（计算机应用技术专业论文）a+realtime+extension+to+the+standard+java+virtual+machine.pdf

电子科技大学硕士学位论文：ar e a l t i m ee x t e n s i o nt ot h es t a n d a r dj a v av i r t u a lm a c h i n e 摘要 j a v a 由于其安全性、简单性、可维护性和可移植性，己经被广泛应用到大 型的应用软件开发中。但要将其应用到实时系统软件的开发中，还有很多工作 需要进行。本文主要对j a v a 虚拟机的线程调度和垃圾收集两方面进行实时性的 改进；除此之外，考虑到大多数实时系统应用的场合都是内存受限的，本文也 着力解决由垃圾收集引入的对内存的额外需求问题。 垃圾收集是j a v a 虚拟机中很关键的一个机制，但同时也是影响虚拟机实时 性的一个重要因素。为解决垃圾收集的实时性问题，有人提出了一种并发的垃 圾收集算法。这类算法在不影响系统中其他任务执行的同时，也对系统提出了 大量额外的内存需求。本文提出的基于可延迟服务器( d e f e r r a b l es e r v e r ) 的并发 垃圾收集算法由于使用了一种服务器参数配置策略，对额外内存的需求和同类 算法比较得以明显减少。这个参数配置策略在保证实时用户任务的可调度性前 提下，使并发垃圾收集器的最坏响应时间达到尽可能小，从而使理论上最坏情 况下的额外内存需求得以减少；同时仿真结果也显示：对一个给定的用户任务 集，实际的额外内存需求也得以减少。 本文也详细讲述了一个实时j a v a 扩展原型的实现细节，这个原型基 于i b m 的开源j a v a 虚拟机j i k e sr v m ，包含了实时线程及调度、并发垃圾收集 器等的实现。目前此原型已经完成了正确性测试和初级的性能测试。这个实 时j a v a 扩展原型可以作为实时j a v a 应用程序的运行平台，同时也可作为一个试验 平台对用j a v a 开发实时应用的可行性和有效性进行测试，以及衡量用j a v a 开发实 时应用的优缺点。 关键词：实时，垃圾收集，调度，j a v a 虚拟机 电子科技大学硕士学位论文：ar e a l t i m ee x t e n s i o nt ot h es t a n d a r dj a v a 彻a 】m a c h i n e a b s t r a c t p r o g r a m m i n gi nj a v ai s a t t r a c t i v ef o ri t s s a f e t y ，s i m p l i c i t y ，m a i n t a i n a b i l i t ya n d p o r t a b i l i t y ，b u tm u c hw o r ki st ob ep e r f o r m e d t oa p p l yi ti n t ot h er e a l t i m es o f t w a r e d e v e l o p m e n t w et r y t oa d d r e s st h et w om a i ni s s u e st h a t ，t h r e a ds c h e d u l i n ga n d g a r b a g e c o l l e c t i o n ，w i t hr e a l t i m ec o n c e r n s b e s i d e s ，c o n s i d e r i n gt h ef a c tt h a tm o s tr e a l - t i m e a p p l i c a t i o n sm n i nam e m o r yc o n s t r a i n e de n v i r o n m e n t ，t h ee x t r am e m o r y r e q u i r e m e n t c a u s e d b yt h ei n t r o d u c t i o no fg a r b a g ec o l l e c t i o ni ns y s t e m s i sc a r e f u l l yc o n c e r n e d g a r b a g ec o l l e c t i o ni sak e yf e a t u r ei nt h ej a v av i r t u a lm a c h i n e b u ti ta l s ob r i n g s s o m eo b s t a c l e st or e a l t i m ei s s u e s p r e v i o u sw o r kh a db e e np u to ns o l v i n gt h er e a l t i m ep r o b l e m so ft h eg a r b a g ec o l l e c t o r a m o n gi tt h e r ea r ec o n c u r r e n tc o l l e c t o r st h a t c a np r o v i d et r u l yr e a l t i m eg u a r a n t e e sb u tt h e yr e l yo na r e l a t i v e l yl a r g ea m o u n to f r e d u n d a n ts y s t e mm e m o r y t h i st h e s i sc o n c e n t r a t e so nm i n i m i z i n gt h es y s t e mm e m o r y r e q u i r e m e n tw i t han e wc o n c u r r e n tg a r b a g ec o l l e c t o rw h i c hi sb a s e do nad e f e r r a b l e s e r v e r t o g e t h e rw i t hap a r t i c u l a rp a r a m e t e rc o n f i g u r a t i o ns c h e m ep r o p o s e db yt h i st h e 一 “s t h e p a r a m e t e rc o n f i g u r a t i o ns c h e m e i sa d d r e s s e du s i n gt w od i f f e r e n ta p p r o a c h e s ， t h a ti s ，t h eu t i l i z a t