實(shí)時(shí)性迷思(2)——“時(shí)間片輪轉(zhuǎn)”的沙子
【說在前面的話】
【正文】
在一個(gè)多任務(wù)系統(tǒng)中，有一部分（或者全部）任務(wù)擁有實(shí)時(shí)性要求；
對(duì)于這些有實(shí)時(shí)性要求的任務(wù)來說，任何一個(gè)任務(wù)在任何一種情形、哪怕是極小的概率下、存在無法滿足實(shí)時(shí)性的可能，整個(gè)系統(tǒng)就判定為無法滿足實(shí)時(shí)性要求；
由于上述判定條件過于苛刻，所以工程實(shí)踐中，我們一般退而求其次，轉(zhuǎn)而尋找一定無法滿足實(shí)時(shí)性的情況，即：
如果在極其理想的條件下，可以通過數(shù)學(xué)方法證明這些任務(wù)的實(shí)時(shí)性一定無法得到滿足，則需要調(diào)整硬件環(huán)境，或者對(duì)任務(wù)進(jìn)行重新規(guī)劃、降低實(shí)時(shí)性要求；
如果在極其理想的條件下，證明系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性可以得到保證，則我們只能假設(shè)：可能存在一種方式讓當(dāng)前系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到保證——此時(shí)我們可以進(jìn)入下一階段的討論——也就是如何設(shè)計(jì)系統(tǒng)、將理論上證明可能做的事情變成既成事實(shí)。
如果數(shù)學(xué)上都已經(jīng)能證明實(shí)時(shí)性得不到保證了，咱們就別折騰了；
如果數(shù)學(xué)上證明有希望，咱們?cè)倮^續(xù)討論實(shí)施方法——究竟最終能不能做到——事在人為，結(jié)果另說。
先說結(jié)論：
我們就是要計(jì)算每個(gè)實(shí)時(shí)性任務(wù)可能占用的最大CPU資源，并用百分比表示；
計(jì)算所有實(shí)時(shí)性任務(wù)所占用CPU資源的總和（將百分比累加起來）；
如果超過100%，則整個(gè)實(shí)時(shí)性必然得不到保證；
如果沒有超過100%，則可以判定在理想狀況下，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是有可能得到保證的；
實(shí)踐中，距離100%越遠(yuǎn)，則可能性越大。如果卡著100%或者99%則相當(dāng)危險(xiǎn)，甚至可以穩(wěn)妥的判定為不滿足。
怎么樣？道理是不是很簡(jiǎn)單？那么具體怎么計(jì)算呢？
觀察此前介紹的實(shí)時(shí)性模型可以發(fā)現(xiàn)，無論是“實(shí)時(shí)性窗口”，還是“處理事件所需的時(shí)間” 都是表示時(shí)間長(zhǎng)短的量；
其中，“實(shí)時(shí)性窗口” 是根據(jù)具體應(yīng)用需要，由自于客觀物理世界的時(shí)間要求所決定的，翻譯成人話就是：“如果不在某一時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，就會(huì)受到牛頓的毒打！”
實(shí)時(shí)性窗口還隱含了另外一個(gè)重要的假設(shè)，即，最差情況下，這個(gè)事件可能會(huì)以實(shí)時(shí)性窗口所代表的時(shí)間間（Interval, Period）隔周期性的發(fā)生——正可謂一波剛平一波又起（紳士們，我就不配圖了
）。“事件處理所需時(shí)間”，故名思意，就是CPU執(zhí)行事件處理程序所需的時(shí)間。這里其實(shí)涉及到另外一個(gè)非常關(guān)鍵的問題——確定性（Deterministic）：說白了，就是“最起碼”要你能夠拍胸脯打包票——執(zhí)行這個(gè)任務(wù)所花的時(shí)間存在一個(gè)最大值（上界），并且這個(gè)上界是穩(wěn)定可靠的——這只是確定性的最低標(biāo)準(zhǔn)；有時(shí)候某些應(yīng)用對(duì)確定性的要求高的乍舌，比如，系統(tǒng)會(huì)強(qiáng)硬的規(guī)定：執(zhí)行時(shí)間只允許在某一個(gè)非常小的范圍內(nèi)微弱的波動(dòng)，做不到就直接判定為不滿足“確定性”要求（例如很多車載系統(tǒng)中所使用的ECU就是這樣），從而整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性也成了空中樓閣。
