Java在嵌入式系統(tǒng)中的解決方案

一、引言

　　Java的設(shè)計(jì)者企圖建立一個簡單的、面向?qū)ο蟮摹⒅腔鄣?、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、動態(tài)的語言。為使Java對開發(fā)者有吸引力，Sun公司融合了類似于C語言的語法和結(jié)構(gòu)。然而Sun最終沒有達(dá)到這個目標(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，對這類設(shè)備來說太昂貴了。

　　然而，Sun公司設(shè)計(jì)Java時最重要的是平臺無關(guān)及網(wǎng)絡(luò)集成。一個無須更改能夠在幾種不同硬件和軟件平臺運(yùn)行的程序，對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來說是一個理想的程序。對想建立通過網(wǎng)絡(luò)來通訊并利用網(wǎng)上資源的分布式程序的開發(fā)者來說，一種在任何平臺上都有內(nèi)置的和標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)支持的語言是一個大實(shí)惠。

　　1、Java語言與嵌入式

　　對于選用嵌入式編程語言，一般說，越是高級的語言，其編譯和運(yùn)行庫施加的開銷越大，你的應(yīng)用程序也越大，越慢。已經(jīng)公認(rèn)用匯編語言能寫出最小最快的程序，其次是用C或Forth，接下來較大的是C++或Basic，然后才是Java。因此一般來說，編程人員都會首選匯編和C，而然后才會考慮C++或Java。

　　但是嵌入式開發(fā)者為何要來關(guān)注Java呢?筆者以為，隨著不斷增長的市場需求，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，考慮這種到開發(fā)Internet應(yīng)用程序的便利，眾多開發(fā)者都發(fā)現(xiàn)使用這種語言是有意義的。另一個原因是隨著內(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。

　　2、Java對于嵌入式的優(yōu)點(diǎn)分析

　　Java語言的優(yōu)點(diǎn)在于：它當(dāng)初就是由理解和信奉網(wǎng)絡(luò)計(jì)算夢想的一個小巧而專注的開發(fā)組設(shè)計(jì)的，雖然該語言最初的實(shí)施方案有點(diǎn)缺陷，有許多后來已被解決了，但為了這個夢想，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)的語言。

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

　　A)與處理器無關(guān)

　　Java的第一個優(yōu)點(diǎn)就是與處理器無關(guān)，這個優(yōu)點(diǎn)似乎與嵌入式系統(tǒng)沒什么相干。傳統(tǒng)上，嵌入程序就是針對特定的微處理器設(shè)計(jì)并在其上運(yùn)行的，而C語言程序的可移植性則可通過編譯或交叉編譯來保障。

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

　　對嵌入式系統(tǒng)，這是一個新的模型，已經(jīng)有一些開發(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Java applets在他們觀看電視的同時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，看到的支持內(nèi)容就可以是對球員的技術(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)及其他即時信息。

　　筆者以為，這是一個恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和實(shí)施模型。其一是你在選擇開發(fā)平臺時更加靈活了。你無需在與目標(biāo)相同的平臺上開發(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;另一個優(yōu)點(diǎn)是：幾乎所有的檢測和調(diào)試可以獨(dú)立于目標(biāo)設(shè)備來進(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))上測試。由于個別JVM有時有兼容性的問題，你應(yīng)該在所有將用到該程序的平臺上測試它。但一般來說，你并不要高級而昂貴的、配備有邏輯探針、ICE以及其它調(diào)試工具的、針對目標(biāo)平臺的開發(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言。所有代碼和數(shù)據(jù)都是某個類的一部分，沒有全局變量或是獨(dú)立于類存在的代碼，一個對象是一個類的實(shí)例，對象是通過調(diào)用操作方法，或者說函數(shù)來操作的，而這些方法或函數(shù)也是類的一部分，對象的方法就對象的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。Java類被組織成一個等級層次，在層次結(jié)構(gòu)中，一個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擴(kuò)展其超類的功能。對象模型是你能定義對應(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)在于其開發(fā)速度和代碼的可維護(hù)性，許多面向?qū)ο蟮拈_發(fā)都能通過利用和更改現(xiàn)存類庫來完成，而不是創(chuàng)造一個新的結(jié)構(gòu)，這就使開發(fā)加快了，例如，一個硬件開關(guān)能在軟件中使用一個開關(guān)對象來實(shí)現(xiàn)，該對象包含用于控制和操作開關(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保護(hù)層。

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

　　對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)比其他語言簡單，因?yàn)樗皇褂弥羔?。?dāng)對象被實(shí)例化時，內(nèi)存被動態(tài)分配。正如我們前面分析的，對個別內(nèi)存地址的訪問被Java的設(shè)計(jì)者視為一個對安全的潛在危險(xiǎn)，因此，訪問也被禁止。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)存地址變得沒有必要。去掉指針的結(jié)果不僅提高了安全性，還簡化了編程，錯誤也減少了。

　　在C語言中，可以用值或引用的方式來訪問數(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存取，即通過指針訪問。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?*和)來存取數(shù)據(jù)。要用這兩種不同的訪問方式，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，而不使用那一個。

　　在Java中，由值和引用來存儲是無縫的，尤其因?yàn)槠浞柖家粯?。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;所有對象，包括字串、數(shù)組以及文件流，始終由引用方式訪問。聲明為原始數(shù)據(jù)變量類型包含該變量的值，聲明為對象的變量則包含對該對象(即該對象的地址)的一個引用，而非對象自身的引用。僅僅聲明一個對象變量并不給對象分配內(nèi)存，你必須用“new”關(guān)鍵字來分配內(nèi)存和創(chuàng)建對象。

　　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中對象的地址是相對的(或虛擬的)，它由虛擬機(jī)任意分配，因此你沒有理由還想要指針地址。

　　E)垃圾收集

　　垃圾收集自動收集內(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程序說明并實(shí)例化一個對象或數(shù)組時，它僅僅做一個JVM請求，訪問其下面的系統(tǒng)內(nèi)存(通常是通過主機(jī)操作系統(tǒng))并分配內(nèi)存，Java的垃圾收集系統(tǒng)通過內(nèi)存收集對象，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)前正在引用每個對象。若對象的引用數(shù)目為零，它知道此對象不再在使用了，它的內(nèi)存可以收回。其結(jié)果就是，不必像你在C語言所作的那樣，要人工來釋放分配的內(nèi)存。在C中，釋放內(nèi)存是一個必要、耗時且易出錯的細(xì)節(jié)。Java自動而精確的處理此過程，去除了C/C++程序中那種常見的錯誤致因。