嵌入式中重要的編程模型

嵌入式大雜燴

背景模型是對事物共性的抽象，編程模型就是對編程的共性的抽象。

什么是編程的共性呢？
最重要的共性就是：程序設(shè)計時，代碼的抽象方式、組織方式或復(fù)用方式。編程模型主要是方法與思想。編程模型處于方法或思想性的層面，在很多情況下，也可稱為編程方法、編程方式、編程模式或編程技術(shù)、編程范式。在這里就當做同一種說法。
當面對一個新問題時，通常的想法是通過分析，不斷的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)換，得到本質(zhì)相同的熟悉的、或抽象的、簡單的一個問題，這就是化歸思想。把初始的問題或?qū)ο蠓Q為原型，把化歸后的相對定型的模擬化或理想化的對象稱為模型。編程模型，簡單地可以理解它就是模板，遇到相似問題就可以方便依模板解決,這樣就簡化了編程問題。不同的編程環(huán)境和不同的應(yīng)用對象有不同的編程模型。


事件驅(qū)動

來源于《Software Architecture Patterns》

事件驅(qū)動架構(gòu)（Event-Driven Architecture）是一種用于設(shè)計應(yīng)用的軟件架構(gòu)和模型，程序的執(zhí)行流由外部事件來決定，它的特點是包含一個事件循環(huán)，當外部事件發(fā)生時使用回調(diào)機制來觸發(fā)相應(yīng)的處理。主要包括 4 個基本組件：
事件隊列（event queue）：接收事件的入口，存儲待處理事件
分發(fā)器（event mediator）：將不同的事件分發(fā)到不同的業(yè)務(wù)邏輯單元
事件通道（event channel）：分發(fā)器與處理器之間的聯(lián)系渠道
事件處理器（event processor）：實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯，處理完成后會發(fā)出事件，觸發(fā)下一步操作

為什么采用事件驅(qū)動模型?
事件驅(qū)動模型也就是我們常說的觀察者，或者發(fā)布-訂閱模型；

理解它的幾個關(guān)鍵點：
首先是一種對象間的一對多的關(guān)系；最簡單的如交通信號燈，信號燈是目標（一方），行人注視著信號燈（多方）；
當目標發(fā)送改變（發(fā)布），觀察者（訂閱者）就可以接收到改變；
觀察者如何處理（如行人如何走，是快走/慢走/不走，目標不會管的），目標無需干涉；所以就松散耦合了它們之間的關(guān)系。
許多現(xiàn)代應(yīng)用設(shè)計都是由事件驅(qū)動的，事件驅(qū)動應(yīng)用可以用任何一種編程語言來創(chuàng)建，因為事件驅(qū)動本身是一種編程方法，而不是一種編程語言。
松耦合——服務(wù)不需要(也不應(yīng)該)知道或依賴于其他服務(wù)。在使用事件時，服務(wù)獨立運行，不了解其他服務(wù)，包括其實現(xiàn)細節(jié)和傳輸協(xié)議。事件模型下的服務(wù)可以獨立地、更容易地更新、測試和部署。
易擴展——通過高度獨立和解耦的事件處理器自然地實現(xiàn)了可擴展性。每個事件處理器都可以單獨擴展，從而實現(xiàn)細粒度的可擴展性。
恢復(fù)支持——帶有隊列的事件驅(qū)動架構(gòu)可以通過“重播”過去的事件來恢復(fù)丟失的工作。當用戶需要恢復(fù)時，這對于防止數(shù)據(jù)丟失非常有用。