值得強(qiáng)調(diào)的是，假設(shè)事件處理程序的代碼是一樣的，那么很容易理解：當(dāng)CPU頻率升高的時(shí)候（CPU單位時(shí)間內(nèi)可以執(zhí)行的指令增加的時(shí)候），事件處理所需的時(shí)間就越短。
基于以上事實(shí)，我們可以設(shè)想一個(gè)嚴(yán)格的理想狀況：
某個(gè)事件已“實(shí)時(shí)性窗口”所表示的時(shí)間間隔（Tw）周期性的發(fā)生；
在這個(gè)周期內(nèi)，要消耗時(shí)間（Th）來處理這個(gè)事件；
則當(dāng)前實(shí)時(shí)性任務(wù)所消耗的CPU資源百分比為：
這里的
就是“事件n”的CPU資源占用。
【反復(fù)橫跳的代價(jià)】
不知道你還記不記得本文一開始我們?cè)噲D討論的那個(gè)問題：即，時(shí)間片輪轉(zhuǎn)是否對(duì)實(shí)時(shí)性的保證有意義？經(jīng)過前面的理論準(zhǔn)備，我們現(xiàn)在就有了明確而清晰回答這個(gè)問題所需的所有條件：
已知的事實(shí)如下：
CPU頻率不變的情況下，CPU的可用資源是固定的；
實(shí)現(xiàn)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方法有多種多樣：比如，純粹的合作式輪轉(zhuǎn)（諸如裸機(jī)中的switch狀態(tài)機(jī)，或者是基于函數(shù)指針的合作式調(diào)度器）；又或是操作系統(tǒng)下，擁有相同優(yōu)先級(jí)任務(wù)間所使用的可搶占式時(shí)間片輪詢，即Round-roubin模式（詳情請(qǐng)參考《【解惑】到底是“時(shí)間片”還是“分時(shí)輪詢”？》）。
無論采用哪種時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式，任務(wù)的切換都是有代價(jià)的。比如，裸機(jī)中，進(jìn)出函數(shù)所需的跳轉(zhuǎn)代價(jià)、局部變量在棧中重建的代價(jià)（詳情參考《漫談C變量——夏蟲不可語冰》）；操作系統(tǒng)中任務(wù)調(diào)度的代價(jià)等等。
在存量是固定不變的前提下，任務(wù)切換越頻繁，則切換所消耗的CPU時(shí)間就越多，因此實(shí)際用于實(shí)時(shí)性任務(wù)處理的CPU資源就越少
結(jié)論：頻繁任務(wù)切換對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性是有害的；由于頻繁時(shí)間片輪轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致大量不必要的任務(wù)切換，因此對(duì)實(shí)時(shí)性總體上來說是有害的。
推論：任務(wù)切換對(duì)實(shí)時(shí)性系統(tǒng)來說是必要的，但一定要越少越好——拒絕花拳繡腿的反復(fù)橫跳，只做真正有必要的任務(wù)切換。
【結(jié)語】
本文的結(jié)論實(shí)際上從本質(zhì)上傳達(dá)了一個(gè)信息：無論是裸機(jī)還是操作系統(tǒng)環(huán)境，多任務(wù)都是可以實(shí)現(xiàn)的——這是并發(fā)技術(shù)的本質(zhì)所決定的。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)只是裸機(jī)和操作系統(tǒng)環(huán)境下常見的、“無腦”實(shí)現(xiàn)并發(fā)的一種方式——或者說，時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的作用只是實(shí)現(xiàn)并發(fā)而已，它不僅與實(shí)時(shí)性的保證無關(guān)，甚至是有害的。
那么，假設(shè)，在通過數(shù)學(xué)方式證明了：“可能存在一種解來滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求”，那么具體有什么方法能夠?qū)崿F(xiàn)它呢？欲知詳情，請(qǐng)聽下回分解。
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