i o nb a s e d a n a l y s i sa n d e x a c ta n a l y s i so ft h es e l e c t i o no fp a r a m e t e r s i nt h i sw a y ，t h ew o r s t c a s er e s p o n s et i m eo fa g a r b a g e c o l l e c t o ri sm i n i m i z e d ，a n ds oi s t h ew o r s t - c a s es y s t e mm e m o r y r e q u i r e m e n t ，w i t ht h es c h e d u l a b i l i t yo f t a s k sw i t hh a r d t i m ec o n s t r a i n tn o t j e o p a r d i z e d f u r t h e r m o r e ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t ， b a s e do nt h en e wa l g o r i t h m ，t h ea c t u a lm a x i m u m s y s t e mm e m o r yr e q u i r e m e n tf o ra g i v e nt a s ks e t a l s ob e c o m e sl e s st h a nt h a to f a n yp r e v i o u sc o n c u r r e n tc o l l e c t o r t h ei m p l e m e n t a t i o no fap r o t o t y p eo fr e a l t i m ej a v ae x t e n s i o ni sa l s op r e s e n t e d a tl e n g t h ，w h i c hc o v e r st h ei m p l e m e n t a t i o no fr e a l t i m et h r e a d s ，r e a l t i m es c h e d u l i n g ， o u rc o n c u r r e n tg a r b a g ec o l l e c t o r ，a n ds oo n c o r r e c t n e s sv e r i f i c a t i o na n di n i t i a lp e r - f o r m a n c ee v a l u a t i o na r ea l s op r e s e n t e d t h ee x t e n s i o nc a na c ta sar u n t i m ep l a t f o r m f o rr e a l t i m ea p p l i c a t i o n sw r i t t e ni nj a v a ，a n da ne x p e r i m e n t a ln u r s e r yf o rt e s t i n gt h e f e a s i b i l i t ya n de f f i c i e n c y ，f o rf i n d i n go u tt h ea d v a n t a g e so rd i s a d v a n t a g e so f d e v e l o p i n g r e a l t i m es o f t w a r ei nj a v a w et h i n kt h ef e e d b a c kf r o mt h e u s e r s ，i e r e a l t i m es o f t w a r e d e v e l o p e r s ，w i l jb ei n v a l u a b l et of u r t h e rr e s e a r c hi nt h er e a l t i m ej a v af i e l d 1 1 1 a b s t r a c t 一。一- _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ - - _ _ - 一 k e y w o r d s ： r e a l t i m e ，g a r b a g ec o l l e c t i o n ，s c h e d u l i n g ，j a v av i r t u a lm a c h i n e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 日期：。觇4 年l 王月z 乙日 电子科技大学硕士学位沦文：ar e a l t i m ee x t e n s i o nt ot h es t a n d a r dj a v av i r t u a lm a c h i n e c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n p r o g r a m m i n gl a n g u a g es u p p o r ti sa l le s s e n t i a lt o p i ci nt h er e s e a r c ho ne m b e d d e d a n dr e a l t i m es y s t e m sa n ds o f t w a r e p r o b a b l yt h em o s ti n f l u e n t i a lw o r ki nt h ef i e l d o fr e a l t i m ep r o g r a m m i n gl a n g u a g e sd u r i n gt h el a s tc e n t u r yi sa d aw h i c hg a i n sm u c h p r e f e r e n c ei nt h ea r e ao fs a f e t yc r i t i c a la n dh i g hi n t e g r i t ys y s t e m sl i k ea v i o n i c s l t o w e v e r , a d aa sal a n g u a g ea i m i n g a tas p e c i f i cd o m a i ni sn o ts op o p u l a ra n di t st o i l s o m e f o raf r e s h m a nt