关于实时 Java 的系列文章

  • R.J. Lorimer
  • 张凯峰

2008 年 8 月 1 日

话题:Java语言 & 开发架构

由 Sun 的 Brian Goetz 和 Robert Eckstein 合作撰写的有关 Java 和实时系统的文章最近登载在 Sun 开发者网络上,该系列文章由两部分组成。

该系列第一部分介绍了实时程序设计的概念,及其与 Java 的关系,并描述了应用标准 Java 运行时系统创建实时应用的障碍:

  • 操作系统问题:调度延迟、时钟精度较低。
  • 线程优先级问题:不可靠的线程优先级保证和优先级倒置。
  • 类加载延迟。
  • 垃圾回收延迟。
  • 应用程序代码不符合实时要求。
  • 系统中存在其它优先级较高的活动。
作者随后介绍了 RTSJ——Java 实时规范 (Real-Time Specification for Java)。RTSJ 与当初的JSR 1有所不同,从 2002 年最初的可用版本问世至今,已经过一系列维护版本。文章描述了实时规范对线程做出的改变:
在一个真正的实时环境中,线程优先级是极其重要的,没有一个系统可以保证,所有的任务都能够准时完成。然而,一个实时系统能够确保的是,当有些任务即将超过最终时限时,可以先牺牲低优先级的任务来保障它的执行。

RTSJ 定义了至少 28 种优先权级别,并要求严格执行此规定。然而,正如本篇文章前面所说,RTSJ 的实现依赖于支持多种优先权的实时操作系统,和高优先级线程抢占低优先级线程的能力。

Goetz 和 Eckstein 接着提到 Java 实时系统规范的核心概念——实时线程:
此外,RTSJ 可允许非实时和实时活动同时存在于一个 Java 应用中,对一个活动的时序保证程度依赖于活动所属线程类型: java.lang.Thread 或javax.realtime.RealtimeThread 线程类型。
  • 标准 java.lang.Thread(JLT) 线程用来支持非实时的活动。JLT 线程可以应用 Thread 类定义的 10 种优先权级别,但是它们不适用于实时活动,因为不能够提供时序执行保证。
  • RTSJ 还定义了javax.realtime.RealtimeThread (RTT) 线程类型。RTTs 可以利用 RTSJ 提供的强大的线程优先权支持,它的调度遵循运行直至阻塞 (run-to-block) 原则,而非按时间片运行原则。这就意味着,当有另外具有较高优先权的 RTT 出现时,调度程序会抢占该 RTT。
第一部分讲到的最后一个概念是,支持内存管理所做的各种扩展。由于与垃圾回收及对象分配相关的延迟的存在,三个内存区域被划分出来:
  • 标准堆 (Standard heap)——与标准 Java 中的内存管理类似。
  • 永久内存 (Immortal memory)——必须由软件显式释放的内存。
  • 作用域内存 (Scoped memory)——具有不连续生命周期的内存,有固定大小。

引入 RealtimeThread 的扩展类——NoHeapRealtimeThread,以实时友好的方式辅助管理这些独特的内存区域:

RTSJ 提供一个 RTT 的子类,称为NoHeapRealtimeThread (NHRT)。该子类得实例可以避免由垃圾回收引起的不稳定情况。这个 NHRT 类是为硬实时 (hard-real-time) 活动所准备的。

为最大化可预测性,NHRTs 不能访问垃圾回收堆,也不能操纵堆变量。否则,线程会遭遇 GC 暂停,这将导致任务错过运行时限。与此相反的是,NHRT 可以更具预测性的方式使用作用域内存永久内存特性分配内存。

然而,即使软件正在使用特定的内存区域,它的资源使用依然很容易受到内存其它非关键部分的 GC 的影响。由于这个原因,该系列文章的第二部分集中于和垃圾回收相关的问题,阐述了可用于实时 Java 系统的不同 GC 方法,然后介绍了 Sun 的商业实时 Java 系统:Java RTS。在第二部分中描述了四种垃圾回收算法:
  • 基于工作的 GC(Work-Based GC)——回收由对象分配触发。
  • 基于时间的 GC(Time-Based GC)——回收通过标准的时间箱划定界限。
  • Henriksson's GC——在关键和非关键线程之间有所区别的基于工作的 GC(Work-based GC)。
  • Java RTS Real-Time GC (RTGC)——可以用在 Java RTS 中,更加灵活 / 细粒度的 Henriksson's GC 的扩展。
如今可用的实时系统有很多,Sun Java RTSIBM Websphere RT都是遵从 RTSJ 的实时系统平台。可以选择的还有Oracle Weblogic Real Time,它是建立于标准 Java 的工具集,对 RTSJ 系统还不具备所有可靠性保证,但在固定时间边界内还是可以提供一个更具预测性的系统。

查看原文:Two-Part Series on Real-Time Java

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