Java在嵌入式系統(tǒng)中的解決方案

一、引言

　　Java的設(shè)計(jì)者企圖建立一個(gè)簡(jiǎn)單的、面向?qū)ο蟮?、智慧的、已?jīng)解譯的、強(qiáng)大的、安全的、架構(gòu)合理的、可移植的、高性能的、多線程的、動(dòng)態(tài)的語(yǔ)言。為使Java對(duì)開(kāi)發(fā)者有吸引力，Sun公司融合了類似于C語(yǔ)言的語(yǔ)法和結(jié)構(gòu)。然而Sun最終沒(méi)有達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，Java還是被證明不適合小型的電子設(shè)備，這很大程度是因?yàn)樗蠖宜俣嚷?。?yīng)用Java程序所需要的處理能力和內(nèi)存量，對(duì)這類設(shè)備來(lái)說(shuō)太昂貴了。

　　然而，Sun公司設(shè)計(jì)Java時(shí)最重要的是平臺(tái)無(wú)關(guān)及網(wǎng)絡(luò)集成。一個(gè)無(wú)須更改能夠在幾種不同硬件和軟件平臺(tái)運(yùn)行的程序，對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來(lái)說(shuō)是一個(gè)理想的程序。對(duì)想建立通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)通訊并利用網(wǎng)上資源的分布式程序的開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，一種在任何平臺(tái)上都有內(nèi)置的和標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)支持的語(yǔ)言是一個(gè)大實(shí)惠。

　　1、Java語(yǔ)言與嵌入式

　　對(duì)于選用嵌入式編程語(yǔ)言，一般說(shuō)，越是高級(jí)的語(yǔ)言，其編譯和運(yùn)行庫(kù)施加的開(kāi)銷越大，你的應(yīng)用程序也越大，越慢。已經(jīng)公認(rèn)用匯編語(yǔ)言能寫(xiě)出最小最快的程序，其次是用C或Forth，接下來(lái)較大的是C++或Basic，然后才是Java。因此一般來(lái)說(shuō)，編程人員都會(huì)首選匯編和C，而然后才會(huì)考慮C++或Java。

　　但是嵌入式開(kāi)發(fā)者為何要來(lái)關(guān)注Java呢?筆者以為，隨著不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，很多嵌入設(shè)備必須適應(yīng)網(wǎng)上交流的需要，為了迎合此要求，考慮這種到開(kāi)發(fā)Internet應(yīng)用程序的便利，眾多開(kāi)發(fā)者都發(fā)現(xiàn)使用這種語(yǔ)言是有意義的。另一個(gè)原因是隨著內(nèi)存條及32位處理器價(jià)格的下降，最初在嵌入系統(tǒng)使用Java太昂貴的問(wèn)題不再有了。隨著使用Java的成本代價(jià)減少，它的很多優(yōu)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)被考慮作為嵌入平臺(tái)。

　　2、Java對(duì)于嵌入式的優(yōu)點(diǎn)分析

　　Java語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)在于：它當(dāng)初就是由理解和信奉網(wǎng)絡(luò)計(jì)算夢(mèng)想的一個(gè)小巧而專注的開(kāi)發(fā)組設(shè)計(jì)的，雖然該語(yǔ)言最初的實(shí)施方案有點(diǎn)缺陷，有許多后來(lái)已被解決了，但為了這個(gè)夢(mèng)想，他們很少在技術(shù)上妥協(xié)，結(jié)果誕生了一種專為以相互通訊為主要目的的設(shè)備而設(shè)計(jì)的語(yǔ)言。

　　有許多技術(shù)上的優(yōu)點(diǎn)都可能會(huì)引導(dǎo)嵌入系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者選擇Java，以下就是這些優(yōu)點(diǎn)(其中有幾個(gè)也適用于通用編程)

　　A)與處理器無(wú)關(guān)

　　Java的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是與處理器無(wú)關(guān)，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)似乎與嵌入式系統(tǒng)沒(méi)什么相干。傳統(tǒng)上，嵌入程序就是針對(duì)特定的微處理器設(shè)計(jì)并在其上運(yùn)行的，而C語(yǔ)言程序的可移植性則可通過(guò)編譯或交叉編譯來(lái)保障。

　　但是在Sun公司的模型中，一個(gè)程序可能是存儲(chǔ)在一個(gè)系統(tǒng)上，而被下載并運(yùn)行在另一個(gè)完全不同的系統(tǒng)上;設(shè)備可能從不同地方下載一些程序來(lái)在一個(gè)處理器上運(yùn)行，或者不同的處理器運(yùn)行一個(gè)程序，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在相互間傳遞數(shù)據(jù)。使用Java，一個(gè)嵌入式系統(tǒng)就可能成為一個(gè)通用的通信設(shè)備，能下載并運(yùn)行能完成特定任務(wù)的程序。