事件驅(qū)動架構(gòu)可以最大程度減少耦合度，因此是現(xiàn)代化分布式應(yīng)用架構(gòu)的理想之選。

深入理解事件驅(qū)動
1.異步處理和主動輪訓(xùn)，要理解事件驅(qū)動和程序，就需要與非事件驅(qū)動的程序進行比較。實際上，現(xiàn)代的程序大多是事件驅(qū)動的，比如多線程的程序，肯定是事件驅(qū)動的。早期則存在許多非事件驅(qū)動的程序，這樣的程序，在需要等待某個條件觸發(fā)時，會不斷地檢查這個條件，直到條件滿足，這是很浪費cpu時間的。而事件驅(qū)動的程序，則有機會釋放cpu從而進入睡眠態(tài)（注意是有機會，當然程序也可自行決定不釋放cpu），當事件觸發(fā)時被操作系統(tǒng)喚醒，這樣就能更加有效地使用cpu。
2.IO模型，事件驅(qū)動框架一般是采用Reactor模式或者Proactor模式的IO模型。
Reactor模式其中非常重要的一環(huán)就是調(diào)用函數(shù)來完成數(shù)據(jù)拷貝，這部分是應(yīng)用程序自己完成的，內(nèi)核只負責(zé)通知監(jiān)控的事件到來了，所以本質(zhì)上Reactor模式屬于非阻塞同步IO。


來自：深入理解Linux高性能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的那些事

Proactor模式，借助于系統(tǒng)本身的異步IO特性，由操作系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)拷貝，在完成之后來通知應(yīng)用程序來取就可以，效率更高一些，但是底層需要借助于內(nèi)核的異步IO機制來實現(xiàn)，可能借助于DMA和Zero-Copy技術(shù)來實現(xiàn)，理論上性能更高。

當前Windows系統(tǒng)通過IOCP實現(xiàn)了真正的異步I/O，而在Linux 系統(tǒng)的異步I/O還不完善，比如Linux中的boost.asio模塊就是異步IO的支持，但是目前Linux系統(tǒng)還是以基于Reactor模式的非阻塞同步IO為主。

3.事件隊列，事件驅(qū)動的程序必定會直接或者間接擁有一個事件隊列，用于存儲未能及時處理的事件，這個事件隊列，可以采用消息隊列。
4.事件串聯(lián)，事件驅(qū)動的程序的行為，完全受外部輸入的事件控制，所以事件驅(qū)動框架中，存在大量處理程序邏輯，可以通過事件把各個處理流程關(guān)聯(lián)起來。
5.順序性和原子化，事件驅(qū)動的程序可以按照一定的順序處理隊列中的事件，而這個順序則是由事件的觸發(fā)順序決定的，這一特性往往被用于保證某些過程的順序性和原子化。

事件驅(qū)動的缺點
事件驅(qū)動架構(gòu)，就是通過引入中間層 來實現(xiàn)事件發(fā)布-訂閱機制進行組件解耦，看似能帶來不少誘人的優(yōu)點，也必然會增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，間接增加開發(fā)難度和維護難度。
事件驅(qū)動架構(gòu)改變了編程思維，將完整的功能過程，拆解為了不同的異步事件處理，也喪失了連貫的流程處理能力。如果事件數(shù)量眾多，就容易在“事件叢林”中迷了路，比如中斷風(fēng)暴，驚群效應(yīng)等。

常用的事件驅(qū)動框架selectpollepolllibev
中斷系統(tǒng)

消息驅(qū)動


消息驅(qū)動和事件驅(qū)動很類似，都是先有一個事件，然后產(chǎn)生一個相應(yīng)的消息，再把消息放入消息隊列，由需要的項目獲取。他們只是一些細微區(qū)別，一般都采用相同框架，細微的區(qū)別：

消息驅(qū)動：生產(chǎn)者A發(fā)送一個消息到消息隊列，消費者B收到該消息。生產(chǎn)者A很明確這個消息是發(fā)給消費者B的。通常是P2P模式。
事件驅(qū)動：生產(chǎn)者A發(fā)出一個事件，消費者B或者消費者C收到這個事件，或者沒人收到這個事件，生產(chǎn)者A只會產(chǎn)生一個事件，不關(guān)心誰會處理這個事件 ，通常是發(fā)布-訂閱模型。
現(xiàn)代軟件系統(tǒng)是跨多個端點運行并通過大型網(wǎng)絡(luò)連接的分布式系統(tǒng)。例如，考慮一位航空公司客戶通過 Web 瀏覽器購買機票。該訂單可能會通過API，然后通過一系列返回結(jié)果的過程。這些來回通信的一個術(shù)語是消息傳遞。在消息驅(qū)動架構(gòu)中，這些 API 調(diào)用看起來非常像一個函數(shù)調(diào)用：API 知道它在調(diào)用什么，期待某個結(jié)果并等待該結(jié)果。

