Java能扮演嵌入式應用開發(fā)的主角嗎?

　　Java自從推出以來一直備受關(guān)注，尤其是宣布開源之后，就更加為開發(fā)者所歡迎。不過在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師看來，其性能并不能令人滿意。運行Java虛擬機(JVM)解釋Java字節(jié)碼，這種方式對大多數(shù)嵌入式應用來說占用空間過多，運行速度過慢。不過Sun的Java 2 Micro Edition(J2ME)改變了這種狀況。

　　對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師來說，Java有許多優(yōu)點。作為一門開源的編程語言，Java允許面向?qū)ο缶幊?，又沒有C中存在的嚴重問題。Java運行時環(huán)境還提供了有用屬性。Java提供的內(nèi)存管理功能使得編程人員不必分配及釋放內(nèi)存。運行時環(huán)境甚至可以通過整合核心類庫來簡化程序分配。 但大多數(shù)嵌入式應用面臨Java沒有處理好的兩大約束：沒有足夠的空間和時間。

　　那么，Java作為一種在C++基礎(chǔ)上改進了的面向?qū)ο蟮拈_源語言，在嵌入式應用開發(fā)方面能挑大梁嗎?能否為它自己撐起一片蔚藍的天空呢?

　　一、為什么會是Java?

　　對于嵌入式系統(tǒng)來說，Java技術(shù)比C語言和匯編語言具有很明顯的優(yōu)越性。最顯著的特點是減少了系統(tǒng)的開發(fā)和維護，增強了代碼的重利用能力，提高了Java代碼與系統(tǒng)原有代碼的可整合性。

　　1. 提高開發(fā)效率和可維護性

　　在項目的整個生命周期中，Java環(huán)境大大的簡化了開發(fā)和維護。由于目標環(huán)境是建立在一個虛擬機上，代碼可以很容易的編寫、調(diào)試、分析、更改、維護。加上將來要連接的外接設(shè)備，未來的系統(tǒng)可能比目前的嵌入式系統(tǒng)復雜很多。升級手冊也許不會在整個項目的生命周期中都能起到作用。取而代之的是，硬件設(shè)備的可連接性使得能夠遠程管理模塊，這樣就保證了開發(fā)人員能在產(chǎn)品上增加新的性能，同時解決了在產(chǎn)品生產(chǎn)后軟件升級和維護的問題。

　　2. 重復利用代碼

　　由于嵌入式系統(tǒng)有特殊的需求，以及不同的專門硬件要協(xié)同工作，嵌入式軟件開發(fā)者通常使用非常原始的方法來開發(fā)，有時每一個新的項目都要從頭再來一遍?，F(xiàn)在，隨著嵌入式技術(shù)的成熟以及系統(tǒng)本身變得更大更優(yōu)化，很多人開始對于把一個產(chǎn)品的模塊甚至是全部的應用程序用到另一個產(chǎn)品感興趣。這種可重新利用性使得"一次開發(fā)，多次利用"成為了可能。

　　Java環(huán)境使得一個模塊可以只要做很少的工作就可以適應多個項目和平臺。甚至包括有時客戶需要一個新的目標板，或者采用新的硬件(CPU或外設(shè))和軟件，或者使用不同的Linux都可以進行移植。

　　3. 集成Java代碼和源代碼

　　使用源代碼明顯是指應用程序的多可用性以及代碼的重利用能力。在開源的Java語言的應用中，一個設(shè)計很好的界面，或者虛擬機，或者是底層的硬件都可以很好的兼容到嵌入式系統(tǒng)中。盡管無法移植，對于很多功能和硬件界面來說，在本地環(huán)境下開發(fā)的代碼也許仍然是最好的解決方案。在C、C++或者匯編語言中，加入標準的通信、接口模塊、用戶界面、安全特性會花費很多時間與金錢。與之相比較，Java的基本庫本身就提供了這些東西甚至還更多，這樣就可以加速開發(fā)。

　　二、Java碎片真的會有影響嗎?