　　對(duì)嵌入式系統(tǒng)，這是一個(gè)新的模型，已經(jīng)有一些開(kāi)發(fā)者正在向它靠攏。例如，電視機(jī)機(jī)頂盒的供應(yīng)商已宣布并入JVM，以使用戶能通過(guò)Java applets在他們觀看電視的同時(shí)接收到的支持該電視節(jié)目的一些內(nèi)容。這樣你在觀看足球比賽時(shí)，看到的支持內(nèi)容就可以是對(duì)球員的技術(shù)統(tǒng)計(jì);若你在看電影，看到的支持內(nèi)容就可以是演員的背景資料。JVM還被并入到移動(dòng)電話中，這樣用戶可接收股票報(bào)價(jià)信息、比賽分?jǐn)?shù)及其他即時(shí)信息。

　　筆者以為，這是一個(gè)恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和實(shí)施模型。其一是你在選擇開(kāi)發(fā)平臺(tái)時(shí)更加靈活了。你無(wú)需在與目標(biāo)相同的平臺(tái)上開(kāi)發(fā)，也不用去關(guān)心交叉編譯，因?yàn)镴ava字節(jié)碼能在任何有JVM的操作系統(tǒng)中運(yùn)行;另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：幾乎所有的檢測(cè)和調(diào)試可以獨(dú)立于目標(biāo)設(shè)備來(lái)進(jìn)行。但是，一些數(shù)據(jù)輸入和硬件交互要求在目標(biāo)(或是很好的仿真系統(tǒng))上測(cè)試。由于個(gè)別JVM有時(shí)有兼容性的問(wèn)題，你應(yīng)該在所有將用到該程序的平臺(tái)上測(cè)試它。但一般來(lái)說(shuō)，你并不要高級(jí)而昂貴的、配備有邏輯探針、ICE以及其它調(diào)試工具的、針對(duì)目標(biāo)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)環(huán)境。

　　B)面向?qū)ο蟮木幊?/p>

　　Java是一種純粹面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言。所有代碼和數(shù)據(jù)都是某個(gè)類的一部分，沒(méi)有全局變量或是獨(dú)立于類存在的代碼，一個(gè)對(duì)象是一個(gè)類的實(shí)例，對(duì)象是通過(guò)調(diào)用操作方法，或者說(shuō)函數(shù)來(lái)操作的，而這些方法或函數(shù)也是類的一部分，對(duì)象的方法就對(duì)象的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。Java類被組織成一個(gè)等級(jí)層次，在層次結(jié)構(gòu)中，一個(gè)子類能夠繼承其超類的行為，并可用子類所具備的一些特有功能來(lái)擴(kuò)展其超類的功能。對(duì)象模型是你能定義對(duì)應(yīng)真實(shí)事物的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使得程序的任務(wù)和任務(wù)如何實(shí)現(xiàn)者二者之間的轉(zhuǎn)換變得基本上透明。

　　面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)和編程的優(yōu)點(diǎn)在于其開(kāi)發(fā)速度和代碼的可維護(hù)性，許多面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)都能通過(guò)利用和更改現(xiàn)存類庫(kù)來(lái)完成，而不是創(chuàng)造一個(gè)新的結(jié)構(gòu)，這就使開(kāi)發(fā)加快了，例如，一個(gè)硬件開(kāi)關(guān)能在軟件中使用一個(gè)開(kāi)關(guān)對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)，該對(duì)象包含用于控制和操作開(kāi)關(guān)的所有必需的數(shù)據(jù)和代碼。面向?qū)ο蟮姆椒ㄟ€盡量使用自然的結(jié)構(gòu)，使其有很高的可讀性，且可輕易更改和加強(qiáng)。

　　C)安全和安全操作

　　由于有了JVM，一個(gè)Java應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)或硬件完全隔絕，因此計(jì)算機(jī)病毒或其它作祟的的代碼就很難獲得對(duì)設(shè)備的控制。虛擬機(jī)是主機(jī)設(shè)備和那些可能難以確定其質(zhì)量和可靠性的軟件之間的一個(gè)保護(hù)層。

　　另外，Java設(shè)計(jì)者從該語(yǔ)言中去掉了指針變量的概念。Java不能任意訪問(wèn)其內(nèi)存位置，它們只能讀寫(xiě)有Java內(nèi)存分配管理系統(tǒng)創(chuàng)建的對(duì)象。由于Java編譯器所強(qiáng)制的嚴(yán)格的分類機(jī)制，從理論上來(lái)說(shuō)，訪問(wèn)那些未分配給程序的內(nèi)存區(qū)域是不可能的。這個(gè)限制使得要寫(xiě)惡意代碼的程序變得非常困難了。

