java版本的劃分和針對的設備

CLDC/MIDP的基本結構

粗略的說j2me把設備分為兩類，一種是聯(lián)接設備（ connected device），一種是有限聯(lián)接設備（Connected, Limited Device）。前一種對應于那些有電源的，電力充裕，較大的設備。例如：電視機，冰箱等，后一種對應于主要使用電池，小型的設備，例如：手機，pda等。

這里我主要只涉及第二種，有限聯(lián)接設備（Connected, Limited Device）。

sun把J2me的實現(xiàn)分為兩層：configuration 和 profile。

configuration包括虛擬機（virtual machine），核心的類庫與API。configuration層定義一個java虛擬機的特性與java類庫的最小子集。也就是說，configuration層提供了開發(fā)人員一個最基礎，最核心的Java平臺。因為j2me把設備分為兩類：聯(lián)接設備（connected device）和有限聯(lián)接設備（Connected, Limited Device）。對應這兩種設備就有了兩種J2ME configuration。分別為CDC（Connected Device Configuration）和CLDC(Connected, Limited Device Configuration)。這里請注意，CDC使用經(jīng)典的javaVM，而CLDC使用的是KVM(The K Virtual Machine)。KVM是sun專門為使用16/32位RISC/CISC微處理器或控制器，并其可用內(nèi)存為160kb～512kb的的設備而開發(fā)的。KVM比較小，通常只有128K或更少。

Profile層也包含一組API，主要針對于特定的某一族系的設備而定義。profile層在特定的
configuration層上實現(xiàn)，而我們程序員則負責在特定的profile上編寫應用程序。對于手機，pda等Connected, Limited Device。它們的profile層稱為MIDP(Mobile Information Device Profile)。于是MIDP與CLDC合在一起就構成了一個完整的J2ME架構。順便說一句，對于MIDP上的應用程序sun也有獨特的叫法，它們被稱為MIDlet。你是不是覺得有點眼。想想java中的applet。下圖顯示了開發(fā)手機應用的結構。

圖2 CLDC/MIDP的結構

深入理解CLDC/MIDP

CLDC的目的

為小型的，且資源有限，Connected Limited的設備定義一個標準的Java平臺。
允許動態(tài)的向這些設備發(fā)布內(nèi)容與應用程序。
方便第三方軟件廠商與開發(fā)者向這些設備移植內(nèi)容與應用程序。

CLDC的范圍

Java語言與虛擬機的特性
核心Java類庫（如java.lang.*, java.util.*)
輸入/輸出
對網(wǎng)絡的支持
對安全性的支持
對國際化的支持

CLDC不包括的范圍（即由MIDP解決的)

對應用程序life-cycle的管理（就是指一個應用程序是如何安裝，運行，刪除的）
UI界面（User Interface）
Event處理
高級應用程序模式（這里指用戶與應用程序的交互）。

CLDC的安全性

低端的基于虛擬機的安全性由下載時對class文件的審核（verification）步驟來保證。（如果你寫過并編譯過MIDlet程序，就會知道這一步是必須的。這里有一個概念就行了，我會在后面講述如何創(chuàng)建MIDlet程序時，詳細介紹具體的步驟）?；趹贸绦虻陌踩酝ㄟ^使每個應用程序分別運行在相對獨立的封閉環(huán)境中來保證并且處于被保護的系統(tǒng)package中的類不能被應用程序重載（overridded）。

對于Java語言支持的特殊方面

CLDC總的來說是與Java語言完全兼容的，但需注意以下幾點：

不支持浮點數(shù)據(jù)類型（即沒有float和double）（這實際上主要是由于CLDC所面向的設備，其硬件因其內(nèi)存限制或是基于安全性的考慮不支持浮點運算）

不支持類實例（class instance）的終結（finalization），即不存Object.finalize()方法。（注：finalization指的是java中提供的有別與garbage collection的另外的一種對象清理方法。具體可參看侯捷老師譯的Bruce Eckel的《Thinking in Java 第二版》，可以在www.jjhou.com中下載）

有限的錯誤處理，即大部分Java.lang.Error的子類都未被支持。與此相反，CLDC包括了相當完備的異常（exception）類。

對于Java虛擬機（Java Virtual Machine）支持的特殊的方面

實質上CLDC在其嚴格的內(nèi)存限制下達到了對Java虛擬機相當程度的兼容性。不過還是有下列不同點：

不支持浮點數(shù)據(jù)類型（沒有float和double）
不支持JNI (the Java Native Interface )不支持用戶自定義的Java級的類載入器（class loaders ）
沒有反射(reflection)特性（注：reflection指java通過java.lang.reflect提供的，可以對類的能力進行分析的功能。常用來對類的結構進行檢查，在JavaBeans上有廣泛運用可參見Gary Cornell的Core Java2 volumeI,II，機工有出中譯本）
不支持線程組（thread groups）或守護線程（daemon threads）
不支持類實例（class instance）的終結（finalization）
沒有弱參考（weak references）（注：weak reference提供了一種解決指向已經(jīng)被garbage collector清除的對象的方法。在Java2中被介紹。具體請參考java.lang.ref API 文檔，和sun網(wǎng)站上關于Reference Objects和Garbage Collection的文章。）
有限的錯誤處理（error handling）