消息驅(qū)動的優(yōu)點

開發(fā)難度低：消息驅(qū)動類似經(jīng)典的編程模型，調(diào)用一個函數(shù)，等待一個結(jié)果，對結(jié)果做一些事情，編程簡單快速，開發(fā)難度低。

方便調(diào)試維護：因為編程邏輯清晰簡單，流程清晰，調(diào)試起來更加直接方便，后期維護也容易。

常用的消息驅(qū)動框架API網(wǎng)關(guān)gRPC微服務(wù)架構(gòu)
事件驅(qū)動vs消息驅(qū)動
消息驅(qū)動的方法與事件驅(qū)動的方法一樣有很多優(yōu)點和缺點，但每種方法都有自己最適合的情況。
消息感覺很像經(jīng)典的編程模型：調(diào)用一個函數(shù)，等待一個結(jié)果，對結(jié)果做一些事情。除了為大多數(shù)程序員所熟悉之外，這種結(jié)構(gòu)還可以使調(diào)試更加直接。另一個優(yōu)點是消息“阻塞”，這意味著呼叫和響應(yīng)的各個單元坐下來等待輪到接收者進行處理。
事件驅(qū)動系統(tǒng)使單個事件易于隔離測試。然而，這種與整個應(yīng)用系統(tǒng)的分離也抑制了這些單元報告錯誤、重試調(diào)用程序甚至只是向用戶確認進程已完成的能力。換句話說：當事件驅(qū)動系統(tǒng)中發(fā)生錯誤時，很難追蹤到底是哪里出了問題�？捎^察性工具正在應(yīng)對調(diào)試復(fù)雜事件鏈的挑戰(zhàn)。但是，添加到業(yè)務(wù)交易交叉點的每個工具都會為負責(zé)管理這些工作流的程序員帶來另一層復(fù)雜性。
如果通信通常以一對一的方式進行，并且優(yōu)先接收定期狀態(tài)更新或確認，那么您將傾向于使用基于消息的方法。但是，如果系統(tǒng)之間的交互特別復(fù)雜，并且確認和狀態(tài)更新導(dǎo)致的延遲使得等待它們變得不切實際，那么事件驅(qū)動的設(shè)計可能更合適。但是請記住，大多數(shù)大型組織最終會采用混合策略，一些面向客戶/API 調(diào)用使用消息驅(qū)動，而企業(yè)本身使用事件驅(qū)動。因此，盡可能多地熟悉兩者并沒有什么壞處。
數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)據(jù)驅(qū)動核心出發(fā)點是相對于程序邏輯，人類更擅長于處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)比程序邏輯更容易駕馭，所以我們應(yīng)該盡可能的將設(shè)計的復(fù)雜度從程序代碼轉(zhuǎn)移至數(shù)據(jù)。

例子
假設(shè)有一個程序，需要處理其他程序發(fā)送的消息，消息類型是字符串，每個消息都需要一個函數(shù)進行處理。第一印象，我們可能會這樣處理：


上面的消息類型取自sip協(xié)議（不完全相同，sip協(xié)議借鑒了http協(xié)議），消息類型可能還會增加�？粗�常常的流程可能有點累，檢測一下中間某個消息有沒有處理也比較費勁，而且，每增加一個消息，就要增加一個流程分支。
按照數(shù)據(jù)驅(qū)動編程的思路，可能會這樣設(shè)計：


下面這種思路的優(yōu)勢：
1、可讀性更強，消息處理流程一目了然。
2、更容易修改，要增加新的消息，只要修改數(shù)據(jù)即可，不需要修改流程。
3、重用，第一種方案的很多的else if其實只是消息類型和處理函數(shù)不同，但是邏輯是一樣的。下面的這種方案就是將這種相同的邏輯提取出來，而把容易發(fā)生變化的部分提到外面。

