Real-Time Linux e Real-Time Java: Um novo mundo para programação Java sem delays

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1 Real-Time Linux e Real-Time Java: Um novo mundo para programação Java sem delays Flavio C Buccianti IBM Linux Technology Center

2 Agenda Introdução ao real-time e Enterprise real-time Extensões ao Real-Time Linux pela IBM o patch CONFIG_PREEMPT_RT Real-time Java Conclusão

3 Definições Real-Time Operating Systems (RTOS) são sistemas que propiciam a garantia do tempo entre a ocorrencia de um evento e do código que está esperando esse evento ocorrer, comece a ser executado. Esse tempo é geralmente chamado de latência Diferentes tipos de latência Latência do Scheduler Latencia da Interrupção Hard X Soft Real-time Sistemas com Hard Real-Time tem a maxima latência previsivel (via longest code path analysis) Soft Real-Time: latência de melhor esforço

4 Real-Time Tradicional Geralmente usado em pequenos sistemas embarcados Monoprocessado (Sistemas SMP são muito complexos para o max. code path analysis) Velocidades de CPU restritas Geralmente usados para captura de dados e analise real-time imediata todos querem hard real-time Soft realtime has a (unfair) connotation of not real-time at all What does best efforts mean, anyway? TCP/IP geralmente é muito complexo para o max. code path analysis e por isso os RTOS's geralmente não tem suporte a TCP/IP ou quando tem é através de suporte a TCP for a do real-time subsystem

5 Os tempos mudaram... Os computadores estão mais rápidos O Cray-1 (1976) tinha 160MFLOPs e 8MB de memoria um sistema ambarcado modesto para os padrões de hoje. Não seria capaz de rodar nem o Mozilla ou OpenOffice! Hoje é possível rodar muito mais instruções em somente 10us. As expectativas são maiores do que antes. TCP/IP é obrigatório. Até maquinas embarcadas pequenas precisam de SMP devido a processadores multi-core. Mudanças de requerimentos nos softwares empresariais: alta capacidade processamento não é mais suficiente, são necessárias garantias de latência também! Arquiteturas complexas multi-tier fazem a latencia aumentar

6 O resultado? Um novo tipo de real-time Vamos chama-lo de Enterprise real-time para diferencia-lo das aplicações real-time tradicionais Caracteristicas Suporta grandes sistemas SMP TCP/IP é requerido Capacidade de suportar produtos de middleware existentes. Databases, Web servers Certamente sem as caracteristicas de real-time.. Suportar liguagens de alto nível Tenha o hard real-time à prova de não-determinismo

7 Escala de tempos de latência 10 s STRATEGY PERCEPTION REACTION COGNITION 1 s 100 ms 10 ms TACTICS COORDINATION ACTUATION 1 ms SENSING 100 μs MODULATION 10 μs SIGNALING CUSTOM HARDWARE

8 Extensões ao Real-Time Linux feitas pela IBM Proveem as mais recentes inovações para os early adopters porém com a grantia de estabilização de código e suporte da IBM. O kernel standard da Red Hat ou SuSE sao mais ou menos de 9 a 24 meses mais antigos do que o kernel disponível na árvore de desenvolvimento do kernel.org. Permite que os clientes IBM tenham uma vantagem inovadora sobre seus concorrentes. Conjunto restrito de hardware suportado Utiliza o RHEL4U2 Somente duas interfaces adicionadas ao glibc Permite que o software de terceiros rode sem modificação, desde que este não dependa de modulos de kernel que sejam proprietários.

