リアルタイムにおける考慮事項とレイテンシー

リアルタイムシステムは、期限内に応答しなければなりません。期限を逃すと障害につながります。

• ハードリアルタイム — 期限を逃すとシステム障害になります（医療、航空電子機器）
• ソフトリアルタイム — 期限を逃すと品質は低下しますが、許容されます（音声、映像）

リアルタイムコードでは、ピーク性能よりも予測可能なタイミングを重視します。常に10マイクロ秒かかる関数は、1〜20マイクロ秒かかる関数よりも好まれます。

ヒープ操作には、メモリの断片化やアロケータの判断などの予測できない要素があります。起動時に割り当て、その後は再利用してください。組み込み向けのコーディング規約では、初期化処理以外でのnewを禁止していることがよくあります。

例外の送出には予測できないコストがかかります。ほとんどのリアルタイムC++コードは-fno-exceptionsを指定してコンパイルします。

仮想関数は間接呼び出しを追加し、分岐予測を乱す可能性があります。静的ポリモーフィズムには、テンプレートまたはCRTPを使用してください。

ロックは優先度逆転を引き起こす可能性があります。ロックを保持している低優先度スレッドが、高優先度スレッドをブロックするためです。ロックフリーのデータ構造を使えば、この問題を避けられます。

ロックを使わなければならない場合は、優先度継承をサポートするものを優先してください。OSがロック保持側の優先度を一時的に引き上げます。

コードがたどる最悪の経路を分析します。ツールや手動分析によって、関数が要する最大サイクル数を見積もります。WCETはスケジューリングの判断に影響します。

ハードリアルタイムでは、RTOS（FreeRTOS、Zephyr、VxWorks）またはベアメタルを使用します。汎用OSでは、タスクが無期限に遅延する可能性があります。

キャッシュミスやTLBミスは、予測できないストールを引き起こします。最も重要な部分のデータはキャッシュに固定するか、スクラッチパッドRAMを使用してください。

一般的なヒープではなく、あらかじめサイズを決めたプールから割り当てます。割り当てと解放を一定時間で実行できます。多くの組み込みC++プロジェクトでは、これだけを使用しています。

ワークステーションでの性能は、MCUでの性能とはほとんど関係ありません。常に、現実的な負荷をかけてターゲットハードウェア上でベンチマークを実行してください。

リアルタイムC++コードでは、なぜヒープ割り当てが問題になるのですか。

リアルタイムC++では、ピーク性能よりも予測可能性を重視します。ヒープ、例外、仮想関数、OSが管理するロックを避けてください。静的メモリ、メモリプール、ロックフリー構造を使用し、最悪実行時間を分析します。実際のターゲットでプロファイリングしてください。