由于多核架構(gòu)的復(fù)雜性、并行性，并發(fā)性挑戰(zhàn)更加復(fù)雜。新的驗證技術(shù)可以幫助捕捉騙局。。.

多核處理器改變了游戲規(guī)則。我們只需要看看我們的智能手機(jī)就能看到它們卓越的處理能力的影響。在多核之前，處理器性能每年翻一番。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，芯片上的晶體管數(shù)量從 1990 年的 100 萬個增加到今天的 10 億個以上。隨著小型化的極限越來越近，業(yè)界轉(zhuǎn)向多核設(shè)計以保持性能改進(jìn)的步伐，因此現(xiàn)在四核處理器已司空見慣。通過并行處理器內(nèi)核倍增處理能力的能力可實現(xiàn)非凡的性能。

并發(fā)不是一個新話題，但它在多核平臺中呈現(xiàn)出一個新的維度。軟件開發(fā)人員已經(jīng)習(xí)慣于從單個處理器內(nèi)的任務(wù)調(diào)度和上下文切換的角度來考慮并發(fā)性。然而，對于多個處理器內(nèi)核，真正的并行性開始發(fā)揮作用：每個線程中的指令流在每個內(nèi)核上并行執(zhí)行。線程之間的通信通常使用共享內(nèi)存來實現(xiàn)，并且對共享資源的訪問同步通常是復(fù)雜性的最大來源，如果操作不正確，則是導(dǎo)致錯誤的主要原因。

編寫一個正確的并發(fā)程序是出了名的困難，而多核架構(gòu)使它變得更加困難。由于增加了復(fù)雜性，多核平臺加劇了并發(fā)錯誤的影響，使它們特別有害。這些錯誤，包括競爭條件、死鎖、活鎖和資源匱乏，當(dāng)它們出現(xiàn)時很難發(fā)現(xiàn)，甚至更難以診斷。在單處理器上無錯誤運行的程序可能會出現(xiàn)潛在錯誤，例如多核系統(tǒng)上的死鎖。并發(fā)錯誤可能會出現(xiàn)異常癥狀，這些癥狀在觸發(fā)它們的初始事件很久之后就會出現(xiàn)，并且通常難以重現(xiàn)。因為在測試過程中很難找到這樣的錯誤，多核系統(tǒng)需要一種新的驗證方法，專門解決并發(fā)錯誤。到目前為止，降低這些錯誤風(fēng)險的最有效方法是采用多方面的方法，包括同行代碼審查、測試，最重要的是，高級靜態(tài)分析結(jié)合了復(fù)雜的并發(fā)模型。

編程語言支持

釋放多核系統(tǒng)的全部性能潛力需要先進(jìn)的編程技術(shù)。由于大多數(shù)嵌入式開發(fā)人員對多核編程比較陌生，因此引入并發(fā)錯誤的風(fēng)險非常大。今天，C 和 C++ 仍然是嵌入式系統(tǒng)最流行的編程語言。然而，這些語言的根本弱點之一是它們不是為并發(fā)而設(shè)計的。最新版本 C11 和 C++11 引入了對多線程的標(biāo)準(zhǔn)化支持。添加了三個特性來解決并發(fā)問題：定義多線程程序行為的內(nèi)存模型；可以被并發(fā)線程安全訪問的原子數(shù)據(jù)類型；以及幾個同步原語，例如鎖和條件變量。盡管有這些改進(jìn)，

與此同時，Java 越來越受到嵌入式開發(fā)人員的歡迎，如今有 28% 的人使用它，它現(xiàn)在是嵌入式系統(tǒng)第三流行的語言。與 C 和 C++ 相比，Java 始終在編程語言語法、源編譯器和標(biāo)準(zhǔn)庫中內(nèi)置了對多線程的支持。此外，Java 5 添加了 java.util.concurrent 庫，該庫在 Java 6 和 Java 7 中進(jìn)行了擴(kuò)展，為并發(fā)和并行編程提供了廣泛的支持。

許多嵌入式設(shè)計使用 C 或 C++ 和 Java 的組合。例如，Java 在汽車應(yīng)用程序中非常流行，因為它為觸摸屏顯示器或娛樂系統(tǒng)的用戶界面編程提供了一種簡單的方法。此類應(yīng)用程序可能有許多層，其中包含用 C 編寫的安全關(guān)鍵代碼，與運行在用戶界面上的非安全關(guān)鍵 Java 代碼進(jìn)行通信。

靜態(tài)分析工具

多核平臺并發(fā)程序的最大挑戰(zhàn)可能是無法保證能找到所有并發(fā)錯誤。實時執(zhí)行指令的相對順序是多線程程序中缺陷的主要來源。當(dāng)多個線程運行時，它們的指令執(zhí)行的相對順序取決于同時處于活動狀態(tài)的其他線程。如果錯誤是通過編程錯誤引入的，非確定性交錯可能會導(dǎo)致不可預(yù)知的結(jié)果。隨著指令數(shù)量的增加，可能的交錯數(shù)量會大大增加，這種現(xiàn)象稱為組合爆炸。即使是最小的線程也有許多可能的交錯。現(xiàn)實世界的并發(fā)程序具有天文數(shù)字的合法交錯，所以測試每一個交織是不可行的。同樣，不可能使用同行代碼審查或演練來探索每條潛在的執(zhí)行路徑。這是高級靜態(tài)分析工具擅長的地方。