9 Conteudo das extensões do Real-Time Linux Patches e scripts para atualizar RHEL4U2 32-bit x Linux kernel rt22 CONFIG_PREEMPT_RT patch (Ingo Molnar) 2 novas interfaces adicionadas ao glibc para suportar priority inheritance melhorias nas bibliotecas do PAM para permitir que usuários não-root tenham acesso aos recursos do real-time. acesso direto à memória física requerido para estar em conformidade com o RTSJ bug fixes e patches de estabilização Suporte via IGS Supportline e pelo IBM Linux Technology Center (LTC)

10 Technical Features of CONFIG_PREEMPT_RT High-resolution timers Kernel e userspace priority inheritance Hardware e software interrupt handlers rodam como kernel threads (permitindo o ajuste da prioridade real-time) Interrupt e Scheduler com máxima latência de 20us ( medida)

11 Hardware Suportado Homolagado para sistemas com Opteron (usando a 32-bit OS suporte a 64-bit sendo trabalhado LS-20/21 e325/e326/e326m Intellistation A Pro Sistemas baseados em Intel (ex.:hs-20, Intellistation Z pro) são fácilmente suportados Suporte para sistemas baseados em processador Power são potencialmente disponíveis, sob demanda de clientes.

12 Software Suportado Como o ambiente de userspace é RHEL4U2 com pequenas adições às bibliotecas de C, qualquer produto de software que tenha sido testado/homologado para o RHEL4 U2 e que não dependa de módulos binários do kernel devem rodar sem problemas. Alguns produtos em uso por outros usuários das extensões do Real-Time Linux: Clearcase Tivoli Storage Manager (TSM) Tivoli Enterprise Console (TEC) Agent

13 IBM Real-Time Java Em Agosto de 2006, a IBM anunciou um produto com real-time JVM/SDK (IBM Websphere Real-Time v1.0) que tem como prerequisito uma versão de produção do patch CONFIG_PREEMPT_RT As extensões do Linux Real-Time são distribuidas como patches and scripts que extendem a instalação do RHEL4 32-bit x86. O suporte é dado pelo IGS Supportline com suporte L3 pelo BM Linux Technology Center

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15 Features da JVM real-time RTSJ: Real-Time Specification for Java Metronome: um garbage collector real-time AOT: Ahead of Time compilation

16 RTSJ Real-Time Specification for Java primeira extensão da linguagem Java A arquitetura não define um real-time garbage collector Define NonHeapRealTime threads NHRT threads podem usar somente scoped e immortal memory NHRT threads não podem referenciar Heap memory, porque a parada total em caso de mover objetos Java não é aceitável pelas threads real-time. Qualquer tentativa de referenciar a memória normal a partir the uma thread NHRT causará um uncatchable exception Significa que NHRT não pode usar a maioria das bibliotecas Java a não ser que elas sejam auditadas com cuidado para que não leiam, escrevam ou aloquem objetos no heap. A maioria da bibliotecas Java não são compatíveis com NHRT.

17 Metronome um garbage collector real-time Um garbage collector desenhado por David F. Bacon IBM TJW Research Center para workloads de real-time. Tuning knobs: Max. time slice roubado pelo the GC (ex.: 100us) Max. % of CPU time usado pelo GC (ex.: 30% sobre 1ms) O que fazer se a aplicação gera mais garbage do que o GC pode manusear: Imprimir uma warning message e fazer um stop the world GC Abortar o programa uma vez que as garantias de real-time não conseguem ser sustentadas. Max. heap memory usada pela JVM Aumentado-a pode ajudar se a aplicação tem um perfil de gerar garbage collection em formato burst Nenhuma outra JVM tem essas caracteristicas!

18 Iniciando um programa RT com controle de GC java -Xrealtime -Xgc:targetUtilization=80 nomeprogram

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21 AOT compilação Ahead of Time Reduz a pausa causada pelo compilador JIT Dificil pois o Java tem features da linguagem que requerem o compilador JIT por questões de performance. sx.: subclasses definindo new types podem ser carregadas dinamicamente no tempo de execução. a performance do AOT é uma alternativa entre o codigo interpretado e código totalmente otimizado gerado pelo JIT.

22 Ahead-of-time (AOT) compilation allows you to compile Java classes before you execute your code. AOT compilation avoids the problem of the JIT compiler not compiling code before it is required for execution on a sensitive performance path. You can perform AOT compilation on your code, and thus reduce the complexity of ensuring that your code is compiled at runtime through some form of warmup. Note: AOT-generated code does not perform as well as JIT-generated code, although it usually performs better than interpreted code. Just-in-time compilation does not cause non-deterministic delays in real-time code. The JIT compiler runs as a high-priority SCHED_OTHER thread, running above the priority of standard Java threads, but running below the priority of real-time threads. High priority work is not preempted by the JIT compiler, as a result, important real-time work is done on time. However, real-time code could end up running interpreted code because the JIT has not had time to compile the hot methods that have queued up.

