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出版者:Addison-Wesley Professional

作者:Bruce Powel Douglass

出品人:

页数:528

译者:

出版时间:2002-10-3

价格:USD 69.99

装帧:Paperback

isbn号码:9780201699562

丛书系列:

图书标签:

• 计算机技术
• 计算机
• 英文版
• 深图有
• Real-Time
• 实时系统
• 设计模式
• 软件架构
• 并发编程
• 分布式系统
• 性能优化
• 可伸缩性
• 事件驱动
• 反应式编程
• 微服务

《实时设计模式：构建响应迅速、稳健可靠的系统》 本书深入探讨了在设计和开发实时系统时，如何应用和理解一系列至关重要的设计模式。这些模式并非凭空捏造，而是从无数实际项目中提炼、验证并持续优化的宝贵经验总结，旨在帮助开发者构建出既能满足严格时间约束，又能保证高度稳定性和可维护性的复杂系统。 核心理念与价值 实时系统，顾名思义，其核心在于对时间做出精确且可预测的响应。无论是航空航天领域的飞行控制、工业自动化中的生产线调度，还是医疗设备中的生命体征监测，甚至金融交易平台中的高频交易，都对系统的响应时间有着不容置疑的要求。一旦系统无法在规定时间内完成任务，轻则影响用户体验，重则可能导致灾难性的后果。 《实时设计模式》正是为了应对这些挑战而生。它不仅仅是罗列各种模式，更重要的是阐释了每种模式背后的设计哲学、适用的场景、潜在的权衡以及如何与其他模式协同工作。本书力求让读者理解，设计模式不仅仅是“代码技巧”，更是关于如何思考、如何组织代码、如何管理资源，以及如何构建一个能够适应变化、易于理解和维护的系统的“思维方式”。 内容概览与章节细分 本书将实时系统设计的挑战分解为若干关键领域，并针对每个领域提供一套精心设计的解决方案： 第一部分：实时系统基础与挑战 在深入探讨具体的设计模式之前，本书首先为读者打下坚实的理论基础。我们将详细阐述实时系统的定义、分类（硬实时、软实时、固件实时等），以及它们在不同行业中的典型应用。在此基础上，我们将剖析实时系统设计中所面临的普遍挑战，包括： 时间约束的严苛性： 如何保证操作在预设时间内完成，以及如何处理超时情况。 并发与并行： 如何高效地管理多个同时执行的任务，避免竞态条件和死锁。 资源管理： 如何公平、高效地分配CPU、内存、I/O等有限资源，防止饥饿和资源滥用。 调度策略： 如何选择和实现合适的任务调度算法，以满足不同的实时性要求。 中断处理： 如何快速、准确地响应外部事件，并将其转化为系统内部的处理。 可预测性与确定性： 如何确保系统的行为在各种条件下都能被准确预测，避免不可控的延迟。 容错性与鲁棒性： 如何设计系统以应对硬件故障、软件错误和意外情况，保持系统的持续运行。 可测试性与可验证性： 如何设计易于测试的系统，并对系统的实时性能进行严格验证。 第二部分：核心并发与同步模式 并发是实时系统的基石，如何安全有效地管理并发是设计的重中之重。本部分将介绍一系列经典的并发与同步设计模式，并深入分析它们在实时系统中的具体应用。 互斥（Mutex）与信号量（Semaphore）： 讲解如何使用这些基本工具来保护共享资源，避免竞态条件，并讨论它们的适用场景和潜在的性能开销。 生产者-消费者模式（Producer-Consumer）： 演示如何设计解耦的生产者和消费者组件，通过有界缓冲区（Bounded Buffer）实现高效的数据流，并探讨在实时场景下对缓冲区的容量进行精细控制的重要性。 读写锁（Read-Write Lock）： 介绍如何区分读操作和写操作，以提高并发访问的效率，尤其是在读多写少的场景下。 事件标志（Event Flags）与条件变量（Condition Variables）： 讲解如何实现线程间的通信和同步，让一个线程等待特定事件的发生，或满足特定条件。 消息队列（Message Queue）： 探讨如何使用消息队列实现进程间或线程间的异步通信，以及如何利用消息队列的缓冲能力来应对突发流量。 线程池（Thread Pool）： 介绍如何通过预先创建和管理一组工作线程，来减少线程创建和销毁的开销，提高系统响应速度和资源利用率。 任务同步（Task Synchronization）的细粒度控制： 深入探讨如何在实时系统中实现精确的任务同步，避免不必要的阻塞和延迟，以及如何选择最优的同步机制。 第三部分：实时调度与优先级管理模式 在具有硬实时要求的系统中，任务的调度和优先级管理是确保系统正常运行的关键。本部分将聚焦于这些核心技术。 固定优先级调度（Fixed-Priority Scheduling）： 深入分析 Rate Monotonic Scheduling (RMS) 和 Deadline Monotonic Scheduling (DMS) 等固定优先级调度算法的原理、优缺点以及在实际系统中的应用。 动态优先级调度（Dynamic-Priority Scheduling）： 介绍 Earliest Deadline First (EDF) 等动态优先级调度算法，并探讨其在满足更严格实时性要求方面的优势。 优先级继承（Priority Inheritance）与优先级天花板（Priority Ceiling）： 详细讲解这两种解决优先级反转（Priority Inversion）问题的关键机制，并通过实例说明如何在复杂并发场景下有效避免优先级反转。 周期性任务（Periodic Tasks）与偶发性任务（Sporadic Tasks）的管理： 介绍如何有效地为不同类型的任务分配资源和调度时间，以确保所有任务都能按时完成。 