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Seminar:
Compiler-Konstruktion
Realtime Java
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Übersicht
• Echtzeitsysteme
• Warum Java?
• Java´s Echtzeitfähigkeit-Entwicklung
• Java´s Probleme und Lösungsansätze
• Anwendungen
• Fazit
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Echtzeitsysteme
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1. Echtzeitsysteme
-Beispiele-
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1. Echtzeitsysteme
-Genaues BeispielAirbag-Steuerung
Motormanagement
ABS, ESP, usw.
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1. Echtzeitsysteme
-Definition• In der Theorie:
Computersystem, das ein Ergebnis innerhalb eines vorher
fest definierten Zeitintervalls garantiert berechnet
• Ein Echtzeitsystem muss nicht nur ein Berechnungsergebnis mit
dem richtigen Wert, sondern dasselbe auch noch rechtzeitig liefern
 Falls dies nicht eingehalten wird, hat das System versagt
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1. Echtzeitsysteme
-Zeitschrankenarten• Einteilung der Zeitschranken:
• weiche Echtzeitanforderungen:
Eine Überschreitung der Antwortzeit kann durchaus
vorkommen, ist aber nicht kritisch
• harte Echtzeitanforderungen:
Eine Überschreitung der Antwortzeit wir als Fehler gewertet.
Das System liefert innerhalb einer festgelegten Zeitschranke
seine Ergebnisse
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1. Echtzeitsysteme
-EigenschaftenDie Echtzeitfähigkeit eines mittels Software realisierten Echtzeitsystems muss
einige Eigenschaften aufweisen:
• maximale Laufzeit eines Moduls muss berechenbar sein und darf nicht
oder nur bedingt beeinflussbaren Faktoren unterliegen
• Bei Rekursion muss die maximale Rekursionstiefe, bei Schleifen die
maximale Anzahl an Iterationen feststehen
• Ressourcenbedarf muss bekannt sein
• Das Verhalten bei drohender Zeitüberschreitung muss definiert und
vorhersehbar sein
• Die Laufzeit von Betriebssystemaufrufen (und Routinen der
Laufzeitumgebung) muss berücksichtigt werden
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Warum Java?
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2. Warum Java?
-Gründe für Java•
objektorientiert
•
einfach
•
interpretiert
•
robust
•
plattformunabhängig und portabel
•
nebenläufig
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2. Warum Java?
-Java Architekturen-
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Java´s EchtzeitfähigkeitsEntwicklung
12
3. Java´s Echtzeitfähigkeits-Entwicklung
-History• Juni 1998:
Unter der Führung des NIST (National Institute für Standards and
Technology) sollten die Anforderungen für ein echtzeitfähiges Java
erarbeitet werden
 37 Firmen beteiligt
 Umsetzung der erarbeiteten Ergebnisse gelang nicht
 Bildung von 2 Gruppen:
SUN-Lizenznehmer und unabhängige Hersteller
• Jahr 2000:
 SUN mit: „Real-Time Specification for JAVA“
 unabhängige Hersteller: „Real-Time Core Extensions for JAVA“ und
„Real-Time Data Access“
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3. Java´s Echtzeitfähigkeits-Entwicklung
-History• Vorschläge basieren auf:
 Definition von Objekten, die nicht der globalen
Speicherplatzverwaltung unterliegen
 Darauf arbeitenden echtzeitfähigen Routinen (nicht
beeinflussbar vom Carbage Collectior, mit der Möglichkeit zur
Unterbrechung)
• Unterschiede:
 Garant das Echtzeitroutinen keine Heap-Objekte manipulieren
 Hardwarezugriff
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3. Java´s Echtzeitfähigkeits-Entwicklung
-History-
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Java´s Probleme und
Lösungsansätze
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Kritische BereicheJava hat 4 kritische Bereiche:
•
Speichermanagement
• Scheduling
• Hardwarezugriffe
• Synchronisation
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Problem: SpeichermanagementDie automatische Garbage Collection verhindert:
• Speicherlöcher und
• erspart eine eigene Speicherverwaltung
Haben wir schon gehört: Benutzt wird Mark & Sweep Algorithmus
Hierbei gilt:
Die Zeit, die der Algorithmus benötigt, ist abhängig von der Anzahl der
erreichbaren Objekte, der Anzahl der Objekte im Heap, der Performanz des
Prozessors und der Qualität des implementierten Codes.
