Từng bước lập trình cho điện thoại di động J2ME - Phần 1

April 24, 2007 - Nguyễn Duy Khánh

--------------------------------------------------------------------------------

Lời giới thiệu:

Công nghệ Java cho công nghiệp di động (Java Technology Wireless Industry - JTWI) ngày càng phát triển và thu hút sự quan tâm của nhiều người. Nhằm đáp ứng nhu cầu này, TinCNTT mở chuyên mục J2ME Tutorial cố gắng đề cập đầy đủ nhiều khía cạnh của công nghệ Java cho di động. Để bắt đầu loạt bài, chúng ta sẽ cùng khảo sát các lớp và khái niệm quan trọng của J2ME.

Bài 1: Khái quát các lớp J2ME

Mục tiêu của J2ME là cho phép người lập trình viết các ứng dụng độc lập với thiết bị di động, không cần quan tâm đến phần cứng thật sự. Để đạt được mục tiêu này, J2ME được xây dựng bằng các tầng (layer) khác nhau để giấu đi việc thực hiện phần cứng khỏi nhà phát triển. Sau đây là các tầng của J2ME được xây dựng trên CLDC:

Hình 1. Các tầng của CLDC J2ME

Mỗi tầng ở trên tầng hardware là tầng trừu tượng hơn cung cấp cho lập trình viên nhiều giao diện lập trình ứng dụng (API-Application Program Interface) thân thiện hơn.

Từ dưới lên trên:

Tầng phần cứng thiết bị (Device Hardware Layer)

Đây chính là thiết bị di động thật sự với cấu hình phần cứng của nó về bộ nhớ và tốc độ xử lý. Dĩ nhiên thật ra nó không phải là một phần của J2ME nhưng nó là nơi xuất phát. Các thiết bị di động khác nhau có thể có các bộ vi xử lý khác nhau với các tập mã lệnh khác nhau. Mục tiêu của J2ME là cung cấp một chuẩn cho tất cả các loại thiết bị di động khác nhau.

Tầng máy ảo Java (Java Virtual Machine Layer)

Khi mã nguồn Java được biên dịch nó được chuyển đổi thành mã bytecode. Mã bytecode này sau đó được chuyển thành mã ngôn ngữ máy của thiết bị di động. Tầng máy ảo Java bao gồm KVM (K Virtual Machine) là bộ biên dịch mã bytecode có nhiệm vụ chuyển mã bytecode của chương trình Java thành ngôn ngữ máy để chạy trên thiết bị di động. Tầng này cung cấp một sự chuẩn hóa cho các thiết bị di động để ứng dụng J2ME sau khi đã biên dịch có thể hoạt động trên bất kỳ thiết bị di động nào có J2ME KVM.

Tầng cấu hình (Configuration Layer)

Tầng cấu hình của CLDC định nghĩa giao diện ngôn ngữ Java (Java language interface) cơ bản để cho phép chương trình Java chạy trên thiết bị di động. Đây là một tập các API định nghĩa lõi của ngôn ngữ J2ME. Lập trình viên có thể sử dụng các lớp và phương thức của các API này tuy nhiên tập các API hữu dụng hơn được chứa trong tầng hiện trạng (profile layer).

Tầng hiện trạng (Profile Layer)

Tầng hiện trạng hay MIDP (Hiện trạng thiết bị thông tin di động-Mobile Information Device Profile) cung cấp tập các API hữu dụng hơn cho lập trình viên. Mục đích của hiện trạng là xây dựng trên lớp cấu hình và cung cấp nhiều thư viện ứng dụng hơn. MIDP định nghĩa các API riêng biệt cho thiết bị di động. Cũng có thể có các hiện trạng và các API khác ngoài MIDP được dùng cho ứng dụng. Ví dụ, có thể có hiện trạng PDA định nghĩa các lớp và phương thức hữu dụng cho việc tạo các ứng dụng PDA (lịch, sổ hẹn, sổ địa chỉ,...). Cũng có thể có một hiện trạng định nghĩa các API cho việc tạo các ứng dụng Bluetooth. Thực tế, các hiện trạng kể trên và tập các API đang được xây dựng. Chuẩn hiện trạng PDA là đặc tả JSR - 75 và chuẩn bluetooth API là đặc tả JSR - 82 với JSR là viết tắt của Java Specification Request.