　　對(duì)Java applet施加的限制就更加嚴(yán)格了。由于Java applet被設(shè)計(jì)成從Internet上下載，因而被視為不可信任的代碼，除非它包括你已認(rèn)定為可信任的主機(jī)的數(shù)字指紋。JVM在內(nèi)存的一個(gè)稱之為sandbox的區(qū)域運(yùn)行諸如applet這種不可信任的代碼。它給每個(gè)applet分配資源和特權(quán)，并將其限定在這些分配區(qū)域范圍中。

　　D)內(nèi)存管理

　　Java的內(nèi)存管理遠(yuǎn)比其他語(yǔ)言簡(jiǎn)單，因?yàn)樗皇褂弥羔?。?dāng)對(duì)象被實(shí)例化時(shí)，內(nèi)存被動(dòng)態(tài)分配。正如我們前面分析的，對(duì)個(gè)別內(nèi)存地址的訪問(wèn)被Java的設(shè)計(jì)者視為一個(gè)對(duì)安全的潛在危險(xiǎn)，因此，訪問(wèn)也被禁止。而且，Sun的網(wǎng)絡(luò)模型已假定你也許不知道目標(biāo)處理器，而引用專用內(nèi)存地址變得沒(méi)有必要。去掉指針的結(jié)果不僅提高了安全性，還簡(jiǎn)化了編程，錯(cuò)誤也減少了。

　　在C語(yǔ)言中，可以用值或引用的方式來(lái)訪問(wèn)數(shù)據(jù)。事實(shí)上，出于靈活性和控制考慮，非原始數(shù)據(jù)類型都由引用方式來(lái)存取，即通過(guò)指針訪問(wèn)。因此，值和引用的不同變得非常清楚，特別是：因?yàn)槟悴坏貌皇褂貌煌姆?hào)(*和)來(lái)存取數(shù)據(jù)。要用這兩種不同的訪問(wèn)方式，你必須清楚理解它們是什么以及你為什么應(yīng)該使用這一個(gè)，而不使用那一個(gè)。

　　在Java中，由值和引用來(lái)存儲(chǔ)是無(wú)縫的，尤其因?yàn)槠浞?hào)都一樣。兩者間唯一不同在于數(shù)據(jù)類型本身：所有原始數(shù)據(jù)類型始終由值的方式存取;所有對(duì)象，包括字串、數(shù)組以及文件流，始終由引用方式訪問(wèn)。聲明為原始數(shù)據(jù)變量類型包含該變量的值，聲明為對(duì)象的變量則包含對(duì)該對(duì)象(即該對(duì)象的地址)的一個(gè)引用，而非對(duì)象自身的引用。僅僅聲明一個(gè)對(duì)象變量并不給對(duì)象分配內(nèi)存，你必須用“new”關(guān)鍵字來(lái)分配內(nèi)存和創(chuàng)建對(duì)象。

　　這兩種方法最根本的不同在于：不可能象在C中那樣就Java內(nèi)存地址做指針?biāo)阈g(shù)或其他操作。Java中對(duì)象的地址是相對(duì)的(或虛擬的)，它由虛擬機(jī)任意分配，因此你沒(méi)有理由還想要指針地址。

　　E)垃圾收集

　　垃圾收集自動(dòng)收集內(nèi)存中未引用的內(nèi)存，并將其歸回空閑內(nèi)存鏈表中。JVM使用此功能將不在使用的內(nèi)存還給系統(tǒng)。

　　當(dāng)Java程序說(shuō)明并實(shí)例化一個(gè)對(duì)象或數(shù)組時(shí)，它僅僅做一個(gè)JVM請(qǐng)求，訪問(wèn)其下面的系統(tǒng)內(nèi)存(通常是通過(guò)主機(jī)操作系統(tǒng))并分配內(nèi)存，Java的垃圾收集系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)存收集對(duì)象，然后檢查它們的引用鏈。Java的垃圾收集系統(tǒng)的工作方式一般是搜索內(nèi)存中的對(duì)象，然后檢查它們的引用表。它計(jì)算程序中有多少變量當(dāng)前正在引用每個(gè)對(duì)象。若對(duì)象的引用數(shù)目為零，它知道此對(duì)象不再在使用了，它的內(nèi)存可以收回。其結(jié)果就是，不必像你在C語(yǔ)言所作的那樣，要人工來(lái)釋放分配的內(nèi)存。在C中，釋放內(nèi)存是一個(gè)必要、耗時(shí)且易出錯(cuò)的細(xì)節(jié)。Java自動(dòng)而精確的處理此過(guò)程，去除了C/C++程序中那種常見(jiàn)的錯(cuò)誤致因。