Книга: Введение в QNX/Neutrino 2. Руководство по программированию приложений реального времени в QNX Realtime Platform

Улучшения

Улучшения

Теперь, когда вы выяснили, что общего между этими двумя ОС, давайте посмотрим, каковы преимущества QNX/Neutrino перед QNX4:

• большее число поддерживаемых стандартов POSIX;

• лучше встраивается;

• ядро лучше конфигурируется для других аппаратных платформ;

• поддержка многопоточности;

• более простая модель драйвера устройства;

• переносимая архитектура (в настоящее поддерживаются, кроме x86, процессоры MIPS и PPC) (а теперь уже и ARM, StrongARM и SuperH-4 — прим. ред.),

• поддерживает SMP;

• лучше документирована.

При том, что некоторые из этих усовершенствований «вне сравнения», поскольку аналогов для них в QNX4 нет, а значит, нет и проблем совместимости (например, многопоточность POSIX не поддерживалась в QNX4), некоторые из проблем потребовали внесения в ОС кардинальных изменений. Сначала я вкратце упомяну, какие классы изменений были необходимы, а затем мы подробно рассмотрим возникшие в связи с этим проблемы совместимости и предложения о том, как переносить программы в QNX/Neutrino (или заставить программу работать в обеих ОС).

В QNX/Neutrino коренным образом пересмотрена стратегия встраивания. В первоначальном варианте QNX4 встраиваемость обеспечивалась только частично. Затем появилась QNX/Neutrino, которая с самого начала разрабатывалась как встраиваемая. В качестве премии, QNX4 подверглась некоторой модернизации на основе опыта, полученного с QNX/Neutrino, и теперь является в гораздо более значительной степени встраиваемой, чем ранее. Как бы там ни было, по части встраиваемости QNX/Neutrino и QNX4 отличаются, как день и ночь. QNX4 не содержит никакой реальной поддержки таких вещей как:

• исходящие вызовы ядра (kernel callouts) (прерывание, таймер);

• настройка стартового кода;

• образная файловая система.

а вот в QNX/Neutrino все это есть. Подробное описание методик встраивания QNX/Neutrino приведено в книге «Построение встраиваемых систем», входящей в комплект документации.

В QNX4 есть функция, называемая tfork(), которая позволяет вам организовать «многопоточность», создавая процесс с сегментами кода и данных, отображенными в то же адресное пространство, что и у родительского. Создание процесса и потом приведение его к «потокоподобному» виду дает иллюзию создания потока. И хотя в системе обновлений QSSL содержится библиотека поддержки потоков для QNX4, само ядро потоки непосредственно не поддерживает.

В QNX/Neutrino для организации многопоточности применяется POSIX-модель «рthread». Это означает, что там вы увидите (и уже видели в данной книге) знакомые вызовы функций типа pthread_create(), pthread_mutex_lock(), и т.п.

При том что воздействие потоков на обмен сообщениями может показаться минимальным, использование потоков привело к фундаментальному изменению реализации механизма обмена сообщениями (не самой концепции SEND/RECEIVE/REPLY, а именно ее реализации).

В QNX4 сообщения адресовались идентификатору процесса. Чтобы отправить сообщение, нужно было просто найти идентификатор процесса-адресата и выполнить Send(). Чтобы сервер мог принять сообщение в QNX4, он должен был вызвать Receive(). Это блокировало его до прибытия сообщения. Затем сервер отвечал с помощью функции Reply().

В QNX/Neutrino обмен сообщениями устроен так же, только при этом используются другие имена функций. Что изменилось, так это сам механизм. Теперь, прежде чем вызывать стандартные функции обмена сообщениями, клиент должен сперва создать соединение с сервером. А сервер, прежде чем он сможет выполнять стандартные функции обмена сообщениями, должен сначала создать канал.

Заметьте, что существовавшая в QNX4 функция Creceive(), которая выполняла неблокирующий вызов Receive(), в QNX/Neutrino отсутствует. Мы вообще не одобряем такие «опрашивающие» функции, особенно когда можно запустить поток; впрочем, если вы настаиваете на выполнении неблокирующего вызова MsgReceive(), посмотрите главу «Часы, таймеры и периодические уведомления», раздел «Тайм-ауты ядра». Вот соответствующий пример кода в качестве краткого пояснения:

TimerTimeout(CLOCK_REALTIME, _NTO_TIMEOUT_RECEIVE,
 NULL, NULL, NULL);
rcvid = MsgReceive(...