　　在使用JavaME CLDC進行移動電話開發(fā)時，人們經(jīng)常會碰到碎片這個詞。Java強調(diào)“一次開發(fā)，多次利用”，但碎片出現(xiàn)，卻打破了這種傳奇。于是，這就導致應用開發(fā)人員不得不在許多不同的設(shè)備進行應用程序的測試，甚至于不得不在應用程序中對某些特殊的設(shè)備進行一步客戶化的工作。

　　對程序開發(fā)人員來說，碎片真是個惡夢，因為碎片平白無故的增添了代碼量和測試工作量。當然，對移動電話持有者來說也不是什么好事，因為碎片消耗了設(shè)備的空間。不管怎么說，碎片對每個人來說都是件很討厭的事情。

　　但對于嵌入開發(fā)者而，碎片又意味著什么呢?

　　首先來看看碎片產(chǎn)生的根源。移動電話行業(yè)標準本來給不同的產(chǎn)品預留了一定的自由空間，這初衷是好的。但事實上，這種預留的空間，卻導致了不同產(chǎn)品之間的沖突，不能進行很好的兼容。這就是碎片產(chǎn)生的最根本原因。于是這種不兼容性進而升級到了Java實現(xiàn)的程序里。這正是Java想花大力氣創(chuàng)建一個統(tǒng)一Java實現(xiàn)的原因所在，如JSR248,MSA(Mobile Service Architecture)的建立。

　　從嵌入式開發(fā)人員的角度來看，也許并沒有這么糟糕。其實碎片并不會影響到嵌入式開發(fā)人員，因為已經(jīng)可以確定設(shè)備之間的硬件是完全兼容的。如果使用的是原始語言像C/C++的話，嵌入式開發(fā)人員可以在任何地方來編寫代碼，并在不同的設(shè)備上進行代碼的重用。

　　三、 Java平臺的測試

　　如果采用Java來實現(xiàn)嵌入式設(shè)備開發(fā)，會不會碰到C/C++經(jīng)常碰到的測試成本太高的難題呢?

　　當然，采用Java來開發(fā)的話，可以對軟件進行多次的重復測試，盡管這不一定是必需的。而完全需要進行重復測試的只是那些新加的Java實現(xiàn)。如果是Java平臺的合法用戶的話，還可以使用Sun提供的TCK來進行程序兼容性的檢測。如果付費的話，還有很多壓力測試可供選擇。只要能保證Java平臺的正常運行并按Java的測試通過了的話，那么所開發(fā)的程序其可移植性是完全可以保證的。

　　當然，在此有必須有提醒一下只測試Java實現(xiàn)端口的開發(fā)人員。因為有一些端口的實現(xiàn)有可能是采用C/C++來編寫的，這些必須測試?？梢允褂萌略O(shè)備來對整個程序進行測試以達到這一目的。

　　1. 測試工具包

　　通過采用Java來進行編程，可以確保平臺的APIs是否正確的工作。如果采用C/C++或直接對操作系統(tǒng)編程，則使用全新的設(shè)備時，無法保證APIs的正常性。由于這些問題取決于所采用的測試包的全面性和可靠性，因此，在開發(fā)階段有可能發(fā)現(xiàn)不了它們，而在部署的階段發(fā)現(xiàn)了它們時，問題已經(jīng)擴散得超出控制范圍了。而對于Java平臺的測試，一般比較全面。所以，C/C++或直接對操作系統(tǒng)編程的問題能比較早的被發(fā)現(xiàn)并解決。

　　因此，采用Java平臺時，其測試時間有可能跟使用C/C++來開發(fā)整個程序的時間差不多。但結(jié)果大大不同，使用Java平臺時，其最差的測試效果往往可以與C/C++環(huán)境下最好的測試效果媲美。就測試的選擇而言，采用Java平臺時，可以使用Sun的TCK來確保程序?qū)π略O(shè)備的適用性，同時，還可以得到Java的其它測試包，不過是收費的。然而使用C/C++時，則只能依靠開發(fā)人員自己來保證程序?qū)π略O(shè)備的適應性了。

　　2. 端口兼容性

　　那么如何知道設(shè)備所依賴的操作系統(tǒng)端口是兼容的呢?沒法知道，因為操作系統(tǒng)供應商通過沒有測試它。除非所使用的設(shè)備是標準的硬件，沒有進行任何的客戶化工作，或是可以讓操作系統(tǒng)提供商對這特殊的端口進行單獨的測試。相樣，采用Java平臺時，這又是怎么的結(jié)果呢?可喜的是，由于Java平臺的TCK已經(jīng)做了這樣的工作，因此，這可以更好的提高其兼容性。

　　總之，采用Java平臺所需的測試，最差的情況也就跟采用原始語言(C/C++)一樣，但大部分情況下，都優(yōu)于后者。而且，更具有兼容性的保證。

　　四、Java很占內(nèi)存嗎?

