ваша программа должна это учитывать. Например, жизненно важные части системы могут иметь двойное электропитание, резервные батареи и т.д. В некоторых приложениях фраза: “Я предполагал, что аппаратное обеспечение будет работать без сбоев” не считается оправданием. Долгое время и в часто изменяющихся условиях аппаратное обеспечение просто не способно работать без сбоев. Например, программы для некоторых телефонных коммутаторов и аэрокосмических аппаратов написаны в предположении, что рано или поздно часть памяти компьютера просто “решит” изменить свое содержание (например, заменит нуль на единицу). Кроме того, компьютер может “решить”, что ему нравится единица, и игнорировать попытки изменить ее на нуль. Если у вас много памяти и вы используете ее достаточно долгое время, то в конце концов такие ошибки возникнут. Если память компьютера подвергается радиационному облучению за пределами земной атмосферы, то это произойдет намного раньше. Когда мы работаем с системой (встроенной или нет), мы должны решить, как реагировать на сбои оборудования. Обычно по умолчанию считают, что аппаратное обеспечение будет работать без сбоев. Если же мы имеем дело с более требовательными системами, то это предположение следует уточнить.
•
Отсутствие простоев. Встроенные системы обычно должны долго работать без замены программного обеспечения или вмешательства опытного оператора. “Долгое время” может означать дни, месяцы, годы или все время функционирования аппаратного обеспечения. Это обстоятельство вполне характерно для встроенных систем, но не применимо к огромному количеству “обычных приложений”, а также ко всем примерам и упражнениям, приведенным в книге. Требование “должно работать вечно” выдвигает на первый план обработку ошибок и управление ресурсами. Что такое “ресурс”? Ресурс — это нечто такое, что имеется у машины в ограниченном количестве; программа может получить ресурс путем выполнения явного действия (выделить память) и вернуть его системе (освободить память) явно или неявно. Примерами ресурсов являются память, дескрипторы файлов, сетевые соединения (сокеты) и блокировки. Программа, являющаяся частью долговременной системы, должна освобождать свои ресурсы, за исключением тех, которые необходимы ей постоянно. Например, программа, забывающая закрывать файл каждый день, в большинстве операционных систем не выживет более месяца. Программа, не освобождающая каждый день по 100 байтов, за год исчерпает 32 Кбайт — этого достаточно, чтобы через несколько месяцев небольшое устройство перестало работать. Самое ужасное в такой “утечке” ресурсов заключается в том, что многие месяцы такая программа работает идеально, а потом неожиданно дает сбой. Если уж программа обречена потерпеть крах, то хотелось бы, чтобы это произошло пораньше и у нас было время устранить проблему. В частности, было бы лучше, если бы сбой произошел до того, как программа попадет к пользователям.
•
Ограничения реального времени. Встроенную систему можно отнести к системам с
жесткими условиями реального времени (hard real time), если она должна всегда давать ответ до наступления заданного срока. Если она должна давать ответ до наступления заданного срока лишь в большинстве случаев, а иногда может позволить себе просрочить время, то такую систему можно отнести к системам с мягкими условиями реального времени. Примерами систем с
мягкими условиями реального времени являются контроллеры автомобильных окон и усилитель стереосистемы. Обычный человек все равно не заметит миллисекундной задержки в движении стекол, и только опытный слушатель способен уловить миллисекундное изменение высоты звука. Примером системы с жесткими условиями реального времени является инжектор топлива, который должен впрыскивать бензин в точно заданные моменты времени с учетом движения поршня. Если произойдет хотя бы миллисекундная задержка, то мощность двигателя упадет и он станет портиться; в итоге двигатель может выйти из строя, что, возможно, повлечет за собой дорожное происшествие или катастрофу.
•
Предсказуемость. Это ключевое понятие во встроенных системах. Очевидно, что этот термин имеет много интуитивных толкований, но здесь — в контексте программирования встроенных систем — мы используем лишь техническое значение: операция считается
предсказуемой (predictable), если на данном компьютере она всегда выполняется за одно и то же время и если все такие операции выполняются за одно и то же время. Например, если x и y — целочисленные переменные, то инструкция x+y всегда будет выполняться за фиксированное время, а инструкция xx+yy будет выполняться за точно такое же время, при условии, что xx и yy — две другие целочисленные переменные. Как правило, можно пренебречь небольшими колебаниями скорости выполнения операции, связанными с машинной архитектурой (например, отклонениями, вызванными особенностями кэширования и конвейерной обработки), и просто ориентироваться на верхний предел заданного времени. Непредсказуемые операции (в данном смысле этого слова) нельзя использовать в системах с жесткими условиями реального времени и можно лишь с очень большой осторожностью применять в остальных системах реального времени. Классическим примером непредсказуемой операции является линейный поиск по списку (например, выполнение функции find()), если количество элементов списка неизвестно и не может быть легко оценено сверху. Такой поиск можно применять в системах с жесткими условиями реального времени, только если мы можем надежно предсказать количество или хотя бы максимальное количество элементов списка. Иначе говоря, для того чтобы гарантировать, что ответ поступит в течение фиксированного интервала времени, мы должны — возможно, с помощью инструментов анализа кода — вычислить время, необходимое для выполнения любой последовательности команд, приводящих к исчерпанию запаса времени.
• Параллелизм. Встроенные системы обычно реагируют на события, происходящие во внешнем мире. Это значит, что в программе многие события могут происходить одновременно, поскольку они соответствуют событиям в реальном мире, которые могут происходить одновременно. Программа, одновременно выполняющая несколько действий, называется параллельной (concurrent, parallel). К сожалению эта очень интересная, трудная и важная тема выходит за рамки рассмотрения нашей книги.
25.2.1. Предсказуемость
С точки зрения предсказуемости язык С++ очень хорош, но не идеален. Практически все средства языка С++ (включая вызовы виртуальных функций) вполне предсказуемы, за исключением указанных ниже.
• Выделение свободной памяти с помощью операторов new и delete (см. раздел 25.3).
• Исключения (раздел 19.5).
• Оператор dynamic_cast (раздел A.5.7).
В приложениях с жесткими условиями реального времени эти средства использовать не следует. Проблемы, связанные с операторами new и delete, подробно описаны в разделе 25.3; они носят принципиальный характер. Обратите внимание на то, что класс string из стандартной библиотеки и стандартные контейнеры (vector, map и др.) неявно используют свободную память, поэтому они также непредсказуемы. Проблема с оператором dynamic_cast связана с трудностями его параллельной