调度器接口（Scheduler Interface）的抽象： 探讨如何通过抽象调度器，使得应用逻辑与具体的调度算法解耦，从而提高系统的灵活性和可移植性。 第四部分：状态管理与流程控制模式 实时系统的行为往往是状态驱动的，如何有效地管理系统状态和控制流程是保证系统稳定性的关键。 有限状态机（Finite State Machine - FSM）： 讲解如何使用 FSM 来建模系统的行为，以及如何实现状态转换，并讨论在实时系统中高效实现 FSM 的策略。 状态模式（State Pattern）： 介绍如何将与状态相关的行为封装在不同的类中，从而实现状态的动态切换和代码的清晰组织。 命令模式（Command Pattern）： 演示如何将请求封装成对象，从而实现请求的参数化、排队、撤销以及日志记录，尤其适用于实时命令执行和回放。 策略模式（Strategy Pattern）： 讲解如何定义一系列算法，将它们封装起来，并使它们可以互相替换，从而为实时系统提供灵活的算法选择。 事件驱动架构（Event-Driven Architecture - EDA）： 探讨如何构建高度解耦的事件驱动系统，其中组件通过发布和订阅事件进行通信，以及如何确保事件处理的实时性和可靠性。 状态机与EDA的结合： 分析如何将 FSM 的精确状态控制能力与 EDA 的解耦通信能力结合起来，构建更强大、更灵活的实时系统。 第五部分：资源管理与性能优化模式 实时系统对资源的消耗和性能要求极高，本部分将聚焦于优化资源利用和提升系统性能。 内存管理模式： 对象池（Object Pool）： 介绍如何通过预先分配和复用对象来避免频繁的内存分配和释放，从而减少内存碎片和提高分配速度。 固定大小内存分配器（Fixed-Size Memory Allocator）： 讨论如何为特定大小的对象提供高效的内存分配服务。 内存碎片化（Memory Fragmentation）的规避与管理： 深入分析内存碎片产生的原因，并介绍相应的策略来最小化其影响。 I/O优化模式： 异步I/O（Asynchronous I/O）： 讲解如何避免 I/O 操作阻塞主线程，提高系统的吞吐量和响应能力。 缓冲I/O（Buffered I/O）： 介绍如何通过缓冲区减少对底层 I/O 设备的频繁访问，提高 I/O 效率。 I/O多路复用（I/O Multiplexing）： 演示如何使用 select, poll, epoll 等机制同时监控多个 I/O 事件，提高资源利用率。 延迟优化： 缓存（Caching）： 讨论如何利用缓存来存储常用数据，减少访问延迟。 延迟执行（Deferred Execution）： 介绍如何将一些非紧急的操作推迟执行，以保证关键任务的及时响应。 性能剖析与优化（Performance Profiling and Optimization）： 强调使用性能分析工具来识别瓶颈，并针对性地进行优化。 第六部分：容错与健壮性设计模式 实时系统的可靠性至关重要，本部分将探讨如何构建能够抵御故障并保持稳定运行的系统。 看门狗（Watchdog）： 介绍如何使用看门狗定时器来监控系统运行状态，并在系统异常时触发复位或故障恢复机制。 重试机制（Retry Mechanism）： 讲解如何为可能失败的操作设计重试逻辑，并探讨重试次数、间隔和退避策略。 熔断器（Circuit Breaker）： 介绍如何使用熔断器模式来防止级联故障，当服务不可用时，自动停止对该服务的请求。 降级处理（Degradation）： 探讨在系统资源不足或发生故障时，如何降低服务级别以保证核心功能的可用性。 心跳机制（Heartbeat）： 演示如何使用心跳信号来检测远程组件的存活状态，并及时作出响应。 冗余与备份（Redundancy and Backup）： 讨论如何通过冗余设计来提高系统的可用性和容错能力。 故障隔离（Fault Isolation）： 讲解如何设计系统以限制故障的影响范围，防止单点故障导致整个系统崩溃。 第七部分：实时系统中的特定模式与最佳实践 本部分将涵盖一些更高级、更专业的实时系统设计模式，以及在实际开发中需要注意的最佳实践。 实时数据流处理模式： 关注如何高效地处理连续不断的数据流，并及时作出响应。 分布式实时系统中的挑战与模式： 探讨在分布式环境中设计实时系统时面临的挑战，以及相应的解决方案。 模型预测控制（Model Predictive Control - MPC）的基础模式： 介绍 MPC 在工业控制等领域中的应用。 硬实时操作系统（RTOS）的接口与模式： 探讨如何与 RTOS 进行高效交互，并利用其提供的服务。 验证与测试技术： 强调形式化验证、基于模型的测试等在确保实时系统正确性方面的重要性。 代码质量与可维护性： 讨论如何通过良好的编码规范、文档和代码评审来提高实时系统的可维护性。 本书的读者对象 本书适合于所有致力于构建高质量实时系统的软件工程师、系统架构师、嵌入式系统开发者以及对实时系统设计感兴趣的研究人员。无论您是初学者还是经验丰富的专家，都将从本书中获得宝贵的知识和实用的技巧。 学习方法与收获 《实时设计模式》不仅仅是一本理论书籍，更是一本实践指南。书中提供了大量的代码示例、伪代码和详细的场景分析，帮助读者将理论知识转化为实际应用。通过学习本书，您将能够： 深刻理解实时系统的本质和挑战。 掌握多种经过验证的、可复用的设计模式。 学会如何根据具体需求选择和组合最优的设计模式。 提高系统的性能、可靠性和可维护性。 构建出满足严苛时间约束和高可用性要求的复杂实时系统。 提升解决复杂实时系统设计难题的能力。 踏上这本书的旅程，您将开启一段通往更卓越、更可靠的实时系统设计之路。

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