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作者 |?傻孩子

轉(zhuǎn)自?|?裸機(jī)思維

下面分享一篇王工（網(wǎng)名：傻孩子）整理的文章：

【序】

不知道你發(fā)現(xiàn)沒(méi)有，平時(shí)我們討論嵌入式軟件開(kāi)發(fā)時(shí)總繞不開(kāi)與實(shí)時(shí)性（Real Time）相關(guān)的話題。相信不少朋友和我一樣是通過(guò)實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng)（Real Time Operating System,?RTOS）第一次接觸到實(shí)時(shí)性概念的——我記得那還是大學(xué)時(shí)代、參加機(jī)器人競(jìng)賽的時(shí)候。工作以后自信地以為加深了不少對(duì)實(shí)時(shí)性的本質(zhì)認(rèn)識(shí)——現(xiàn)在看來(lái)其實(shí)還未摸到門道。就這樣渾渾噩噩一直到畢業(yè)后的第八年，因?yàn)楣ぷ髯儎?dòng)的原因，我被迫要在一周內(nèi)要做一個(gè)實(shí)時(shí)性原理相關(guān)的研究報(bào)告，也就在那時(shí)，我體會(huì)到了瘋狂練功走火入魔的感覺(jué)：走路在思考、吃飯?jiān)诳促Y料、頭一直發(fā)燒一樣的微微發(fā)熱、甚至連睡覺(jué)都在夢(mèng)中推演模型——頭發(fā)一把一把的掉，幸好有截稿時(shí)間，否則真的要禿了。

• Lv1：“實(shí)時(shí)性” = “越快越好”，認(rèn)為用好中斷是保證實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵；這類朋友通常最擅長(zhǎng)的是裸機(jī)下的“前后臺(tái)系統(tǒng)”；
• Lv2：“實(shí)時(shí)性” = RTOS，認(rèn)為選一個(gè)好的RTOS，或者會(huì)用RTOS就可以保證實(shí)時(shí)性；這一階段的朋友對(duì)RTOS充滿了好奇，以編寫(xiě)自己的RTOS為“?終（zhong）極（er）目標(biāo)”；
• Lv3：“實(shí)時(shí)性” = 任務(wù)拆分，這一階段已經(jīng)能正確的理解實(shí)時(shí)性窗口的概念，意識(shí)到實(shí)時(shí)性并不意味著越快越好，但也認(rèn)為“在可能的情況下”“快一點(diǎn)響應(yīng)事件沒(méi)啥壞處”；這一階段的朋友可能已經(jīng)可以在裸機(jī)和RTOS之間自由的反復(fù)橫跳，無(wú)論是裸機(jī)下的狀態(tài)機(jī)還是RTOS下的線程都已了如指掌、任務(wù)間通信更是游刃有余；
• Lv4：這一階段開(kāi)始思考實(shí)時(shí)性模型的特點(diǎn)，并逐漸意識(shí)到模型本身其實(shí)隱含了足以顛覆過(guò)往所有關(guān)于實(shí)時(shí)性認(rèn)知的秘密；到達(dá)這一階段的朋友通常覺(jué)得沒(méi)必要、也沒(méi)心思繼續(xù)思考實(shí)時(shí)性更本質(zhì)的數(shù)學(xué)意義——因?yàn)榇藭r(shí)獲得的結(jié)論已經(jīng)足夠了應(yīng)付幾乎所有的工程開(kāi)發(fā)了。順便說(shuō)一下，我就在這里 。
• Lv5：到了這個(gè)階段，不僅腦洞大開(kāi)、戰(zhàn)斗力驚人、估計(jì)打針也沒(méi)法阻止你抓破脖子了吧 ——以上只是暴露年齡的玩笑，但肯定 可以水幾篇SCI論文了……