類文件審核過程（classfiles Verification）

CLDC要求其下層的虛擬機能夠辨別并拒絕非法的class文件。但由于CLDC本身面向小內(nèi)存消耗的小型設備這一前提。其類文件檢測機制與J2SE中定義的標準類文件審核機制還有所不同。請注意看下圖：

圖3 CLDC的類審核機制

請注意上圖所示CLDC中的預審核（preverification）過程。這是CLDC區(qū)別于通常的類文件審核過程的關鍵。如上圖所示，當源程序被編譯后，必須被預審核器預審核，然后才能被下載到目標設備上去。之所以有這一步驟，主要是為了減輕KVM中審核器的負擔，加快審核速度。就像我前文提到的，這是出于對CLDC支持的硬件的考慮（畢竟手機和PDA并沒有我們PC機那樣奔騰的“芯”呀！^-^）。這里記住這個概念就行了。具體的操作方法我會在以后講述編寫MIDlet程序時介紹。

CLDC的類庫API

如果不嚴格的說，CLDC的類庫是J2SE的一個小的子集，有以下這種近似關系成立，即J2SE包含CDC包含CLDC。但要注意CLDC并未完全包含于J2SE，它還包括一些專門針對無線設施的類。所以可以把CLDC的類庫簡要劃分為兩部分：從J2SE繼承的類和CLDC專有的類。

1. 從J2SE繼承的類

這部分包括三個package，即java.lang,java.util和java.io。注意即使這些從J2SE繼承的的類，也是大大“縮了水”的。例如java.util的類與接口由J2SE的47個縮減到10個。另外兩個也有相應縮減。

系統(tǒng)類

From java.lang:
Object, Class, Runtime, System, Thread, Runnable,
String, StringBuffer, Throwable

數(shù)據(jù)類型類

From java.lang:
Boolean, Byte, Short, Integer, Long, Character

容器類（container class)

From java.util:
Vector, Stack, Hashtable, Enumeration

I/O 類

From java.io:
InputStream, OutputStream, ByteArrayInputStream,
ByteArrayOutputStream, DataInput, DataOutput,
DataInputStream, DataOutputStream, Reader, Writer,
InputStreamReader, OutputStreamWriter, PrintStream

日期與時間類

From java.util:
Calendar, Date, TimeZone

附加的實用類

java.util.Random, java.lang.Math

異常類（Exception Classes）

From java.lang:
Exception, ClassNotFoundException,
IllegalAccessException, InstantiationException,
InterruptedException, RuntimeException,
ArithmeticException, ArrayStoreException,
ClassCastException, IllegalArgumentException,
IllegalThreadStateException, NumberFormatException,
IllegalMonitorStateException, IndexOutOfBoundsException,
ArrayIndexOutOfBoundsException,
StringIndexOutOfBoundsException,
NegativeArraySizeException, NullPointerException,
SecurityException

From java.util:
EmptyStackException, NoSuchElementException

From java.io:
EOFException, IOException, InterruptedException,
UnsupportedEncodingException, UTFDataFormatException

錯誤類

From java.lang:
Error, VirtualMachineError, OutOfMemoryError

2. CLDC專有的類

這里sun提供了javax.microedition.io包。用它來提供與外界溝通的橋梁。（注：就像在J2SE中我們利用java.net.*）注意，所有的連接都由javax.microedition.Connector創(chuàng)建。例如：
你可以打開一個http連接通過Connector.open("http://www.")

javax.microedition.io的接口包括：
Connection, InputConnection, OutputConnection,
StreamConnection, ContentConnection, DatagramConnection,
StreamConnectionNotifier

這里再說明一點，實際上你也可以看出，CLDC所包括的類庫，并不足以開發(fā)應用程序。例如，沒有UI界面的支持等。這也正是CLDC的設計理念。CLDC本身就從未想過要解決所有的問題。這些問題要靠其上層的Profile－MIDP來解決。例如javax.microedition.lcdui就是定義在MIDP中的UI包。