1 Máy ảo Java (hay KVM)

Vai trò của máy ảo Java hay KVM là dịch mã bytecode được sinh ra từ chương trình Java đã biên dịch sang ngôn ngữ máy. Chính KVM sẽ chuẩn hóa output của các chương trình Java cho các thiết bị di động khác nhau có thể có bộ vi xử lý và tập lệnh khác nhau. Không có KVM, các chương trình Java phải được biên dịch thành tập lệnh cho mỗi thiết bị di động. Như vậy lập trình viên phải xây dựng nhiều đích cho mỗi loại thiết bị di động. Hình 2 đây biểu diễn tiến trình xây dựng ứng dụng MIDlet hoàn chỉnh và vai trò của KVM.

Hình 2. Tiến trình xây dựng MIDlet

Quá trình phát triển ứng dụng MIDlet với IDE (Môi trường phát triển tích hợp-Intergrated Development Environment):

Lập trình viên: Tạo các tập tin nguồn Java

Bước đầu tiên là lập trình viên phải tạo mã nguồn Java, có thể có nhiều tập tin (*.java).

Trên IDE: Bộ biên dịch Java (Java Compiler): Biên dịch mã nguồn thành mã bytecode

Bộ biên dịch Java sẽ biên dịch mã nguồn thành mã bytecode. Mã bytecode này sẽ được KVM dịch thành mã máy. Mã bytecode đã biên dịch sẽ được lưu trong các tập tin *.class và sẽ có một tập tin *.class sinh ra cho mỗi lớp Java.

Trên IDE: Bộ tiền kiểm tra (Preverifier): Kiểm tra tính hợp lệ của mã bytecode

Một trong những yêu cầu an toàn của J2ME là bảo đảm mã bytecode chuyển cho KVM là hợp lệ và không truy xuất các lớp hay bộ nhớ ngoài giới hạn của chúng. Do đó tất cả các lớp đều phải được tiền kiểm tra trước khi chúng có thể được download về thiết bị di động. Việc tiền kiểm tra được xem là một phần của môi trường phát triển làm cho KVM có thể được thu nhỏ hơn. Bộ tiền kiểm tra sẽ gán nhãn lớp bằng một thuộc tính (attribute) đặc biệt chỉ rằng lớp đó đã được tiền kiểm tra. Thuộc tính này tăng thêm khoảng 5% kích thước của lớp và sẽ được kiểm tra bởi bộ kiểm tra trên thiết bị di động.

Trên IDE: Tạo tập tin JAR

IDE sẽ tạo một tập tin JAR chứa:

* Tất cả các tập tin *.class

* Các hình ảnh của ứng dụng. Hiện tại chỉ hỗ trợ tập tin *.png

* Các tập tin dữ liệu có thể được yêu cầu bởi ứng dụng

* Một tập tin kê khai (manifest.mf) cung cấp mô tả về ứng dụng cho bộ quản lý ứng dụng (application manager) trên thiết bị di động.

* Tập tin JAR được bán hoặc được phân phối đến người dùng đầu cuối

Sau khi đã gỡ rối và kiểm tra mã lệnh trên trình giả lập (simulator), mã lệnh đã sẵn sàng được kiểm tra trên điện thoại di động và sau đó được phân phối cho người dùng.

Người dùng: Download ứng dụng về thiết bị di động

Người dùng sau đó download tập tin JAR chứa ứng dụng về thiết bị di động. Trong hầu hết các điện thoại di động, có ba cách để download ứng dụng:

* Kết nối cáp dữ liệu từ PC sang cổng dữ liệu của điện thoại di động:

Việc này yêu cầu người dùng phải có tập tin JAR thật sự và phần mềm truyền thông để download ứng dụng sang thiết bị thông qua cáp dữ liệu.

