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DESCRIPTION
Dieser Vortrag stellt an einem praktischen Beispiel die Vorteile und den Nutzen einer hocheffizienten eingebetteten DSL im C++ Quellcode dar. Die Beispielanwendung ist eine User Interface Steuerung für ein aktuelles Automotive-System. Es werden sowohl die Gründe für den Einsatz der von Christophe Henry entwickelten OpenSource C++ Bibliothek Boost::MSM für die beschriebene Anwendung präsentiert, als auch Einblicke in den "Projektalltag" mit einer solch neuen Methodik gegeben und natürlich wird auch auf aufgetretene Probleme und die entwickelten Lösungen eingegangen. Da die C++ Boost Bibliotheken als Pool für zukünftige C++-Standards gelten, ist auch ein Blick in das Umfeld der gewählten Lösung Boost MSM lohnenswert. Teil des Ausblicks werden also auch andere Lösungen für weitere aktuelle Probleme im Automotive-Umfeld, wie z.B. die Parallelisierung und Verteilung von Anwendungen und Algorithmen auf mehrere Rechnerkerne, sein.
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© Zühlke 2014
Das Modell ist im Code
Das Modell ist im Code | Christoph Woskowski 3. Dezember 2014 Folie 1
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• Vorstellung
• Externe und interne DSLs
• Kurzeinführung Boost MSM
• Automotive-Beispiel: Taxameter
• Das Modell sichtbar machen
• Zusammenfassung
Das Modell ist im Code | Christoph Woskowski
Agenda
3. Dezember 2014 Folie 2
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Vorstellung - Zühlke
• Mehr als 8'000 Projekte realisiert
• 630 Mitarbeiterinnen & Mitarbeiter (Ende 2013)
• In Deutschland, Großbritannien, Österreich, Serbien und in der Schweiz
• Gegründet 1968, im Besitz von Partnern
• ISO 9001 und 13485 zertifiziert
Das Modell ist im Code | Christoph Woskowski 3. Dezember 2014 Folie 3
© Zühlke 2014
Vorstellung - Christoph Woskowski
• Lead Software Architect
• Bereich: Embedded Systems
• Fokus: Regulierte Entwicklung
• Interessen: C++, Boost Libraries
Das Modell ist im Code | Christoph Woskowski 3. Dezember 2014 Folie 4
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Externe und interne DSLsExterne DSLs – Die Variante Xtext
Das Modell ist im Code | Christoph Woskowski
ExecutableGraphische DSL
Textuelle DSL
ModellCode –Generator
SourceCode
Compiler
3. Dezember 2014 Folie 5
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Externe und interne DSLsInterne DSLs – Die Variante C++
Das Modell ist im Code | Christoph Woskowski
Executable
SourceCode
CompilerDSL
Modell
3. Dezember 2014 Folie 6
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• Entwickelt von Christophe Henry
• Basis: “C++ Template Metaprogramming” (Abrahams, Gurtovoy)
• Zuerst verwendet in einem verteilten Testsystem für ISOBUS-Geräte
• Ziel: einfach und schnell Statemachines mit sehr hoher Laufzeit-Performance entwickeln (oder generieren)
• Ziel erreicht durch:– Einfache Transitionstabellen (Front-End)– Komplexes Template Metaprogramming
(“unter der Haube”)
Das Modell ist im Code | Christoph Woskowski
Kurzeinführung Boost MSMGeschichtliches
3. Dezember 2014 Folie 7
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Kurzeinführung Boost MSM
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CD-Player Beispiel – Diagrammform
3. Dezember 2014 Folie 8
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Kurzeinführung Boost MSMCD-Player Beispiel – Tabellenform (Functor)
Das Modell ist im Code | Christoph Woskowski
struct transition_table : mpl::vector<
// Start Event Next Action Guard
// +---------+-------------+---------+---------------------+---------------+
a_row < Stopped , play , Playing , &p::start_playback >,
a_row < Stopped , open_close , Open , &p::open_drawer >,
_row < Stopped , stop , Stopped >,
// +---------+-------------+---------+---------------------+---------------+
a_row < Open , open_close , Empty , &p::close_drawer >,
// +---------+-------------+---------+---------------------+---------------+
a_row < Empty , open_close , Open , &p::open_drawer >,
row < Empty , cd_detected , Stopped , &p::store_cd_info ,&p::good_disk >,
// +---------+-------------+---------+---------------------+---------------+
a_row < Playing , stop , Stopped , &p::stop_playback >,
a_row < Playing , pause , Paused , &p::pause_playback >,
a_row < Playing , open_close , Open , &p::stop_and_open >,
// +---------+-------------+---------+---------------------+---------------+
a_row < Paused , end_pause , Playing , &p::resume_playback >,
a_row < Paused , stop , Stopped , &p::stop_playback >,
a_row < Paused , open_close , Open , &p::stop_and_open >
// +---------+-------------+---------+---------------------+---------------+
> {};
3. Dezember 2014 Folie 9
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Kurzeinführung Boost MSMCD-Player Beispiel – „Gleichungsform“ (Euml)
Das Modell ist im Code | Christoph Woskowski
BOOST_MSM_EUML_TRANSITION_TABLE((
Playing == Stopped + play / start_playback ,
Playing == Paused + end_pause / resume_playback,
// +--------------------------------------------------------------+
Empty == Open + open_close / close_drawer,
// +--------------------------------------------------------------+
Open == Empty + open_close / open_drawer,
Open == Paused + open_close / stop_and_open,
Open == Stopped + open_close / open_drawer,
Open == Playing + open_close / stop_and_open,
// +--------------------------------------------------------------+
Paused == Playing + pause / pause_playback,
// +--------------------------------------------------------------+
Stopped == Playing + stop / stop_playback,
Stopped == Paused + stop / stop_playback,
Stopped == Empty + cd_detected [good_disk]
/ store_cd_info,
Stopped == Stopped + stop
// +--------------------------------------------------------------+
),transition_table)
3. Dezember 2014 Folie 10
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Kurzeinführung Boost MSM
Unterstützung der UML 2.0 State Machine Spezifikation, u.a.