В QNX4 было нечто по имени «прокси». Прокси лучше всего описывается как «законсервированное» (т.е. неизменяемое) сообщение, которое можно отослать владельцу этой (почему-то исторически сложилось, что в русском языке термин «прокси» женского рода; возможно, из-за распространенного сленгового произношения «прокся» #:о) — прим. ред.) прокси от имени процесса или ядра (например, по срабатыванию таймера или из обработчика прерывания). Прокси является неблокирующей для отправителя и принимается точно также, как и любое другое сообщение. Распознать сообщение прокси (то есть отличить его от обычного сообщения) можно было либо проанализировав его содержимое (не самый надежный способ, поскольку процесс тоже может передать что-нибудь с подобным содержимым), либо проверив идентификатор процесса, от которого оно было получено. Если идентификатор процесса совпадает с идентификатором прокси — значит, это прокси, потому что идентификаторы процессов и прокси берутся из того же самого пула номеров и не пересекаются.

(На самом деле, документация по QNX4 вносит в понятие «прокси» страшную путаницу, которая требует пояснения. Если бы прокси являлась именно сообщением, как это записано в определении прокси, обороты типа «получить сообщение от прокси» были бы лишены смысла. Само по себе слово «proxy» переводится как «промежуточный агент». Если внимательно прочитать главу «IPC via proxies» книги «QNX4 System Architecture», становится ясно, что прокси — это не само сообщение, а специализированный «квазипроцесс», не обладающий ресурсами, но имеющий идентификатор (который, разумеется, по понятным причинам не перекрывается с другими идентификаторами процессов) и способный к обмену специализированными сообщениями. Применяя к прокси с определенным идентификатором функцию Trigger(), процесс в QNX4 фактически делает этому квазипроцессу специализированный Send(), в ответ на который мгновенно следует Reply(), поэтому отправитель (вызвавший Trigger()) и не блокируется. Затем прокси отправляет своему процессу-владельцу свое предопределенное сообщение; если владелец прокси в этот момент не является RECEIVE-блокированным, сообщение становится в очередь. Таким образом, правильнее было бы говорить «переключить прокси» вместо «отправить прокси» (о вызове Trigger()) и «получить сообщение прокси» вместо «получить прокси» — прим. ред.).

QNX/Neutrino расширяет концепцию прокси введением «импульсов». Импульсы по-прежнему являются неблокирующими сообщениями, и их по-прежнему можно переслать либо от потока к потоку, либо от служебной функции ядра (например, от того же таймера или обработчика прерывания) к потоку. Различие состоит в том, что в то время как прокси имели фиксированное содержимое, импульсы имеют фиксированную длину, но содержимое их может быть изменено отправителем в любой момент. Например, обработчик прерываний (ISR) может сохранить в импульсе какие-либо данные и затем отправить этот импульс потоку.

В QNX4 некоторые сервисы были наделены способностью послать как сигнал, так и прокси, в то время как другие сервисы были наделены способностью послать либо только одно, либо только другое. Мало того, обычно это выполнялось несколькими различными способами. Например, чтобы доставить сигнал, вы должны были применить функцию kill(). Чтобы доставить прокси или сигнал по срабатыванию таймера, вы должны были использовать отрицательный номер сигнала (для указания на то, что это прокси) или положительный номер сигнала (для указания на то, что это сигнал). И, наконец, обработчик прерываний мог доставлять только прокси.

В QNX/Neutrino все это было абстрагировано в расширение POSIX-структуры struct sigevent. Все, что использует и возвращает struct sigevent, может использовать как сигнал, так и импульс.

На самом деле, функциональность struct sigevent была расширена вплоть до возможности создания потока! Мы говорили об этом в Главе «Часы, таймеры и периодические уведомления» в разделе «Уведомление созданием потока».