og e tf a m i l i a rw i t hi t o nt h ec o n t r a r y ，j a v ah a sb e e nw i d e l ya c c e p t e d a m o n g t h eg e n e r a lp u b l i co fs o f t w a r ed e v e l o p m e n tc o m m u n i t ys oi ft h e r e sac h a n c e f o rj a v at op l a yar o l ei nt h er e a l t i m ea p p l i c a t i o n s f a rm o r et h a np r e s e n tc o n t r i b u t o r s t or e a l t i m es o f t w a r ec a nb ep i c k e d u pa m o n g t h ec o n s i d e r a b l ej a v au s e r s ，w h i c hc o u l d b ev i e w e da sa na c t i o no f l o w e r i n gt h ed o o r s i l l ”a n dt h u st h ea v e r a g ec o s to f r e a l t i m e s o f t w a r ed e v e l o p m e n td r o p s o nt h eo t h e rh a n d ，t h eg r o w i n gt r e n do f l a r g e rs c a l ee m b e d d e dr e a l t i m ea p p l i c a t i o n sc a u s e db yt h ee v o l u t i o no ft h ec o m p l e x i t yo fe m b e d d e ds y s t e m sr e q u i r e sa r e v o l u t i o ni nt h ed e v e l o p i n gm e t h o d o l o g yf o rs u c hs y s t e m sc o n v e n t i o n a ld e v e l o p i n g m e t h o d st h a td e p e n d h e a v i l yo n o t h e r p o p u l a r a n dt r a d i t i o n a ll a n g u a g e ss u c hl i k eca r e i n e f f i c i e n ta n d e r r o r p r o n e t h es i t u a t i o nc a n b ei m p r o v e db yt h ea d o p t i o no f j a v af o ri t s s i m p l i c i t y ，s a f e t y , m a i n t a i n a b i l i t ya n dp o r t a b i l i t y , a n di th a sb e e nv e r i f i e db ye n o r m o u s e x p e r i e n c e si nd e s k t o pa n de n t e r p r i s ea p p l i c a t i o n sd e v e l o p m e n tt h a tp r o g r a m m i n gi n j a v aa l l e v i a t e st h ee f f o r t so f p r o g r a m m e r sa n de n h a n c e st h er o b u s t n e s sa n dc o n e c t n e s s o f a p p l i c a t i o n s m a n yr e a s o n sf o rj a v ai nr e a l t i m eh a v eb e e np r e s e n t e d ，m u c hw o r kh a st ob e p e r f o r m e dt oa d a p ti t t or e a l t i m ee n v i r o n m e n t s ，t h o u g h t h ej a v av i r t u a lm a c h i n e ( j v m ) ，a st h ef u n d a m e n t a lc o m p o n e n ti nj a v aa r c h i t e c t u r ea n dm o s t l yd e s i g n e df o r d e s k t o pa n de n t e r p r i s ea p p l i c a t i o n s ，h a sm a n yd r a w b a c k st or e a l t i m ei s s u e s ，s u c ha s t h ea u t o m a t i cm e m o r ym a n a g e m e n tm e c h a n i s m ( a l s ok n o w na sg a r b a g ec o l l e c t i o n ) ， t h es c h e d u l i n gp o l i c y , t h es y n c h r o n i z a t i o np r o b l e m ，t h ea s y n c h r o n o u se v e n th a n d l i n g s c h e m e ，e t c r e g a r d i n g t h e s ep r o b l e m s ，s o m ee f f o r t so n m a k i n g j a v as u i t e dt or e a l t i m e s y s t e m sa r ei np r o c e s s a m o n gt h e mt h e r ea r es p e c i f i c a t i o n si n c l u d i n gt h er e a l t i m e s p e c i f i c a t i o nf o rj a v a ( r t s j ) 8 ，t h ejc o n s o r t i u m sr e a l t i m ec o r ee x t e n s i o n 1 8 1 a l