透視Java手機終端技術發展
J2ME的相關概念
作為一種跨平臺的語言，Java近年來得到了廣泛關注和快速發展，為了適應不同級別計算機硬件的開發需要，Java平臺形成了三個分支,J2EE,J2SE和J2ME。
針對企業級應用的J2EE，是一個適合分布式的、多用戶、企業級應用系統運轉的平臺，針對桌面應用的J2SE，針對移動終端領域的J2ME。
那么，到底什么是J2ME？簡單來講，J2ME是一個支持Java應用程序的運行環境，是為了支持象PDA、手機等小型的嵌入式或移動設備而推出的一系列的技術和規范的總稱。
由于J2ME要支持的硬件平臺有很大差異，其中有比較高端的設備，如機頂盒，也有比較低端的，如手機，因此為了滿足不同硬件的開發要求，J2ME規定了Configuration（配置）的概念，Configuration對不同級別的硬件在所使用的虛擬機和基礎API集合方面做了規定。對于高端的設備，采用CDC（Connected Device Configuration），對于低端設備，則采用CLDC（Connected Limited Device Configuration），旨在為只能獲取有限連接的設備提供基礎配置。
CDC和CLDC僅僅是對各類設備中***共性的配置提供了基本的功能集合。在實際應用中，不同的設備之間仍舊存在著很大的差異性。因此，在Configuration的基礎上，又提出了Profile（簡表）的概念。Profile規定的內容，是針對某一類設備所制訂的規范和API，有了Profile以后，才真正有了可以建立一個可運行J2ME應用程序的完整環境。MIDP（Mobile Information Device Profile移動信息設備簡表）以CLDC為基礎，它是***個制訂完成的Profile，也是***個可供使用的J2ME應用程序運行環境。
總的來說，J2ME的技術組成，包括如下三個要素：
◆ 置（Configuration）：為大部分移動終端提供了虛擬機的能力和最基礎的函數庫，如通信能力、聯網能力；
◆ 表（Profile）：位于Configuration之上，為移動終端提供了一系列API，通常包含顯示所需的圖形庫；
◆ 選包（Optional Package）：與特定技術相關的一系列API，如多媒體播放，藍牙傳輸能力等。
圖1是對以上內容的一個直觀表示。
當前絕大部分手機都是基于CLDC+MIDP的配置，在這二者的基礎之上，實現了各種不同的可選包，從而使得豐富多彩的Java應用運行在移動終端成為可能。
圖1 Java技術概覽
J2ME的規范體系介紹和現狀
前面已經提到過，可以將J2ME理解為一系列的技術和規范的總稱。那么這些技術規范是怎么產生的，又是由誰來維護的呢？由在國際上，有一個由Sun主導的標準化組織JCP（Java Community Process），該組織根據領域的不同，分為三個大的工作方向，即J2EE，J2SE和J2ME。而J2ME領域的標準的制定者，包括業界知名的運營商，如Vodafone，Orange，中國移動等；終端制造商，如Nokia，Motorola，Sumsung等；提供Java虛擬機的廠商，如IBM、Aplix、Esmertec等；以及一些感興趣的公司團體。
JCP中的每個規范被稱為JSR（Java Specification Request）。各個JSR分別從不同的角度對Java虛擬機的能力進行了規范，并對應一個數字編號，如JSR75規定了Java應用如何通過虛擬機提供的接口訪問終端操作系統的PIM數據和文件系統。此外，還包括針對對藍牙、多媒體、短信、彩信等的JSR。而這些規范的發布、更新和維護由JCP來統一管理，確保了讓業界不同角色的廠商能夠共同參與定義J2ME平臺的能力，共同推進Java技術向前發展。
雖然Java是本著跨平臺的目的而產生的技術，但是在移動終端領域卻沒能完全實現這一宏偉的目標。由于設備沒有一個統一的標準的軟件運行環境，導致了API的分裂。開發者在針對某些機型進行開發之前還必須要查詢這個設備到底支持什么功能，有哪些是標準的API，哪些是可選包和廠商提供的API。這無疑給開發帶來了不便，同時使得程序的可移植性大大降低。如果你得程序中使用了Nokia的API那么程序很難在其他廠商的機器上跑。所以，J2ME在不同的移動終端平臺上由于實現的不同而造成的分裂局面成了待解決的問題。
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J2ME發展的里程碑
為了解決如上的問題，在J2ME的發展過程中，產生了以下幾個具有里程碑意義的JSR：
1. JSR185 -- JTWI(Java Technology of Wireless Industry)
該規范于2003年7月發布。JTWI并沒有提出新的技術，也沒有提供新的API，它對J2ME的運行環境作了規范，提供了一個標準的更加嚴格的運行環境，這有效地減小了API的分裂并提高了程序的可移植性。JTWI包含以下規范：
JSR30 -- CLDC1.0：提供了基本的語言類庫，但是不支持浮點運算。可以用CLDC1.1替代1.0；
JSR118 -- MIDP2.0 ：提供了圖形用戶界面、持久性存儲、游戲和多媒體等功能模塊的支持；