隱含在背后的思想
很多設(shè)計思路背后的原理其實都是相通的，隱含在數(shù)據(jù)驅(qū)動編程背后的實現(xiàn)思想包括：
1、控制復(fù)雜度。通過把程序邏輯的復(fù)雜度轉(zhuǎn)移到人類更容易處理的數(shù)據(jù)中來，從而達到控制復(fù)雜度的目標。
2、隔離變化。像上面的例子，每個消息處理的邏輯是不變的，但是消息可能是變化的，那就把容易變化的消息和不容易變化的邏輯分離。
3、機制和策略的分離。和第二點很像，本書中很多地方提到了機制和策略。上例中，我的理解，機制就是消息的處理邏輯，策略就是不同的消息處理：


深入理解編程藝術(shù)之策略與機制相分離

數(shù)據(jù)驅(qū)動編程可以用來做什么

表驅(qū)動法(Table-Driven)
消除重復(fù)代碼，考慮一個消息（事件）驅(qū)動的系統(tǒng)，系統(tǒng)的某一模塊需要和其他的幾個模塊進行通信。它收到消息后，需要根據(jù)消息的發(fā)送方，消息的類型，自身的狀態(tài)，進行不同的處理。比較常見的一個做法是用三個級聯(lián)的switch分支實現(xiàn)通過硬編碼來實現(xiàn)：

switch(sendMode){case:}switch(msgEvent){case:}switch(myStatus){case:}[/ol]
這種方法的缺點：

可讀性不高：找一個消息的處理部分代碼需要跳轉(zhuǎn)多層代碼。

過多的switch分支，這其實也是一種重復(fù)代碼。他們都有共同的特性，還   可以再進一步進行提煉。

可擴展性差：如果為程序增加一種新的模塊的狀態(tài)，這可能要改變所有的  消息處理的函數(shù)，非常的不方便，而且過程容易出錯。

程序缺少核心主干：缺少一個能夠提綱挈領(lǐng)的主干，程序的主干被淹沒在    大量的代碼邏輯之中。

用表驅(qū)動法來實現(xiàn)
根據(jù)定義的三個枚舉：模塊類型，消息類型，自身模塊狀態(tài)，定義一個函數(shù)跳轉(zhuǎn)表：

typedef struct  __EVENT_DRIVE{  MODE_TYPE mod;//消息的發(fā)送模塊  EVENT_TYPE event;//消息類型  STATUS_TYPE status;//自身狀態(tài)  EVENT_FUN eventfun;//此狀態(tài)下的處理函數(shù)指針}EVENT_DRIVE;
EVENT_DRIVE eventdriver[] = //這就是一張表的定義，不一定是數(shù)據(jù)庫中的表。也可以使自己定義的一個結(jié)構(gòu)體數(shù)組。{  {MODE_A, EVENT_a, STATUS_1, fun1}  {MODE_A, EVENT_a, STATUS_2, fun2}  {MODE_A, EVENT_a, STATUS_3, fun3}  {MODE_A, EVENT_b, STATUS_1, fun4}  {MODE_A, EVENT_b, STATUS_2, fun5}
  {MODE_B, EVENT_a, STATUS_1, fun6}  {MODE_B, EVENT_a, STATUS_2, fun7}  {MODE_B, EVENT_a, STATUS_3, fun8}  {MODE_B, EVENT_b, STATUS_1, fun9}  {MODE_B, EVENT_b, STATUS_2, fun10}};
int driversize = sizeof(eventdriver) / sizeof(EVENT_DRIVE)//驅(qū)動表的大小
EVENT_FUN GetFunFromDriver(MODE_TYPE mod, EVENT_TYPE event, STATUS_TYPE status)//驅(qū)動表查找函數(shù){int i = 0;for (i = 0; i   {if ((eventdriver.mod == mod) && (eventdriver.event == event) && (eventdriver.status == status))    {return eventdriver.eventfun;    }  }return NULL;}
這種方法的好處：
提高了程序的可讀性。一個消息如何處理，只要看一下驅(qū)動表就知道，非常明顯。
減少了重復(fù)代碼。這種方法的代碼量肯定比第一種少。為什么？因為它把一些重復(fù)的東西：switch分支處理進行了抽象，把其中公共的東西——根據(jù)三個元素查找處理方法抽象成了一個函數(shù)GetFunFromDriver外加一個驅(qū)動表。
可擴展性。注意這個函數(shù)指針，他的定義其實就是一種契約，類似于java中的接口，c++中的純虛函數(shù)，只有滿足這個條件（入?yún)�，返回值），才可以作為一個事件的處理函數(shù)。這個有一點插件結(jié)構(gòu)的味道，你可以對這些插件進行方便替換，新增，刪除，從而改變程序的行為。而這種改變，對事件處理函數(shù)的查找又是隔離的（也可以叫做隔離了變化）。、
程序有一個明顯的清晰主干。
降低了復(fù)雜度。通過把程序邏輯的復(fù)雜度轉(zhuǎn)移到人類更容易處理的數(shù)據(jù)中來，從而達到控制復(fù)雜度的目標。