s o ，t h e r ea r er e a l t i m ej a v ai m p l e m e n t a t i o n sa tp r e s e n t g a r b a g ec o l l e c t i o n ( g c ) ，a sak e yf e a t u r ep r o v i d e db yj v m ，o v e r c o m e st h ep o t c n t i a ld a n g e ro fm a n u a lm e m o r y m a n a g e m e n t ，s u c ha sm e m o r yl e a k s ，d a n g l i n gp o i n t e r s ， c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n f r a g m e n t a t i o n ，a n ds oo n u n f o r t u n a t e l y , t h e t r a d i t i o n a lg a r b a g ec o l l e c t o rk n o w na st h e “s t o p t h e w o r l d ”g ci sa l s oo n eo f t h e m o s ts e r i o u so b s t a c l e st oa p p l yj a v at or e a l t i m e s y s t e m s f e rt h eu n p r e d i c t a b i l i t yo f e x e c u t i o nt i m ei ti n t r o d u c e s l o t so f w o r kh a sb e e n c o n c e n t r a t e do nt od i m i n i s ht h eb a di n f l u e n c eo fg cb yi n t r o d u c i n gi n c r e m e n t a lg c a l g o r i t h m s 3 ，9 ，1 5 h o w e v e r , s i m p l ym a k i n g g ci n c r e m e n t a li sn o te n o u g h i tm u s t r u n o f t e ne n o u g h ”a n df o r “e n o u g ht i m e ”t op r e v e n tt h es y s t e m sr u t m i n go u to fm e r e o r yf u r t h e r m o r e ，i f i t sn o tw e l lc o o p e r a t e dw i t ho t h e rt a s k s ，t h er e a l t i m ep r o p e r t yo f s y s t e m sm a y s t i l lb eb r o k e n r e a l t i m et h l r e a d sa n dr e a l - t i m es c h e d u l i n ga r ea l s oe s s e n t i a lf o rar e a l t i m ej a v a v i r t u a lm a c h i n e ，b u tt h e ya r eb o t ha b s e n tf r o mas t a n d a r dj v m t h el a c ko f p r i o r i t i e s ， t h en o n p r e e m p t i v es c h e d u l i n gs t r a t e g i e s ，a n dt h ec o a r s eg r a i n e dc l o c k ，e ta 1 a r ea l l b a r r i e r st oa p p l yj a v ai n t or e a l t i m ea p p l i c a t i o n st h ei = c a p a m i l l i sj m y t h r e a d w a k e u p c y c l e = v m _ t i m e c y c l e s + v m _ t i m e m i l l i s t o c y e l e s i d 曲1 b l e ) ( p e r i o d m i l l i 8 一e l a p s e d m i l l i s ) i f m y t h r e a dp r o x y ! = n u l l ) t m y t h r e a dp r o x y w a k e u p c y c l e = m y t h r e a d w a k e u p c y c l e ： v k s c h e d u l e r w a k e u p m u t e x 1 0 c k ( j v m _ s c h e d u l e r w a k e u d q u e u ee n q u e u e ( m y t h r e a d ) ； v m _ s c h e d u l e rw a k e u p m u t e xu n l o c k ( ) ； m o r p h ( f a l s e lj r e t u r n ； ) ) ) ) a l t h o u g ha tp r e s e n tt h ec o l l e c t o ri sj u s tap r o o f - o f - c o n c e p tp r o t o t y p ea n di sl e s s o p t i m i z e d ，f u t u r ew o r kw i l lp e r f e c ti tt oag o o dp r o d u c t i o n 5 4r t s jc o m p a t i b i l i t y w eb o r r o wt h er e a l t i m et h r e a d sa n ds c h e d u l i n gs c h e m e sf r o mt h er t s j 8 1 a n dt e m p o r a r i l yd i s c a r dt h ec o m p l e xm e m o r ym a n a g e m e n tp l a no fw h i c hw ep o i n t e d o u tt h ed r a w b a c k si