实时Java系统：内存、闭包与高分辨率时间的深度解析

### 实时 Java 编程：内存、闭包与高分辨率时间解析 #### 1. 内存分配 在实时编程中，无堆实时线程若仅自身存在是无用的，它会被限制于基本数据类型，甚至无法访问自身线程对象。为解决此问题，引入了两种新的内存分配域：不朽内存（Immortal Memory）和作用域内存（Scoped Memory）。 - **不朽内存**：不朽内存不会进行垃圾回收，即便没有作用域内存，也能让无堆线程完全可用。它适用于在初始化阶段分配所有资源，之后无需再分配或释放资源的实时程序，像用 C 和汇编语言编写的系统也采用这种模式。不过，不朽内存虽易于解释和实现，但会导致 Java 语言的不自然使用： - Java 平台不鼓励对象重用。部分对象属性只能在构造函数中设置，且 Java 的强类型特性使对象只能按原类型使用。 - Java 类库会随意创建对象。调用集合类或数学类中的普通方法时，不朽内存可能很快被类库创建的一次性对象填满。实时代码并非必须使用标准类库，但重写这些类库以符合实时标准的工作量巨大。 - **作用域内存**：作用域内存不如不朽内存简单，但能在很大程度上解决不朽内存的问题。在简单应用中，它类似对象的栈。线程进入内存作用域后开始分配对象，直到进入嵌套作用域或退出该作用域。线程退出后，无法再访问该作用域内分配的对象，JVM 可回收这些内存。 - 若线程在调用标准类库方法前进入作用域，返回后不久退出，该方法分配的所有对象都将包含在作用域内，线程退出时释放。 - 使用作用域的机制（闭包）虽有些笨拙，但实时 Java 程序员使用频繁后会逐渐习惯。不过，在作用域内存中使用标准库并非总是那么简单，库方法访问堆内存时可能会抛出运行时异常。 性能是不朽内存和作用域内存的重要成本。实时 Java 规范（RTSJ）对无堆实时线程有访问规则，以及管理堆和作用域内存中对象引用存储的规则，这些规则需由类验证器或执行引擎强制执行，这可能会影响 JVM 的性能。 #### 2. 内存访问 特殊类型的内存、可通过加载和存储操作访问的 I/O 设备，以及通过共享内存与其他任务通信，对嵌入式系统至关重要。虽然严格来说这些并非实时问题，但 RTSJ 对其进行了扩展。 特殊类型的内存与性能密切相关，如慢速内存、缓存内存、对可共享内存的高速非窥探访问等。尽管性能并非严格意义上的实时问题，但可预测的性能是实时问题，像可缓存、可共享和可分页等内存属性，会对使用该内存的代码的可预测性产生重大影响。 RTSJ 的“原始”内存访问类提供类似“窥视和戳入”的内存访问方式。它们通过 JVM 的安全和保护机制运行，既不损害 Java 平台的完整性，又能提供足够的直接内存访问，以支持用 Java 编写的设备驱动程序和与其他任务共享内存的 Java 程序。不过，这些原始内存类并不能提高 Java 平台的实时性能，引入它们是因为一些早期实时 Java 规范的支持者希望用 Java 编写设备驱动程序，这一特性极大地提高了 Java 在嵌入式实时领域的实用性。 #### 3. 实现 RTSJ 的实现必须包含 `javax.realtime` 包，几乎肯定会包含特殊的 JVM，还可能包含有助于发现内存引用错误的编译器。 任何编译器都能创建使用 RTSJ 的类，普通 Java 平台上的特殊类也可假装符合 RTSJ，这是重要的设计目标，目的是让 RTSJ 用户能在标准集成开发环境（IDE）上进行大量开发。 类库可实现 RTSJ API 并提供部分功能，但无法提供所有服务。真正的 RTSJ 实现需要对 JVM 进行增强，虽无新字节码，但不增强处理引用的字节码实现，就难以或无法强制执行内存访问规则。异步控制转移似乎也需要更改字节码解释，特别是方法间转移的字节码。此外，RTSJ 还增加了新的优先级和比标准 JVM 更严格的调度规则。 特殊的 RTSJ 编译器很有用，虽不能总是识别内存引用违规，但能发现足够多的问题，在编译时发现引用违规比在运行时抛出异常要好得多。 #### 4. RTSJ Hello World 示例 以下是一个在 Linux 系统上使用 TimeSys 参考实现和 Sun JDK 工具创建并运行实时 Hello World 程序的步骤： ```java import javax.realtime.*; public class Hello1 { public static void main(String [] args){ RealtimeThread rt = new RealtimeThread(){ public void run() { System.out.println("Hello RT world"); } }; if(!rt.getScheduler().isFeasible()) System.out.println("Printing hello is not feasible"); else rt.start(); } } ``` - **编译**：若从命令行开发，可使用以下命令编译 `Hello1`： ```sh javac -classpath /usr/local/timesys/rtsj-ri/lib/foundation.jar Hello1.java ``` - **运行**：若实时 JVM 在执行路径上且类路径已设置为实时 Java 类库，可使用简单命令运行程序： ```sh tjvm Hello1 ``` 更可能需要使用以下命令： ```sh tjvm -Djava.class.path=/home/dibble/javaprogs/hello1 -Xbootclasspath=/usr/local/timesys/rtsj-ri/lib/foundation.jar Hello1 ``` - **输出**：程序输出为： ``` Hello RT world! ``` 该程序从实时线程打印“Hello RT world”，其执行部分可利用优先级继承和严格定义的固定优先级抢占式调度。 #### 5. 闭包 实时 Java 规范的很多部分涉及以可控方式更改 JVM 状态，然后确保以有序方式恢复先前状态。为控制内存分配和异步中断异常的传播，RTSJ 引入了闭包这一编程结构。 - **语言构造**：闭包将代码与创建它的部分环境关联起来。其前身是函数指针，