* Cổng hồng ngoại IR (Infra Red) Port:

Việc này yêu cầu người dùng phải có tập tin JAR thật sự và phần mềm truyền thông để download ứng dụng sang thiết bị thông qua cổng hồng ngoại.

* OTA (Over the Air):

Sử dụng phương thức này, người dùng phải biết địa chỉ URL chỉ đến tập tin JAR

Trên thiết bị di động:

Bộ tiền kiểm tra: Kiểm tra mã bytecode

Bộ tiền kiểm tra kiểm tra tất cả các lớp đều có một thuộc tính hợp lệ đã được thêm vào bởi bộ tiền kiểm tra trên trạm phát triển ứng dụng. Nếu tiến trình tiền kiểm tra thất bại thì ứng dụng sẽ không được download về thiết bị di động.

Bộ quản lý ứng dụng: Lưu trữ chương trình

Bộ quản lý ứng dụng trên thiết bị di động sẽ lưu trữ chương trình trên thiết bị di động. Bộ quản lý ứng dụng cũng điều khiển trạng thái của ứng dụng trong thời gian thực thi và có thể tạm dừng ứng dụng khi có cuộc gọi hoặc tin nhắn đến.

Người dùng: Thực thi ứng dụng

Bộ quản lý ứng dụng sẽ chuyển ứng dụng cho KVM để chạy trên thiết bị di động.

KVM: Thực thi mã bytecode khi chương trình chạy.

KVM dịch mã bytecode sang ngôn ngữ máy của thiết bị di động để chạy.

2 Tầng CLDC (Connected Limited Device Configuration)

Tầng J2ME kế trên tầng KVM là CLDC hay Cấu hình thiết bị kết nối giới hạn. Mục đích của tầng này là cung cấp một tập tối thiểu các thư viện cho phép một ứng dụng Java chạy trên thiết bị di động. Nó cung cấp cơ sở cho tầng Hiện trạng, tầng này sẽ chứa nhiều API chuyên biệt hơn.

Các CLDC API được định nghĩa với sự hợp tác với 18 công ty là bộ phận của JCP (Java Community Process). Nhóm này giúp bảo đảm rằng các API được định nghĩa sẽ hữu dụng và thiết thực cho cả nhà phát triển lẫn nhà sản xuất thiết bị di động. Các đặc tả của JCP được gán các số JSR (Java Specification Request). Quy định CLDC phiên bản 1.0 được gán số JSR - 30.

2.a CLDC - Connected Limited Device Configuration

Phạm vi: Định nghĩa các thư viện tối thiểu và các API.

Định nghĩa:

* Tương thích ngôn ngữ JVM

* Các thư viện lõi

* I/O

* Mạng

* Bảo mật

* Quốc tế hóa

Không định nghĩa:

* Chu kỳ sống ứng dụng

* Giao diện người dùng

* Quản lý sự kiện

* Giao diện ứng dụng và người dùng

Các lớp lõi Java cơ bản, input/output, mạng, và bảo mật được định nghĩa trong CLDC. Các API hữu dụng hơn như giao diện người dùng và quản lý sự kiện được dành cho hiện trạng MIDP.

J2ME là một phiên bản thu nhỏ của J2SE, sử dụng ít bộ nhớ hơn để nó có thể thích hợp với các thiết bị di động bị giới hạn bộ nhớ. Mục tiêu của J2ME là một tập con 100% tương thích của J2SE.

Hình 3 biểu diễn mối liên hệ giữa J2SE và J2ME (CDC, và CLDC).

2.b Sự khác nhau giữa J2ME và J2SE.