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24 You can control when and how the JIT compiler operates using the java.lang.compiler class that is provided as part of the standard SDK class library. IBM fully supports the Compile.compileClass(), Compiler.enable() and Compiler.disable() methods. For example, if you want to warm-up your application and know that the key

25 There are four basic types of memory areas: Heap memory is the traditional heap but is managed by the Metronome Garbage Collector. Scoped memory that applications must specifically request and can be used only by real-time threads. Immortal memory is used by class loading and static initialization even if the application makes no explicit use of it. It represents an area of memory containing objects that can be referenced without exception or garbage collection delay by any schedulable object, specifically including no-heap realtime threads and no-heap asynchronous event handlers. Physical memory allows objects to be created within specific physical memory regions that have particular important characteristics, such as memory that has substantially faster access. In general, they are little used and should not affect the standard JVM user at all.

26 Scoped memory The RTSJ introduces the concept of scoped memory. It can be used by objects that have a well-defined lifetime. A scope may be entered explicitly, or it can be attached to a schedulable object (a real-time thread or an asynchronous event handler) that effectively enters the scope before it executes the object s run() method. Each scope has a reference count and when this reaches zero the objects that are resident in that scope can be closed (finalized) and the memory associated with that scope is released. Reuse of the scope is blocked until finalization is complete. -Xgc:scopedMemoryMaximumSize (default 8 MB)

27 Immortal memory ImmortalMemory is a memory resource shared among all schedulable objects and threads in an application. Objects allocated in Immortal memory are always available to non-heap threads and asynchronous event handlers and are not subject to delays caused by garbage collection. Objects are freed by the system when the program terminates. -Xgc:immortalMemorySize=20m sets 20 MB

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29 Sem Metronome e AOT 10 s RealTimeThread com Heap 1 s 100 ms NoHeapRealTimeThread com Scopes 10 ms 1 ms 100 μs 10 μs

30 Com Metronome e AOT 10 s 1 s RealTimeThread com Heap 100 ms 10 ms 1 ms NoHeapRealTimeThread com Scopes 100 μs 10 μs

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32 Porque Real-time Java? Para fornecedores dos orgãos de defesa e militares dos EUA, o Java é o novo ADA Por alguma razão, é difícil de encontrar programadores ADA... Sistemas de defesa precisam de real-time estão cada vez mais integrados uns com os outros e mais complexos. Setor Financeiro Aplicações automatizadas de compra/venda tem necessidade de real-time. Web sites com tempo de resposta grantido Numa qrquitetura muti-tier podem haver requerimentos de tempo de resposta de milisegundos para satisfazer requisito de um page-load abaixo de 1 segundo.

33 Conclusão Enterprise Real-Time: uma nova maneira de pensar real-time Mais poderoso e com mais features do que o tradicional hard real-time Melhor determinismo do que o esperado pelo soft real-time IBM Websphere Real Time v1.0 e Real-Time Linux Extensions são a pimaira implementação do conceito de enterprise realtime Já dsiponível para os lead adopters Metronome e AOT tornam o uso do de programas real-time em Java mais fáceis e mais saborosos.

34 OBRIGADO! OBRIGA DO Flavio C Buccianti LTC Team Leader

35 Priority Inheritance - wiki in real-time computing, priority inheritance is a method for eliminating priority inversion problems. Using this programming method, a process scheduling algorithm will increase the priority of a process to the maximum priority of any process waiting for any resource on which the process has a resource lock. The basic idea of the priority inheritance protocol is that when a job blocks one or more high priority jobs, it ignores its original priority assignment and executes its critical section at the highest priority level of all the jobs it blocks. After executing its critical section, the job returns to its original priority level.

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