no u rp r e v i o u sw o r k 3l 】f o rt h ei m p l e m e n t a t i o n ，w ea l w a y sh o l dt h ei d e at h a tt h em o d i t i c a t i o nt ot h eo r i g i n a lr v is h o u l db ek e p ta s 1 i t t l ea sp o s s i b l e t h e r e f o r ew ec l e a n l ye x t e n dt h er v mw i t ht h er t s jc o m p a t i b l ea p l s ，s u c ha st h ec l a s s e so fr e a l t i m e t h r e a d ，p r i o r i t y s c h e d u l e r ， p r i o r i t y p a r a m e t e r s ，p e r i o d i c p a r a m e t e r s ，t i m e re ta 1 a n dp l a c e t h e mi n t oap a c k a g en a m e dc o n v e n t i o n a l l ya sj a v a x r e a l t i m e s i n c ej i k e sr v m i si m p l e m e n t e di nj a v a ，i ti sp o s s i b l et oi m p l e m e n ta l lt h en a t i v em e t h o d so ft h er t s j c l a s s e so n l yi nt h en e w l ye x t e n d i n gs o u r c ef i l e sb ye x p l o i t i n gt h ep l e n t i f u ln a t i v es e r v i c e sp r o v i d e di nt h ef 0 1 t i io fj a v ar i t e t h em e t h o d so ft h ec l a s s e sv m _ m a g i ca n d v m s y s c a l l ，e ta 1 ) ，a n dt h u st h eo t h e rp a r t so ft h er v m a r en e v e ri n t e r f e r e dw i t h i naw o r d t h er t s je x t e n s i o na sac o m p o n e n to ft h ev m s y s t e mc a nb el o a d e d u n 1 0 a d e dq u i t ee a s i l y 5 5un d e r l y i n gs y s t e m s t h eu n d e r l y i n gs y s t e ms u p p o r t i n gt h er v mi no u rc a s ei n c l u d e sap r o c e s s o rb e l o n g i n gt oi n t e lx 8 6f a m i l yw i t haf r e q u e n c yo f1 7g h za n dt h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ( v e r s i o n2 6 o ) a sw eh a v ea d d r e s s e db e f o r e ，t h eo p e r a t i n gs y s t e m ( o s ) i sb u r d e n e dw i t hs c h e d u l i n gt h e v i r t u a lp r o c e s s o r si nt h er v m o nt h el i n u x p l a t f o r m ，ap o s i xt h r e a d ( p t h r e a d ) i sc o r r e s p o n d i n gt oav i r t u a lp r o c e s s o r ，a n dt y p i c a l l yt h en u m b e ro fv i r t u a lp r o c e s s o r s i se q u a lt ot h a to fp h y s i c a lp r o c e s s o r 8i nt h em a c h i n e t h e r e f o r e ，f o ran n i p r o c e s s o r 电子科技大学硕士学位论文：ar e a l t i m ee x t e n s i o nt ot h es t a n d a r dj a v av i r t u a lm a c h i n e s y s t e m ，t h es c h e d u l i n go ft h ej a v at h r e a d sa n dt h ec o l l e c t i o nt h r e a di sp e r f o r m e db y t h er v mi t s e l f w ek e e pt h i sp a r a d i g mf o rt h es a k eo fb e t t e rf l e x i b i l i t ya n dp o r t a b i l i t y ， t h o u g hi tm i g h tb el e s se f f i c i e n t s ot h es c h e d u l i n gp o l i c yp r o v i d e db yt h eo p e r a t i n g s y s t e md o e s n tn e e da n ym o d i f i c a t i o n s i no r d e rt oh a v eam o r ec o m p r e h e n s i v eu n d e r s t a n d i n go ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n j a v at h r e a d sa n do p e r a t i n gs y s t e mt h r e a d s ，w e d i s c u s st h et y p i c a lt h r e em