MIDP對應的設備特性

由于MID這類設備，在屏幕、內(nèi)存、處理器等問題上有諸多限制，在手機或是PDA等MID上開發(fā)應用程序必須要考慮一些技術上的特殊點。

下面給出一些MID設備的特性：

顯示（display）：96x54 （最小屏幕尺寸），1bit（最小色深，單色）
輸入設備: “one-handed keyboard”（指ITU-T手機鍵盤），“two-handedkeyboard”（指標準鍵盤，即QWERTY鍵盤），觸摸屏。
內(nèi)存分配：128kb（MIDP組件）；8kb（應用程序生成的Persistent data，關于Persistent data，我會在將來講RMS時，詳細說明，這里有個概念就行了）；32kb（java runtime環(huán)境）
網(wǎng)絡: 雙向的，無線的，間斷的，帶寬有限的網(wǎng)絡
內(nèi)核（kernel）：至少要能運行KVM。

還有很多軟件上的特性，如讀寫non-volatile內(nèi)存（就是掉電后不會失去內(nèi)容的內(nèi)存，如flash）。讀寫無線設備接口的API，等等。除了上訴技術上的問題，你還得注意你的程序要簡單易用且穩(wěn)定可靠。尤其是可靠性，你開發(fā)的是通訊設備，用戶是不能忍受程序有什么紕漏而影響到通話的。你要牢記這一點。

MIDP的類庫API

如前文所述，sun在CLDC之上定義了MIDP(Mobile Information Device Pro-file)層，用以提供對UI、永久存儲介質（persistinace storage）、和網(wǎng)絡等更高層的（相對于CLDC）支持。那么，讓我們來具體看看MIDP的類庫。

MIDP由四個javax.microedition包組成，它們包括：

javax.microedition.rms 關于永久存儲介質（注：rms是Record Management System的縮寫）
javax.microedition.midlet 定義了MIDlet的框架，以及MIDlet與環(huán)境的交互。
javax.microedition.io 網(wǎng)絡支持
javax.microedition.lcdui UI（User Interface）（注：UI分為high-level和low-level兩種API。）

注：如果在加上語言和實用類（java.lang和java.util）則有六個。

編寫并運行一個MIDlet

MIDPlet簡介

MIDP中定義的應用程序稱為MIDlet。任何一個MIDlet都是javax.microedition.midlet.MIDlet的子類，必須繼承自javax.microedition.midlet.MIDlet。這很顯而易見。我們在J2SE中編過Applet，Applet就必須繼承自java.applet.Applet。是不是很類似。請看下圖，說明了MIDlet的繼承體系。

圖4 MIDlet的繼承體系

一個簡單的MIDlet

//HelloWorld.java,一個最簡單的MIDlet程序。

import javax.microedition.midlet.*;
import javax.microedition.lcdui.*;

public class HelloWorld extends MIDlet implements CommandListener {

private Command exitCommand;
private TextBox tb;

public HelloWorld(){
exitCommand =new Command("Exit",Command.EXIT,1);
tb =new TextBox("Hello MIDlet","Hello,World!",15,0);
tb.addCommand(exitCommand);
tb.setCommandListener(this);
}

protected void startApp(){
Display.getDisplay(this).setCurrent(tb);
}

protected void pauseApp(){
}

protected void destroyApp(boolean u){
}

public void commandAction(Command c,Displayable d){
if (c ==exitCommand){
destroyApp(false);
notifyDestroyed();
}
}
}

該程序顯示“HelloWorld”字符串。程序本身非常簡單，如果你熟悉JavaApplet編程的話，你會發(fā)現(xiàn)與Applet很類似。好，我們先把它編譯，運行一下看看。

編譯之前的準備：

硬件：因為是Java，所以內(nèi)存最少有128MB以上，CPU最好是PII或更高。
平臺：最好是win2000，win98的中文顯示會有問題，解決起來比較麻煩。Linux我沒有試過，英文我想應該都沒什么問題，但中文顯示我估計可能會有些麻煩。如果有試過的朋友，請一定告訴我。
SDK：你需要有（下述軟件都可在sun網(wǎng)站上免費下載）

1.Java 2 SDK 1.3或以上。

2.J2ME Wireless Toolkit 1.0.3

以下可選：

sun的IDE：Forte for java。（如果你上的是寬帶，或不是自己付網(wǎng)費的話 ^-^）

下載好后，先安裝JDK1.3,（具體關于安裝和設置我就不詳述了，想來大家都很清楚。如果您不清楚，請參考相應資料。）在安裝J2ME Wireless Toolkit 1.0.3，它會自動找到您的JDK1.3，并作相應設置。如果您不用命令行的話，環(huán)境變量也不用設置直接可在圖形界面上運行，非常方便。關于環(huán)境變量的設置請自己參考手冊。

編譯的步驟

如果你按上述已經(jīng)安裝好JDK和J2mewtk,請按以下步驟編譯，實際上是非常簡單的:

（注：下述默任JDK安裝在c:\JDK1.3,J2ME Wirless Toolkit 安裝在c:\J2mewtk\）

1. 開始->程序->J2ME Wirless ToolKit 1.0.3->KToolBar

2. 這時會出現(xiàn)"J2ME Wirless ToolKit"窗口，點"New project"按鍵，在Project name項填：HelloWorld；在MIDLet Class Name填：HelloWorld。點擊Creat project。

3. 這時會出現(xiàn)Setting for project對話窗，采取默認即可。點擊ok。

這時請注意，因為沒有down sun的IDE，所以你要手工把你事先編輯好的HelloWorld.java放置在c:\j2mewtk\apps\HelloWorld\src\目錄下。這時，按“Build”鍵，如果一切正常，將提示編譯完畢。這時在device下拉選單中選定你想要的設備，再按“run”鍵，終于大功告成。你可以多選幾個不同設備，感受一下，不錯吧。

MIDlet的lifecycle

我們已經(jīng)成功編譯并運行了一個簡單的MIDlet程序?，F(xiàn)在，讓我們來分析一下MIDlet的結構，了解一下它的Lifecycle。

通過對源程序的觀察，我們可以發(fā)現(xiàn)MIDlet程序的運行是由startApp(),pauseApp()和destroyApp()這3個方法控制的。它們在javax.microedition.midlet
.MIDlet中定義。所有的MIDlet都必須有這3個方法。

顧名思義startApp()方法用于標志一個MIDlet的開始執(zhí)行。不過這里要注意一點，與HelloWorld程序的constrctor不同。startApp()不光是在初始化完一個MIDlet時執(zhí)行，只要該MIDLet被從Paused態(tài)激活（變?yōu)锳ctive態(tài)），startApp()就會被調用。

pauseApp()方法標志著MIDlet進入Pause態(tài)。而destroyApp()方法標志著MIDlet進入destroyed態(tài)。（注意：這里嚴格的講應該說成：方法被調用并成功返回標志著...）

看完上面的描述，大家可能會滿頭霧水，又是方法，又是狀態(tài)的，什么跟什么嗎？這還得從MIDlet的執(zhí)行機制講起。

MIDlet的執(zhí)行是通過Application Management software來管理的。這玩意兒是處在操作系統(tǒng)級別上來管理MIDlet運行的底層機制的總稱，所謂MIDlet state（MIDlet狀態(tài)）就是它一手操辦，控制管理的。MIDlet state確保了AMS隨時可以消滅該MIDlet，同時MIDlet也有辦法進入一個Pause態(tài)，并可再次激活。

MIDlet State 分為Paused，Active，destroyed三種。當AMS創(chuàng)生一個新的MIDlet實體時，對應于MIDlet，表現(xiàn)為其constructor被調用，進入Paused狀態(tài)。當所有的準備工作都做好后，AMS判斷現(xiàn)在MIDlet可以運行了，于是調MIDlet.startApp()方法。進入Active態(tài)。當AMS決定要把MIDlet轉入Paused態(tài)，就會調用MIDlet.pauseApp()方法，MIDlet就會暫停執(zhí)行，通常Paused態(tài)會用于釋放所占資源。當AMS判斷MIDlet不再需要，就會調用MIDlet.destroyApp()，MIDlet被消滅。

請注意我上述是站在AMS的角度在談AMS如何控制MIDlet的狀態(tài)改變。程序員也可請求MIDlet的狀態(tài)的變換，通過調用resumeRequest, notifyPaused, notifyDestroyed這三個方法。

我們的HelloWorld程序先把destroyApp()的unconditional值置為false，拋出一個MIDletStateChangeException 異常，表示MIDlet這時還不想被destroy。notityDestroyed()通知AMSMIDlet進入destroyed態(tài)。具體的細節(jié)請參閱MIDP API文檔。

下面給出一個MIDlet的最簡單的狀態(tài)流程：

//FlowMIDlet.java MIDlet的最簡單的狀態(tài)流程

import javax.microedition.midlet.*;

public class FlowMIDlet extends MIDlet {
public void startApp() {
System.out.println( "In startApp..." );
pauseApp();
}
public void pauseApp() {
System.out.println( "In pauseApp..." );
destroyApp( true );
}
public void destroyApp( boolean unconditional) {
System.out.println( "In destroyApp..." );
}
}

MIDlet的狀態(tài)的改變可以用下圖表示：

這里還要說幾句閑話，關于AMS，其作用不止是控制MIDlet的運行狀態(tài)。它實際上際上負責了MIDlet的整個運行機制。關于AMS進一步的描述，請參見王森老師的文章－“利用Java撰寫手機應用－Java Application Manager篇”（《程序員》，12期，2001）。注意其中JAM就是AMS。