Các điểm khác nhau là do một trong hai lý do. Do lớp Java đã bị bỏ đi để giảm kích thước của J2ME hoặc do lớp bị bỏ bởi vì nó ảnh hưởng đến sự an toàn, bảo mật của thiết bị di động hay của các ứng dụng khác trên thiết bị di động (có thể dẫn đến phát triển virus).

Điểm khác biệt chính là không có phép toán số thực. Không có JNI (JavaNative Interface Support) do đó bạn không thể truy xuất các chương trình khác được viết bằng ngôn ngữ của thiết bị (như C hay C++). Tuyến đoạn (thread) được cho phép nhưng không có các nhóm tuyến đoạn (thread group) và các daemon thread.

CLDC định nghĩa một mô hình an toàn, bảo mật được thiết kế để bảo vệ thiết bị di động, KVM, và các ứng dụng khác khỏi các mã phá hoại. Hai bộ phận được định nghĩa bởi CLDC này là bộ tiền kiểm tra và mô hình sandbox.

Hình 4 biểu diễn cách mà bộ tiền kiểm tra và bộ kiểm tra làm việc với nhau để kiểm tra mã chương trình Java trước khi chuyển nó cho KVM.

Như đã đề cập trước đây, các tập tin lớp được gán nhãn bằng một thuộc tính trên máy trạm của nhà phát triển. Thuộc tính này sau đó được kiểm tra bởi bộ tiền kiểm tra trước khi mã chương trình được giao cho KVM hay bộ biên dịch mã bytecode.

Một bộ phận khác của bảo mật trong CLDC là mô hình sandbox.

Hình 5 biểu diễn khái niệm mô hình sandbox

Hình trên cho thấy ứng dụng J2ME đặt trong một sandbox có nghĩa là nó bị giới hạn truy xuất đến tài nguyên của thiết bị và không được truy xuất đến Máy ảo Java hay bộ nạp chương trình. Ứng dụng được truy xuất đến các API của CLDC và MIDP. Ứng dụng được truy xuất tài nguyên của thiết bị di động (các cổng, âm thanh, bộ rung, các báo hiệu,...) chỉ khi nhà sản xuất điện thoại di động cung cấp các API tương ứng. Tuy nhiên, các API này không phải là một phần của J2ME.

Thế hệ kế tiếp của CLDC là đặc tả JSR - 139 và được gọi là CLDC thế hệ kế tiếp (Next Generation). Nó sẽ nhắm đến các vấn đề như nâng cao việc quản lý lỗi và có thể phép toán số thực.

3 MIDP (Mobile Information Device Profile)

Tầng J2ME cao nhất là tầng hiện trạng và mục đích của nó là định nghĩa các API cho các thiết bị di động. Một thiết bị di động có thể hỗ trợ nhiều hiện trạng. Một hiện trạng có thể áp đặt thêm các giới hạn trên các loại thiết bị di động (như nhiều bộ nhớ hơn hay độ phân giải màn hình cao hơn). Hiện trạng là tập các API hữu dụng hơn cho các ứng dụng cụ thể. Lập trình viên có thể viết một ứng dụng cho một hiện trạng cụ thể và không cần quan tâm đến nó chạy trên thiết bị nào.

Hiện tại hiện trạng được công bố là MIDP (Mobile Information Profile) với đặc tả JSR - 37. Có 22 công ty là thành viên của nhóm chuyên gia tạo ra chuẩn MIDP.

MIDP cung cấp các API cho phép thay đổi trạng thái chu kỳ sống ứng dụng, đồ họa (mức cao và mức thấp), tuyến đoạn, timer, lưu trữ bền vững (persistent storage), và mạng.

Nó không định nghĩa cách mà ứng dụng được nạp trong thiết bị di động. Đó là trách nhiệm của nhà sản xuất. Nó cũng không định nghĩa bất kỳ loại mô hình bảo mật end-to-end nào, vốn cần thiết cho ứng dụng kinh doanh nhận số thẻ tín dụng của người dùng. Nó cũng không bắt buộc nhà sản xuất cách mà lớp MIDP được thực hiện.