u l t i t h r e a d i n gm o d e l sh e r e m a n y - t o - o n em o d e l ( g r e e nt h r e a d s ) t h i sm o d e lo f m a n yj a v aa p p l i c a t i o nt h r e a d st o o n eo p e r a t i n gs y s t e mt h r e a da l l o w st h ea p p l i c a t i o nt oc r e a t ea n yn u m b e ro fj a v a t h r e a d st h a tc a nb ee x e c u t e dc o n c u r r e n t l y t h i sm o d e li sa l s oc a l l e da su s e r - l e v e l t h r e a d so rg r e e nt h r e a d s i e a l lj a v at h r e a d sa r er e s t r i c t e dt ou s e rs p a c e a d d i t i o n a l l y , o n l yo n et h r e a da tat i m ec a na c c e s st h ek e r n e l ，s oo n l yo n es c h e d u l a b l e e n t i t yi sk n o w n t ot h eo p e r a t i n gs y s t e m a sar e s u l t ，t h i sm o d e li sn o ta p p r o p r i a t e f o rm u l t i p r o c e s s o rm a c h i n e ss i n c eo n l yo n eo p e r a t i n gs y s t e mt h r e a di sb e i n gu s e d t oi m p l e m e n ta l lo ft h ej a v at h r e a d sa n de a c ho p e r a t i n gs y s t e mt h r e a di se x e c u t e d b yo n l yo n ep r o c e s s o ra tat i m e t h ec o n c u r r e n c y t h i sm o d e lp r o v i d e si sl i m i t e d w es e l e c tt h ef i g u r ei ns u np r o d u c td o c u m e n t a t i o nt od e m o n s t r a t et h i sm o d e l 1 伽鲥o l w p f i g u r e5 1m a n y t o o n em u l t i t h r e a d i n gm o d e l 【3 0 】 o b e t o o n em o d e l t h i sm o d e li sa l s oc a l l e dan a t i v et h r e a di m p l e m e n t a t i o ni nt h e j a v at e c h n o l o g y i nt h i sm o d e l ，t h ej a v av i r t u a lm a c h i n ei m p l e m e n t se a c hj a v a t h r e a du s i n ga nu n d e r l y i n go p e r a t i n gs y s t e mt h r e a d ，s oa l lt h et h r e a d sc a na c c e s s t h ek e m e la tt h es a m et i m ea n dt h u sc a ne x p l o i tam u l t i p r o c e s s o rs y s t e m t h e m a i np r o b l e mw i t i lt h i sm o d e li st h a ti ta d d sb u r d e n st ot h ew h o l es y s t e ma n d a p p l i c a t i o nd e v e l o p e r sa r er e s t r i c t e dt ob ec a r e f u la n df r u g a lw i t hj a v at h r e a d s c o n s e q u e n t l y ，m a n yi m p l e m e n t a t i o n so ft h i sm o d e ls u c ha sw i n d o w sn ta n dt h e o s 2t h r e a dp a c k a g e sl i m i tt h en u m b e ro ft h r e a d ss u p p o r t e do nt h es y s t e m w e s e l e c tt h ef i g u r ei ns u np r o d u c td o c u m e n t a t i o nt od e m o n s t r a t et h i sm o d e l f i g u r e5 2 o n e t o - o n em u l t i t h r e a d i n gm o d e l 3 0 】 m a n y - t o - m a n ym o d e l t h em a n y t o m a n ym o d e lf m a n yu s e r - l e v e lt h r e a d st om a n y o p e r a t i n gs y s t e mt h r e a d s ) a v o i d sm a n yo f t h e l i m i t a t i o n so f t h eo n e t o o n em o d e l ， w h i l ee x t e n d i n gm u l t i t h r e a d i n gc a p a b i l i t i e se v e nf u r t h e r t h em a n y - t o - m a n y m o d e l ，a l s oc a l l e dt h et w o l e v e lm o d