Java能扮演嵌入式應(yīng)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(jì)師看來，其性能并不能令人滿意。運(yùn)行Java虛擬機(jī)(JVM)解釋Java字節(jié)碼，這種方式對大多數(shù)嵌入式應(yīng)用來說占用空間過多，運(yùn)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(jì)師來說，Java有許多優(yōu)點(diǎn)。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(yán)重問題。Java運(yùn)行時(shí)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(yùn)行時(shí)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(yīng)用面臨Java沒有處理好的兩大約束：沒有足夠的空間和時(shí)間。

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

　　一、為什么會(huì)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(diǎn)是減少了系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)，增強(qiáng)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(hù)性

　　在項(xiàng)目的整個(gè)生命周期中，Java環(huán)境大大的簡化了開發(fā)和維護(hù)。由于目標(biāo)環(huán)境是建立在一個(gè)虛擬機(jī)上，代碼可以很容易的編寫、調(diào)試、分析、更改、維護(hù)。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(fù)雜很多。升級手冊也許不會(huì)在整個(gè)項(xiàng)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(yuǎn)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(shí)解決了在產(chǎn)品生產(chǎn)后軟件升級和維護(hù)的問題。

　　2. 重復(fù)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(shí)每一個(gè)新的項(xiàng)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(gè)產(chǎn)品的模塊甚至是全部的應(yīng)用程序用到另一個(gè)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(gè)模塊可以只要做很少的工作就可以適應(yīng)多個(gè)項(xiàng)目和平臺(tái)。甚至包括有時(shí)客戶需要一個(gè)新的目標(biāo)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(jìn)行移植。

　　3. 集成Java代碼和源代碼

　　使用源代碼明顯是指應(yīng)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(yīng)用中，一個(gè)設(shè)計(jì)很好的界面，或者虛擬機(jī)，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(biāo)準(zhǔn)的通信、接口模塊、用戶界面、安全特性會(huì)花費(fèi)很多時(shí)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(huì)有影響嗎?

　　在使用JavaME CLDC進(jìn)行移動(dòng)電話開發(fā)時(shí)，人們經(jīng)常會(huì)碰到碎片這個(gè)詞。Java強(qiáng)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(dǎo)致應(yīng)用開發(fā)人員不得不在許多不同的設(shè)備進(jìn)行應(yīng)用程序的測試，甚至于不得不在應(yīng)用程序中對某些特殊的設(shè)備進(jìn)行一步客戶化的工作。

　　對程序開發(fā)人員來說，碎片真是個(gè)惡夢，因?yàn)樗槠桨谉o故的增添了代碼量和測試工作量。當(dāng)然，對移動(dòng)電話持有者來說也不是什么好事，因?yàn)樗槠牧嗽O(shè)備的空間。不管怎么說，碎片對每個(gè)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(dòng)電話行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)本來給不同的產(chǎn)品預(yù)留了一定的自由空間，這初衷是好的。但事實(shí)上，這種預(yù)留的空間，卻導(dǎo)致了不同產(chǎn)品之間的沖突，不能進(jìn)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(jìn)而升級到了Java實(shí)現(xiàn)的程序里。這正是Java想花大力氣創(chuàng)建一個(gè)統(tǒng)一Java實(shí)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(shí)碎片并不會(huì)影響到嵌入式開發(fā)人員，因?yàn)橐呀?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(jìn)行代碼的重用。

　　三、 Java平臺(tái)的測試

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

　　當(dāng)然，采用Java來開發(fā)的話，可以對軟件進(jìn)行多次的重復(fù)測試，盡管這不一定是必需的。而完全需要進(jìn)行重復(fù)測試的只是那些新加的Java實(shí)現(xiàn)。如果是Java平臺(tái)的合法用戶的話，還可以使用Sun提供的TCK來進(jìn)行程序兼容性的檢測。如果付費(fèi)的話，還有很多壓力測試可供選擇。只要能保證Java平臺(tái)的正常運(yùn)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(dāng)然，在此有必須有提醒一下只測試Java實(shí)現(xiàn)端口的開發(fā)人員。因?yàn)橛幸恍┒丝诘膶?shí)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(gè)程序進(jìn)行測試以達(dá)到這一目的。

　　1. 測試工具包

　　通過采用Java來進(jìn)行編程，可以確保平臺(tái)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(shí)，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(shí)，問題已經(jīng)擴(kuò)散得超出控制范圍了。而對于Java平臺(tái)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(tái)時(shí)，其測試時(shí)間有可能跟使用C/C++來開發(fā)整個(gè)程序的時(shí)間差不多。但結(jié)果大大不同，使用Java平臺(tái)時(shí)，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(tái)時(shí)，可以使用Sun的TCK來確保程序?qū)π略O(shè)備的適用性，同時(shí)，還可以得到Java的其它測試包，不過是收費(fèi)的。然而使用C/C++時(shí)，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(yīng)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?yàn)椴僮飨到y(tǒng)供應(yīng)商通過沒有測試它。除非所使用的設(shè)備是標(biāo)準(zhǔn)的硬件，沒有進(jìn)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(jìn)行單獨(dú)的測試。相樣，采用Java平臺(tái)時(shí)，這又是怎么的結(jié)果呢?可喜的是，由于Java平臺(tái)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(tái)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(tái)進(jìn)行嵌入式設(shè)備開發(fā)時(shí)，其對內(nèi)在的使用量，會(huì)不會(huì)比使用原始語言如C/C++更大些呢?這取決于軟件的復(fù)雜性。Java由于虛擬機(jī)和內(nèi)庫的原因，有可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存開銷的增大。下面比較一下Java平臺(tái)內(nèi)存的占用情況(基于Sun的實(shí)現(xiàn))：

　　CLDC(Connected Limited Device Configuration，運(yùn)算功能有限、電力有限的嵌入式裝置，如PDA 、手機(jī)等)：可工作于100K(RAM)，JIT(Just In Time,即時(shí)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(yùn)算能力相對較佳、并請?jiān)陔娏?yīng)上相對比較充足的嵌入式裝置，如冷氣機(jī)、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(dāng)然，內(nèi)存的占用量還取決于應(yīng)用的大小及內(nèi)在的使用情況。可以看出，其實(shí)Java平臺(tái)不會(huì)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(shí)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(gè)7-8倍的ARM指令集。由于，可以估計(jì)：

　　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(dāng)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(huì)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(shí)，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(jī))，默認(rèn)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(dǎo)致內(nèi)存占用的增加。相反，使用C/C++編寫的程序，整個(gè)代碼都需要進(jìn)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(huì)比使用C/C++編寫的程序大。這決定于軟件相對于平臺(tái)代碼的復(fù)雜度及大小。如果軟件規(guī)模比較大，Java平臺(tái)所消耗的內(nèi)存遠(yuǎn)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(tái)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(tái)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(jì)企圖是想用于控制消費(fèi)性電子產(chǎn)品，本為嵌入式設(shè)備而設(shè)計(jì)，但隨著因特網(wǎng)的興起，Java在臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器端的應(yīng)用開發(fā)中取得了巨大的成功。Java在應(yīng)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(yīng)用開發(fā)中是至關(guān)重要的，這使得Java重返嵌入式應(yīng)用開發(fā)領(lǐng)域成為必然。STK Java卡和J2ME的成功應(yīng)用昭示著Java在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)中的美好前景。