В самых ранних версиях QNX (семейство QNX2) программирование драйверов устройств было чем-то из области черной магии. В QNX4 это тоже поначалу была загадочная вещь, но затем, в конце концов, появилось несколько примеров программ. В QNX/Neutrino этому вопросу посвящены книги и учебные курсы. И, как оказалось, модели драйверов в QNX/ Neutrino и QNX4 на архитектурном уровне достаточно сходны. В то время как в QNX4 была кромешная путаница вокруг того, что такое «функции установления соединения» и что такое «функции ввода-вывода», в QNX/Neutrino все четко разделено. Также под QNX4 вы (разработчик драйвера устройства) должны были выполнять большую часть работы (программирование основного цикла обработки сообщений, сопоставление контекста каждому сообщению ввода-вывода, и т.д.) самостоятельно. В QNX/Neutrino все это в значительной степени упрощено введением библиотеки администратора ресурсов.

Одно из самых существенных отличий QNX/Neutrino от QNX4 в отношении встраиваемости состоит в том, что QNX/Neutrino поддерживает процессоры MIPS и PPC (Power PC). QNX4 изначально была «дома» на IBM PC с их BIOS и «очень» стандартным набором аппаратных средств, QNX/Neutrino же одинаково по-домашнему чувствует себя на разных платформах с BIOS (или монитором ПЗУ) или без нее, а также на нестандартной аппаратуре, комплектация которой выбирается изготовителем (и часто без учета требований ОС). Это означает, что ядро QNX/Neutrino должно было обеспечивать поддержку исходящих вызовов (callouts), чтобы вы могли, например, задать свой тип контроллера прерываний и работать на этих аппаратных средствах без необходимости приобретения лицензии на исходный текст операционной системы.

Другая группа изменений, которые вы заметите при переносе приложений из QNX4 в QNX/Neutrino, особенно на другие платформы, касается того, что процессоры MIPS и PPC уж больно вычурны по части выравнивания. Вы не можете обращаться к N-байтовому объекту иначе чем по адресу, кратному N. При работе на x86 (с выключенным флагом выравнивания) вы бы волей-неволей обратились к памяти. Изменив вашу программу так, чтобы все структуры были правильно выровнены (для не-x86 процессоров), вы также заметите, что ваша программа после этого на x86 станет выполняться быстрее, потому что x86 быстрее обращается к выровненным данным.

Другое, что так часто не дает людям жить — это порядок следования байт, прямой (big-endian) или обратный (little-endian). (Кому интересна этимология этих терминов, загляните в английский оригинал «Путешествий Гулливера» Джонатана Свифта :-) — прим. ред.). У процессора x86 возможен только один порядок следования байт, и он обратный. Процессоры MIPS и PPC допускают оба порядка следования байт, т. е. могут работать как с прямым, так и с обратным. Кроме того, процессоры MIPS и PPC являются процессорами типа RISC (с сокращенным набором команд), что означает, что некоторые операции типа |= в Си (установка бита) могут и не быть атомарными. Это иногда приводит к жутким последствиям! Список вспомогательных функций, которые обеспечивают атомарность выполняемой операции, приведен в файле <atomic.h>.

Существующие версии QNX4 работают только на однопроцессорных системах, в то время как QNX/Neutrino уже на момент публикации первого издания этой книги обеспечивала поддержку SMP по меньшей мере на архитектуре x86. SMP дает значительные преимущества, особенно в многопоточной ОС, но это одновременно и гораздо более серьезный пистолет для простреливания ноги (кто любопытен, поищите в Интернет по ключевой фразе «shoot yourself in the foot» — прим. ред.).

Например, в однопроцессорной машине обработчик прерывания (ISR) может вытеснить поток, но наоборот никогда не бывает. В однопроцессорной машине бывает полезно представить себе, что потоки якобы выполняются одновременно, хотя в действительности это не так.

В блоке SMP поток и обработчик прерывания могут работать одновременно, да и несколько потоков тоже могут работать одновременно. Так что SMP — это не только превосходная рабочая станция, но и неплохое средство тестирования программного обеспечения — если вы сделали какие бы то ни было «плохие» предположения о защите в многопоточной среде, в SMP-системе они однажды обязательно выплывут.

Для иллюстрации того, насколько это верно, один пример. Одна из ошибок в ранней внутренней версии поддержки SMP проявлялась в «окне» длиной в один машинный цикл! То, что для однопроцессорной машины было запрограммировано как атомарная операция «чтение/модификация/запись», в SMP-блоке стало допускать вмешательство в ход операции второго процессора, выполняющего «сравнение/обмен».

Оглавление книги