在理解了實(shí)時(shí)性的模型以后，我（本能的排除了自己比較笨這個(gè)可能性，然后）意識(shí)到：其實(shí)這一過(guò)程完全沒(méi)必要如此漫長(zhǎng)和曲折——很多結(jié)論和道理是如此簡(jiǎn)單——不僅書(shū)本上有，而且解釋和學(xué)習(xí)起來(lái)都不費(fèi)什么力氣。可能這就是“撓破頭”想通某個(gè)道理之后，回頭再看時(shí)忍不住要“苦笑”時(shí)的感受吧。

按照約定，為了將經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)分享給大家，從本文開(kāi)始，我將以幾篇文章的篇幅：從基礎(chǔ)模型開(kāi)始，由淺入深、由理論到實(shí)踐，推演關(guān)于實(shí)時(shí)性的幾個(gè)重要結(jié)論——從而直接跳躍到Lv4的認(rèn)知階段。如果你看了這個(gè)系列后有什么話想說(shuō)的、想問(wèn)的，還請(qǐng)?jiān)谠u(píng)論區(qū)寫(xiě)下您的留言。求評(píng)論、求轉(zhuǎn)發(fā)、求收藏。

• 基于物理世界客觀法則的限制，很多應(yīng)用在制定需求說(shuō)明的時(shí)候，從某一個(gè)事件發(fā)生的時(shí)刻計(jì)算，會(huì)規(guī)定一個(gè)死線（Dead Line），即：一旦事件發(fā)生了，如果不在這個(gè)死線之前完成整個(gè)對(duì)事件的處理，就視作失??；
• 這里，從事件發(fā)生到死線這段時(shí)間長(zhǎng)度，習(xí)慣上稱為實(shí)時(shí)性窗口。當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，只有在死線內(nèi)任意時(shí)刻完成了對(duì)事件的處理，才能稱為實(shí)時(shí)性得到了滿足；
• 容易注意到，處理事件的過(guò)程也需要消耗時(shí)間——一般稱為事件處理時(shí)間；
  

圖1?實(shí)時(shí)性基本模型

考慮一個(gè)有趣的問(wèn)題：對(duì)一個(gè)實(shí)時(shí)性任務(wù)來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)性窗口內(nèi)的時(shí)間，其價(jià)值是一樣的么？換句話說(shuō)，橫豎處理事件消耗的時(shí)間是不變的，早點(diǎn)做遲點(diǎn)做都是做，有什么區(qū)別么？

圖2 實(shí)時(shí)性窗口內(nèi)不同時(shí)間段完成事件響應(yīng)

對(duì)比圖2所示的三種情況，可以很清楚的得出結(jié)論：理論上，從滿足實(shí)時(shí)性的角度出發(fā)，在時(shí)間窗口內(nèi)任意時(shí)段完成對(duì)事件的處理都滿足實(shí)時(shí)性要求；早做沒(méi)有任何額外的好處，“踩著上課鈴到?！币矝](méi)有任何懲罰——簡(jiǎn)單說(shuō)就是早做遲做無(wú)所謂。

你說(shuō)“我不管，我不管”，既然什么時(shí)候做都一樣為什么不能“盡早做”？“你也說(shuō)了盡早做沒(méi)啥不好”，“中斷來(lái)了，服務(wù)程序執(zhí)行了，我想讓它遲點(diǎn)執(zhí)行也做不到?。?/span>”

為了回答這個(gè)問(wèn)題，我們不講大道理，先看一個(gè)常見(jiàn)的例子：

• 超級(jí)循環(huán)里有三個(gè)任務(wù)A、B和C；

void main(void){ ...????while(1) {?? task_a();?? task_b();????????task_c();????}}

• 每個(gè)任務(wù)都使用輪詢的方式在等待一個(gè)來(lái)自芯片外界的事件發(fā)生（先不考慮存在中斷的情況）；
• 當(dāng)一個(gè)任務(wù)函數(shù)被執(zhí)行時(shí)會(huì)檢查對(duì)應(yīng)的事件是否已經(jīng)發(fā)生，如果確實(shí)已經(jīng)發(fā)生，則執(zhí)行后續(xù)的處理；反之則立即退出任務(wù)函數(shù)——釋放處理器；
• A、B、C三個(gè)事件的實(shí)時(shí)性窗口分別為10ms,?6ms和4ms；處理三個(gè)事件的處理程序分別需要4ms、3ms和0.4ms。如圖3所示：