• State Entry/Exit Actions, Transition Actions & Guards
• Submachines, Orthogonal Regions, Pseudo States
• Anonymous & Internal Transitions, Deferred Events … uvm.
Angepasste Umsetzung von UML 2.0:
• Shallow & Deep History
Eigene Konzepte die über UML 2.0 hinaus gehen
• Interrupt States, Kleene/Any Events, Flags u.a.
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Fähigkeiten
3. Dezember 2014 Folie 11
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Kurzeinführung Boost MSM
• C++ Compile Time Metaprogramming fordert Compiler und Build-Hardware
• Build-System “limitiert” FSM-Größe, Komplexität und verwendbare Features
• Normaler User: Kenntnisse bzgl. C++ Templates
• Power User: Template-Programmierkenntnisse
Aber:
• Große Nutzer-Community, viele FAQ-Foren, Boost Mailingliste und Christophe Henry (!)
Einschränkungen
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Automotive-Beispiel: TaxameterSpiegeltaxameter
Das Modell ist im Code | Christoph Woskowski 3. Dezember 2014 Folie 13
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Automotive-Beispiel: Taxameter
Eine globale Statemachine,
mit mehr als 50 Zuständen,
und über 200 Transitionen,
in mehr als 10 Sub-Machines.
Problem: Komplexität
Das Modell ist im Code | Christoph Woskowski
CORE i7, 8 GB RAM, GCC 4.8.0:
Compiler-Crash nach 7 min (Out Of Memory)
3. Dezember 2014 Folie 14
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Automotive-Beispiel: Taxameter
Achtung! Stark vereinfacht!
• “Compiler” ersetzt Includes und Defines/Macros durch tatsächlichen Code
• Metaprogramming “zwingt” den Compiler (Typ-Auflösung) die Transitionstabelle(n) aufzufalten
• Compiler erstellt im Speicher ein Feld (indiziert über alle Events) von Feldern (indiziert über alle States) von Funktionspointern auf Guards und Actions Double Dispatch
• 1st Dispatch (Compile Time): Für jede Instanziierung von process_event wird die Transitionstabelle durchlaufen und vom Compiler Event-spezifischer Code generiert
MSM: Unter der Haube – Compile Time
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Mehr Details: Buch „C++ Template Metaprogramming“ oder Christophe Henry
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Automotive-Beispiel: Taxameter
Achtung! Stark vereinfacht!
• Jeder Aufruf von process_event wurde durch eine Tabelle aus Funktionspointern ersetzt
• 2nd Dispatch (Run Time): Unter Verwendung eines generierten Indexes für den aktuellen State:– Ermittlung der auszuführenden Funktionspointer in konstanter Zeit (wenige Zyklen)– Ausführung der Funktionen (Actions) Exit, Transition, Entry abhängig vom Guard
Prinzipbedingt schneller als OO State-Pattern, Switch-Case-Hierarchien oder If-Then-Else-Kaskaden
Messergebnisse für 10.000.000 x 11 Transitionen (Franz Alt, 2009):
MSM: Unter der Haube – Run Time
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Mehr Details: Buch „C++ Template Metaprogramming“ oder Christophe Henry
3. Dezember 2014 Folie 16
Boost StateChart: 19,6 sec Rhapsody: 4,9 sec Boost MSM: 0,9 sec
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Automotive-Beispiel: TaxameterLösung: Proxy States
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source file source file
Proxy Proxy
header file header file source file source file
forwarding.h
Sddsfgdfsgdf Rettertertert dsgsfdgsfdgsdfg
Ertretsdfgdfhgsdf Ösdgsdölghsdlfh ^ödsfhdsfhsd
^s,bgfx,mcbv, ^sgjghsldkghsd Ölölsdgdlsfgh
Lösdghdslöfhgs X.vchsdgjk Öldshdsflöghsdfl
Ldsföhdslkjhg Lskjdhldshgdsflf Lkjsdfhdksflfgh
Lskfdjfhlksdfh Lksdjgdhkdh Sklsdjfhdklfh
Klsafhsfdfh Klhfsklfhsdklah Lkahsflkashfklds
Hfskfsdkfh klsdahfhasd dgdfgfd
dfgfdgdfg ertertertreter dfgdfgfddfgdf
dfgdfgfdg ertertreterter ghjgfjgfhjhf
ertddgfgffdh retzrezrezrz fdghdgfhfdgh
3. Dezember 2014 Folie 17
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Das Modell sichtbar machenInterne DSL visualisieren
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Executable
SourceCode
CompilerDSL
Modell
Visualisierung
3. Dezember 2014 Folie 18
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Das Modell sichtbar machenMSM for Zest (Eclipse Visualization Toolkit)
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Zusammenfassung
• Das Modell ist immer im Code
• Interne DSLs vermeiden das Round-Trip Problem
• Visualisierung statt Generierung
• C++ „kann“ interne DSLs
• Probleme mit modernen C++ Techniken sind lösbar
• Automotive-Anwendungen existieren bereits
• Weitere Boost C++ Lösungen verfügbar (Asynchron)
Das Modell ist im Code | Christoph Woskowski 3. Dezember 2014 Folie 20