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Problem: SpeichermanagementDas Problem dabei:
während des „Mark“ – Schrittes darf nicht unterbrochen werden
 da sonst eventuell Markierungen fehlen
 deshalb: Anhalten der Verarbeitung des Java Programms in der JVM
(stop the world)
 Vorgehensweise bringt ein Echtzeit-System sofort zu Fall
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Lösung: Speichermanagement• Größtes Problem: Unterbrechung durch Garbage Collection
• Trotz z.B. neuer Methoden und Unterbrechungsmöglichkeiten für
die GC andere Wahl bei der RTSJ
• Lösung:
Neue Speicherbereiche außerhalb des Heap-Speichers und
unabhängig von GC
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Lösung: Speichermanagement-
• heap Memory:
Speicher entspricht dem Heap. Lebenszeit eines Objektes wird
durch seine Sichtbarkeit begrenzt.
 traditionelle Speicherart der JavaVM
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Lösung: Speichermanagement-
• physical Memory:
Speicher wird für Objekte verwendet, die spezielle physikalische
Speicherbereiche benötigen, z.B. DMA Adressbereich
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Lösung: Speichermanagement-
• immortal Memory:
Es werden hier Objekte abgelegt, die zur gesamten Laufzeit der
Anwendung existieren- GC räumt hier nie auf. Bereich ist bis zum
Ende der Anwendung belegt
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Lösung: Speichermanagement-
• scoped Memory:
Speicherart wird begrenzt durch die Lebenszeit eines Objektes auf
dir vorhandenen Referenzen auf den/die Threads. Existiert keine
Referenz mehr auf einen Thread im Speicher, wird dieser
freigegeben
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Lösung: Speichermanagement• Zusätzliche Unterteilung des ScopedMemory in:
 LTMemory (PhysicalLTMemory)
 VTMemory (PhysicalVTMemory)
• Unterscheiden sich in der benötigten Zeit, um eine Zuteilung des
Speicherplatzes vorzunehmen
• LTMemory:
Darf nur lineare Zeit (LT=Lineare Time) benötigen. Notwendig für
absolut zeitkritischen Code
• VTMemory:
Keine speziellen Beschränkungen (VT=Variable Time). Für
zeitkritischen Code nicht geeignet
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Lösung: Speichermanagement• Für neue Speicherbereiche gelten neue Regeln hinsichtlich der
Referenzierung von Objekten
 Trotz Freiheitsgrade Robustheit der Java-Spezifikation behalten
• Einschränkungen beim referenzieren auf Objekte in den neuen
Speichertypen zu beachten:
Grundsatz
Eine Variable darf zu keinem Zeitpunkt eine Referenz auf
ein Objekt haben, welches von ihr selbst gelöscht werden
kann.
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Lösung: Speichermanagement-
• ScopedMemory-Bereich kann immer vor Objekten im Heap- und
ImmortalMemory gelöscht werden, ist es nicht möglich auf
Objekte in ihm zu referenzieren
 Wenn Referenz nicht im selben Scope liegt
• Ansonsten sind Referenzen unkritisch
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Lösung: Speichermanagement-
• Jedoch eine wichtige Einschränkung:
 NoHeapRealtimeThrad kann den GC unterbrechen
 Da durch können Verweise im Heap „verloren gehen“
 NoHeapRealtimeThread darf unter keinen Umständen
Referenzen auf Objekte im Heap-Speicher halten,
egal in welchem Speichertyp er selbst erzeugt wurde
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Lösung: Speichermanagement• Erzeugen eines Objektes im ImmortalMemroy
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Lösung: Speichermanagement• Erzeugen eines Objektes im ScopedMemory
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Problem: Scheduling•
Prioritäten bei Threads sind in der Java-Spezifikation vorgesehen
 aber nur vage Anweisungen für das Scheduling
• Höher priorisierte Threads werden niedriger-priorisierten Threads
vorgezogen
 keine Garantie das höher priorisierte Threads ständig arbeiten
• Thread Priorisierung nicht für gegenseitigen Ausschluss geeignet
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Lösung: SchedulingDie RTSJ fordert:
• Preemptiven Scheduler mit festen Prioritäten und
min. 28 Prioritätsleven für Echtzeit-Threads
• 10 Prioritätsleven für normale Java-Threads
Echtzeit-Threads sind Instanzen von:
RealtimeThread sowie NoHeapRealtimeThreads
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Lösung: Scheduling-
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Lösung: Scheduling• RealtimeThreads:
Priorität liegt über den normalen java.lang.Thread und unter
den NoHeapRealtimeThread. Genaue Zuordnung durch
RealtimeParamter getroffen. Eignet sich nur für weiche
Echtzeitanforderungen
• NoHeapRealtimeThreads
Thread kann nicht durch die Garbage Collection unterbrochen
werden. Threadtyp ist für höchst zeitkritische Anforderungen
gedacht. Damit bei Heapzugriffen keine Inkonsistenzen
entstehen, darf nicht auf den Heap zugegriffen werden
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Lösung: Scheduling-