高級靜態(tài)分析工具使用符號執(zhí)行引擎來識別程序中的潛在問題，而無需實際運行程序。它們的工作方式與編譯器非常相似，將源代碼作為輸入，然后對其進(jìn)行解析并將其轉(zhuǎn)換為中間表示 （IR）。編譯器會使用 IR 來生成目標(biāo)代碼，而靜態(tài)分析工具會保留 IR，也稱為模型。檢查器通過遍歷或查詢模型，對代碼進(jìn)行分析以查找常見缺陷、違反策略等，尋找指示缺陷的特定屬性或模式。復(fù)雜的符號執(zhí)行技術(shù)通過控制流圖探索路徑，控制流圖是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，表示語句在程序中執(zhí)行的順序。算法跟蹤程序的抽象狀態(tài)，并知道如何使用該狀態(tài)來排除對不可行路徑的考慮。模型的深度決定了工具的有效性。該深度基于內(nèi)置了多少程序行為知識，一次可以考慮多少程序，以及它反映實際程序行為的準(zhǔn)確程度。

許多開發(fā)人員利用流行的開源工具來查找 Java 中的錯誤，包括 FindBugs、PMD 和 CheckStyle。其中最廣泛使用的 FindBugs 使用靜態(tài)分析來識別 Java 程序中數(shù)百種不同類型的潛在錯誤。FindBugs 對 Java 字節(jié)碼（Java 虛擬機(jī)執(zhí)行的指令形式）進(jìn)行操作。PMD 和 CheckStyle 檢查源代碼是否符合編碼標(biāo)準(zhǔn)并檢測不良做法。

這些工具中的每一個都有其優(yōu)勢。一般來說，靜態(tài)分析工具的一個重要優(yōu)勢是它們可以在開發(fā)早期使用，甚至在測試開始之前就可以發(fā)現(xiàn)錯誤?？捎糜?Java 的大多數(shù)靜態(tài)分析工具都是通用的，可以捕獲一系列表面問題。

與這些開源工具相比，有一些商業(yè)產(chǎn)品專門用于非常精確地識別 Java、C 或 C++ 中的并發(fā)問題。這些工具包含非常深的模型，使他們能夠發(fā)現(xiàn)其他工具經(jīng)常遺漏的并發(fā)問題。這些高級靜態(tài)分析工具中的一些最有效的工具是基于對軟件并發(fā)行為的前沿學(xué)術(shù)研究。它們通過整個程序過程間分析提供 C 和 C++ 源代碼的高級靜態(tài)分析，通?？梢蕴幚矶噙_(dá) 1000 萬行代碼的程序。除了查找競爭條件和死鎖之外，Java 的一種商業(yè)工具還可以識別由于錯誤使用 java.util.concurrent 提供的并發(fā)集合庫而導(dǎo)致的不可預(yù)測的結(jié)果。在協(xié)調(diào)對共享的非并發(fā)集合的訪問時，它會檢測到錯誤的錯誤處理或不正確的同步。此外，它還可以幫助診斷由錯誤的 API 使用、冗余同步和不必要地使用共享可變狀態(tài)引起的性能瓶頸。

由于許多項目將包括 Java 和 C 或 C++，因此團(tuán)隊會發(fā)現(xiàn)在集成開發(fā)環(huán)境 （IDE） 中使用工具更容易、更高效。有一些工具套件可用于嵌入式和托管平臺。商業(yè)版本為程序分析、程序檢查、程序理解和架構(gòu)可視化提供自動化工作流程和強(qiáng)大工具。使用帶有目標(biāo)高級靜態(tài)分析工具的 IDE 使開發(fā)人員能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有并發(fā)代碼的基本設(shè)計意圖，并識別新代碼何時偏離該設(shè)計。它在首次引入新的并發(fā)缺陷時提供預(yù)警，并使用尖端技術(shù)幫助開發(fā)人員識別和理解它們。

有效的多核系統(tǒng)設(shè)計

為多核平臺開發(fā)嵌入式應(yīng)用程序需要一種新方法。需要先進(jìn)的編程技術(shù)來利用并行處理內(nèi)核?？绮⑿刑幚砥鞯某绦蚓€程交錯創(chuàng)建了天文數(shù)字的潛在執(zhí)行路徑。這使得不可能測試或?qū)彶槊恳粋€可能的場景。靜態(tài)分析提供了唯一可行的方法來探索高度并發(fā)系統(tǒng)中軟件錯誤的所有可能代碼路徑。當(dāng)與其他代碼質(zhì)量實踐（例如代碼審查和集成測試）結(jié)合使用時，高級靜態(tài)分析工具可以顯著降低由于未發(fā)現(xiàn)的并發(fā)錯誤而導(dǎo)致的現(xiàn)場故障風(fēng)險。

審核編輯：郭婷