圖3?三個(gè)事件的實(shí)時(shí)性窗口和事件處理時(shí)間示意圖

• 需要強(qiáng)調(diào)的是，task_a()、task_b()和task_c()三個(gè)函數(shù)的策略本質(zhì)上都是一樣的——“一旦檢測(cè)到事件立即處理，絕不遲延”！

圖 4?“越快處理越好” 導(dǎo)致其它任務(wù)無(wú)法滿足實(shí)時(shí)性要求

通過(guò)上面的例子，我們知道“越快處理越好”是值得反思的——至少會(huì)存在情況導(dǎo)致系統(tǒng)在某些時(shí)刻無(wú)法滿足實(shí)時(shí)性要求；那么從模型上來(lái)說(shuō)，如何理解這一現(xiàn)象呢？

讓我們重新來(lái)看圖1所示的模型：

實(shí)際上，如果單純從一個(gè)實(shí)時(shí)性任務(wù)自身出發(fā)來(lái)看，的確在實(shí)時(shí)性窗口內(nèi)，任意時(shí)間完成事件的處理都是一樣的；然而，通過(guò)前面的舉例我們其實(shí)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)中存在多個(gè)實(shí)時(shí)性任務(wù)時(shí)，雖然一個(gè)實(shí)時(shí)性窗口內(nèi)的任意時(shí)間對(duì)任務(wù)自己都是等價(jià)的，但越靠前的時(shí)間對(duì)“別人”來(lái)說(shuō)是越寶貴的：

• 當(dāng)你使用“越快越好”策略時(shí)，你不會(huì)有額外的收益，而實(shí)際上是走了別人的路，讓人無(wú)路可走——典型的損人不利己；
• 當(dāng)你在別人需要的時(shí)候，在自己實(shí)時(shí)性得到保證的前提下，盡可能讓出對(duì)你沒(méi)有額外價(jià)值的靠前的時(shí)間，實(shí)際上是一種“利他主義”；
• 當(dāng)所有的任務(wù)都采用這種利他策略時(shí)，就變成了“人人為我，我為人人”的合作策略——這種情況下，如果數(shù)學(xué)證明整個(gè)系統(tǒng)一定存在一個(gè)方案來(lái)滿足所有任務(wù)的實(shí)時(shí)性需求，那么利他策略一定能找到這樣的解決方案。
  

作為一個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者，我們顯然是需要從全局考慮的，因此完全沒(méi)有必要從單個(gè)實(shí)時(shí)性任務(wù)的自私視角來(lái)看問(wèn)題，因此結(jié)論就變得更為直接：實(shí)時(shí)性窗口內(nèi)越靠前的時(shí)間價(jià)值越高，從總體上來(lái)看“單純”越快越好的策略對(duì)實(shí)時(shí)性是有害的。

為了驗(yàn)證另外一個(gè)極端“越慢越好（越靠后越好）”是否是正確的，我們不妨以同樣的例子來(lái)推演一下，僅僅更新task_a()、task_b()和task_c()的執(zhí)行策略：從“越快越好”變?yōu)椤霸铰胶谩薄@實(shí)際上意味著：

• 每一個(gè)事件處理任務(wù)都清楚的知道“距離事件發(fā)生已經(jīng)過(guò)去了多長(zhǎng)時(shí)間”；
• 為了做到“卡著上課鈴進(jìn)教室”，不到最后時(shí)刻，絕對(duì)不執(zhí)行任務(wù)處理。

圖 6?過(guò)于謙讓的后果……

如此謙讓（浪費(fèi)）了3ms以后，任務(wù)B終于決定下場(chǎng)——在執(zhí)行了3ms任務(wù)處理后，成功的將隨后的任務(wù)C逼上了絕路……隨著A的淪陷，大型翻車現(xiàn)場(chǎng)成就達(dá)成……

【小結(jié)】

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