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Lösung: Scheduling• Erzeugen eines einfach Realtime Threads
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Lösung: Scheduling• Ändern der eigenen Thread Priorität
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Lösung: Scheduling• Ändern der eigenen Thread Priorität
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Problem: Hardwarezugriffe• Ansteuerung von Aktoren ist eine der wichtigsten Anwendungen
eines Echtzeitsystems
 Java Spezifikation erlaubt keine direkten Hardware-Zugriffe
• Kommunikation nur mit Geräten möglich, die Java kennt und
implementiert
• Großes Hindernis für den Einsatz in industriellen Bereichen
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Lösung: Hardwarezugriffe• Einzige Möglichkeit auf Hardware zuzugreifen, ist der direkte
Zugriff auf den physikalischen Speicher
• Nicht zwingend ein Nachteil, da
 so selbst geschriebene Gerätetreiber Einzug in das JavaSystem erhalten
 Kommunikation mit Geräten möglich, die keine Java
Schnittstelle bieten
 Kommunikation mit anderen Programmen über
Speicherbereich
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Lösung: Hardwarezugriffe• Klasse RawMemoryAccess stellte alle Methoden bereit
• Nicht möglich, Java-Objekte per Befehl in einen Speicherbereich
abzulegen
 Manipulation erfolgt auf Bit-Ebene, durch setter und getter
Methoden
 byte-, word-, long- und multiplebyte-Werte gelesen und
geschrieben werden
• Schutzmechanismen verhindern, das Speicher verändert werden
kann, der von der JVM verwendet wird
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Problem: Synchronisation• Zusammenhang: Scheduling und Garbage Collection
• Beruht auf blockierenden Protokollen (gegenseitiger Ausschluss)
 Bei Synchronisation von zeitkritischen und zeitunkritischen Threads
darf die Garbage Collection nie gestartet werden, um Verzögerungen
im zeitkritischen Code zu verhindern
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Lösung: Synchronisation• 3 Bereiche:
 Organisation von Threads
 Prioritätsumkehr
 Nicht blockierende Kommunikation zwischen Threads
• Organisation von Threads:
Priority-Scheduler hat mehrere Threads gleicher Priorität die
rechenbereit sind  einer muss ausgewählt werden
Die RTSJ fordert eine FIFO für jedes Prioritätslevel
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Lösung: Synchronisation• Prioritätsumkehr:
Falls innerhalb der Warteschlange eine niederpriorisierter Thread
eine Ressource sperrt, tritt die Methode zur Vermeidung der
Prioritätsumkehr in Kraft
• RTSJ fordert minimal die Implementierung des Priority Inhertiance
Protocol
• Zusätzlich gibt es das Priorty Ceiling Protocol
• Beide Verfahren heben die Priorität des sperrenden Threads an,
um dessen Abarbeitung zu beschleunigen
• Unterschied: Zeitpunkt
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Lösung: Synchronisation-
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Lösung: Synchronisation• Blockierende Kommunikation unter Threads:
Betrifft synchronisierte Nachrichten zwischen
NoHeapRealtimeThreads und RelatimeThreads bzw. normalen
Threads
• Problem:
Im Falle einer GC bei der Kommunikation, kann der
NoHeapRealtimeThread Verzögerungen erfahren
• Lösung:
RTSJ führt sogenannte wait free queues ein
 Warteschlange mit besonderen Eigenschaften
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Lösung: Synchronisation-
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4. Java´s Probleme und Lösungsansätze
-Asynchrone Ereignisse• In Echtzeitanwendungen ist die Ausführung einer bestimmten
zeitkritischen Aktion an ein auslösendes Ereignis gebunden
• RTSJ bietet hierfür:
Überwachung von internen (selbst programmierten) und
externen (Signale, Interrupts, Timer) Eigenissen
• 2 Klassen zur Realisierung
 AsyncEvent:
Symbolisiert das zu überwaschende Ereignis
AsyncEventHandler:
Enthält den auszuführenden Code
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5. Anwendungen
• Echtzeitbibliotheken im Modul javax.realtime.* gekapselt
• Kommerzielle Anbietung der implementierten RTSJ:
 JamaicaVM der aicas GmBH
 OVM Project mehrerer Universitäten und Firmen
 JRate von SourceForge
 Mackinac von Sun
 Aphelion von Apogee
• Projekte mit RTSJ:
Golden Gate – Luft- und Raumfahrt
DD(X) – Militär
netcentric battlefield – Militär
Mackinca - Industrie
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6. Fazit
• RTSJ stellt sinnvolle Erweiterung dar, um Java Echtzeitfähig zu
machen
• Scheduling und GC stellen die größten Probleme dar
• Trotz aller vorgestellten Lösungen wird ein in Java realisiertes
System nie die gleiche Performance besitzen, wie ein
vergleichbares System in C++
• Real Time Java ist für Anwendungen prädestiniert, in dehnen JVM
sowie Basisbibliotheken nicht ins Gewicht fallen und zum anderen
sehr komplexe Systeme zu implementieren sind
• Beispiele: Militär, Telekommunikation und Luft-und Raumfahrt
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