　　使用Java平臺進行嵌入式設(shè)備開發(fā)時，其對內(nèi)在的使用量，會不會比使用原始語言如C/C++更大些呢?這取決于軟件的復雜性。Java由于虛擬機和內(nèi)庫的原因，有可能會導致內(nèi)存開銷的增大。下面比較一下Java平臺內(nèi)存的占用情況(基于Sun的實現(xiàn))：

　　CLDC(Connected Limited Device Configuration，運算功能有限、電力有限的嵌入式裝置，如PDA 、手機等)：可工作于100K(RAM)，JIT(Just In Time,即時編譯技術(shù))需要最大些。典型的部署要求500K-16M(RAM)。

　　CDC(Connected Device Configuration，運算能力相對較佳、并請在電力供應上相對比較充足的嵌入式裝置，如冷氣機、電冰箱等)：VM約為250K，JIT小于300K，VM+JIT+基礎(chǔ)類庫約占2-2.5M。典型的部署要求：4M-32M。

　　當然，內(nèi)存的占用量還取決于應用的大小及內(nèi)在的使用情況。可以看出，其實Java平臺不會占用太大的內(nèi)存。但是，這只是問題的一半。另一半是，Java代碼最后部署時是以類文件來部署的，它主要是包括字節(jié)碼和元數(shù)據(jù)。通過對CVM數(shù)據(jù)的分析，可以看出，字節(jié)碼占據(jù)著大概30%的數(shù)據(jù)量。而采用JIT編譯的代碼相對于字節(jié)碼而言，可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)存的占有量增加了，并有一個7-8倍的ARM指令集。由于，可以估計：

　　Java類轉(zhuǎn)成字節(jié)碼的速度≈1/30%≈3.3x;

　　原始語言轉(zhuǎn)成字節(jié)碼的速度≈7x。

　　這意味著，Java代碼的內(nèi)存使用量約為原始語言代碼的一半。當然這只是非常粗略的估算，但卻是合理的估算。

　　使用Java的JIT后，只有那些使用頻率高的代碼才會被編譯。而在系統(tǒng)中只是偶然被執(zhí)行的代碼則采用解釋來編譯。同時，JIT盡量使被編譯的代碼其內(nèi)存占有量保持在一較小的范圍內(nèi)。對CVM(CDC所使用虛擬機)，默認值為512K。而在一些較優(yōu)秀的程序中，可以發(fā)現(xiàn)，其值為100K-300K。

　　這也就是說，使用Java編寫的程序，只有使用頻率比較高的代碼才導致內(nèi)存占用的增加。相反，使用C/C++編寫的程序，整個代碼都需要進行編譯。因此，不能說使用Java語言編寫的程序占用的內(nèi)存就會比使用C/C++編寫的程序大。這決定于軟件相對于平臺代碼的復雜度及大小。如果軟件規(guī)模比較大，Java平臺所消耗的內(nèi)存遠小于Java類文件簡潔性節(jié)約的內(nèi)存，這種情況下，使用Java平臺將有利于節(jié)約內(nèi)存。如果軟件的規(guī)模比較小，則Java平臺消耗的內(nèi)存就比較明顯了，可以考慮使用C/C++來開發(fā)，以節(jié)約內(nèi)存。

　　五、結(jié)論

　　Java語言最初的設(shè)計企圖是想用于控制消費性電子產(chǎn)品，本為嵌入式設(shè)備而設(shè)計，但隨著因特網(wǎng)的興起，Java在臺式機和服務器端的應用開發(fā)中取得了巨大的成功。Java在應用中充分展示其通用性與完全性等優(yōu)勢，而這在嵌入式設(shè)備的應用開發(fā)中是至關(guān)重要的，這使得Java重返嵌入式應用開發(fā)領(lǐng)域成為必然。STK Java卡和J2ME的成功應用昭示著Java在嵌入式系統(tǒng)應用開發(fā)中的美好前景。