2. 基于數(shù)據(jù)模型編程
基于Yang模型編程(DSL），YANG是一種語言，是用來建立數(shù)據(jù)模型的語言，可以通過定義業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模型，自動生成對應(yīng)數(shù)據(jù)處理邏輯（比如參數(shù)校驗，范圍，存儲方式，權(quán)限控制等），典型的數(shù)據(jù)驅(qū)動編程；
Linux內(nèi)核DTS設(shè)備樹模型，刪除大量hardcode，精簡內(nèi)核驅(qū)動代碼。
基于xml，protobuf數(shù)據(jù)模型編程，界面顯示，web配置邏輯，RPC微服務(wù)等；

數(shù)據(jù)驅(qū)動思考
它不是一個全新的編程模型：它只是一種設(shè)計思路，而且歷史悠久，在unix/linux社區(qū)應(yīng)用很多；
它不同于面向?qū)ο笤O(shè)計中的數(shù)據(jù)：“數(shù)據(jù)驅(qū)動編程中，數(shù)據(jù)不但表示了某個對象的狀態(tài)，實際上還定義了程序的流程；OO看重的是封裝，而數(shù)據(jù)驅(qū)動編程看重的是編寫盡可能少的代碼�！�
數(shù)據(jù)壓倒一切。如果選擇了正確的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并把一切組織的井井有條，正確的算法就不言自明。編程的核心是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而不是算法�！�—Rob Pike
程序員束手無策，只有跳脫代碼，直起腰，仔細思考數(shù)據(jù)才是最好的行動。表達式編程的精髓�！�—Fred Brooks
數(shù)據(jù)比程序邏輯更易駕馭。盡可能把設(shè)計的復(fù)雜度從代碼轉(zhuǎn)移至數(shù)據(jù)是個好實踐�！�—《unix編程藝術(shù)》作者。
總結(jié)設(shè)計模式（古典）主要針對OOP領(lǐng)域編程設(shè)計方法的抽象。這里的編程模型，主要是針對業(yè)務(wù)編程框架的抽象。

消息驅(qū)動和事件驅(qū)動，本身有很多相似地方，消息驅(qū)動主要代表是經(jīng)典跨進程通信架構(gòu)，讓消息處理和函數(shù)調(diào)用一樣，邏輯依然可以保持清晰簡單。而事件驅(qū)動采取異步處理方式，最大化解耦，讓程序耦合更低，框架更易擴展，兩種編程模型都有各自優(yōu)缺點，只有根據(jù)具體的場景找到一種合適使用方法。
數(shù)據(jù)驅(qū)動是一種新的編程思考，堅持"data as program"準則，把處理邏輯數(shù)據(jù)化，這樣可以通過不同數(shù)據(jù)配置來實現(xiàn)不同的邏輯，讓核心代碼更精煉簡單，框架更易擴展。
參考和擴展閱讀《unix編程藝術(shù)》
《Software Architecture Patterns》
https://blog.csdn.net/chgaowei/article/details/6966857
深入理解Linux高性能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的那些事

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