JSR120 – WMA (Wireless Messaging API)：提供了短消息功能的支持
JSR135 – MMAPI (Mobile Media API)：提供了對多媒體的全面支持，MIDP2.0中的多媒體部分是MMAPI的子集，該規范是JTWI中可選的部分。
JTWI的體系架構如圖2所示。
圖2 JSR185 JTWI體系架構圖
2. JSR248 – MSA1.0 (Mobile Service Architecture 1.0)
該規范于2006年12月發布，由于JSR185是針對當時的市場狀況而制定的，主要針對低端市場，而終端的硬件能力是一直不斷的往前發展的，所以JSR248制定的初衷就是為了滿足不斷發展變化的市場需求，增加了能充分體現新上市的終端的硬件能力的需求。JSR248在JSR185架構的基礎上，增加了新的JSR，在充分考慮到市場現狀的同時，也對未來的市場發展做了預測，所以在規范的制定上留了一定的空間，延長了規范的生命周期。這些變化，在規范上具體體現在架構設計上。JSR248規定了兩個級別的架構，MSA Subset和MSA，如圖3所示。
除此之外，對其架構中包含的每一個JSR，MSA1.0都做了相應的澄清，例如，在CLDC中規定，分配給虛擬機的堆大小為32k字節，而隨著終端能力的發展，32k字節的堆大小已經不再是瓶頸，而且這樣的大小，已經不足以支持一些游戲和多媒體類應用的流暢運行，所以，在MSA1.0里面，對CLDC做了將堆大小調整為1024k字節的澄清，充分滿足了應用的需求，同時也有利于Java業務的開展。
圖3 JSR248 MSA1.0體系架構圖 -- 終端能力
如果說圖3是從終端能力的角度對JSR248進行了表示，那么圖4則從不同功能的角度對JSR248進行了另一種表示，可以看出，JSR248在制定的過程中，比較全面的考慮到了多元化的功能，如安全和電子商務，圖形處理，多種通信方式，用戶的個人信息等。
圖4 JSR248 MSA1.0體系架構圖 – 功能范圍
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J2ME編譯技術的發展
因為Java語言的設計初衷是使用解釋的方式支持應用程序的可移植性，早期 Java 運行時的性能級別遠低于C和C++之類的編譯性語言。而Java 應用程序的性能也經常成為討論的熱點。如圖5所示，Java虛擬機每次遇到一條字節碼指令，就將其轉換成機器碼，然后給CPU進行執行，執行完機器碼之后，就把這些機器碼丟了，接著再翻譯下一條字節碼的指令，繼續下去，如此這般，自然效率低下。
圖5 Java虛擬機翻譯Java語言的過程
近年來，為了提升Java的性能，在編譯技術方面有了一些新的突破，這一節將介紹一些比較流行的編譯技術。
1. JIT（Just In Time）編譯方法
從傳統的虛擬機處理字節碼的過程可以看出，即使下次執行到以前執行過的 bytecode 指令，依然要重新翻譯成機器碼才能執行，如此一來，效率當然不好。JIT編譯方法的原理是，程序運行時，JIT 編譯器選擇將最頻繁執行的方法編譯成本地代碼。運行時才進行本地代碼編譯而不是在程序運行前進行編譯（用 C 或 C++ 編寫的程序正好屬于后一情形），保證了可移植性的需求。
圖6 JIT編譯器原理
Java 運行時供應商開發了一些復雜的動態編譯器，通常稱作JIT（Just-in-time，JIT）編譯器。程序運行時，JIT 編譯器選擇將最頻繁執行的方法編譯成本地代碼，運行時才進行本地代碼編譯而不是在程序運行前進行編譯（用 C 或 C++ 編寫的程序正好屬于后一情形），保證了可移植性的需求。以后再次執行到這里時，就不用再翻譯，直接從內存取出機器碼即可執行。這么一來，只要內存夠大，JIT 編譯器的技術夠好，那么Java 字節碼的執行速度也可以逼近純編譯式的語言。
2.AOT（Ahead Of Time）編譯方法
雖然 JIT 編譯技術已經能夠提供與靜態語言性能相當的性能水平，但是動態編譯并不適合于某些應用程序，如 GUI 接口之類交互式應用程序就是這樣的例子。在這些情況下，AOT編譯可能是合適的解決方案。該方法的原理是，在程序執行前生成 Java 方法的本地代碼，以便在程序運行時直接使用本地代碼。目的在于避免 JIT 編譯器的運行時性能消耗或內存消耗，或者避免解釋程序的早期性能開銷。
圖7 AOT編譯器原理
J2ME未來的發展趨勢探討
從本文的分析可以看出，不管是標準化組織、終端廠商、運營商，還是應用開發者，都在促進J2ME跨平臺特性，減少各平臺間的分裂性，繁榮Java應用方面，做出了不少努力。而作為Java業界的領頭羊，Sun Micro Systems也計劃打造一款整個操作系統都是由Java實現的純Java終端，而ARM公司也有推出專門針對Java 指令的加速芯片，通過硬件加速來提高Java的執行效率。由此可見，雖然目前J2ME還沒有***地實現跨平臺性和執行的高效性，相信隨著業界的共同努力，Java的發展空間會越來越大。
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