什么是实时系统

硬实时系统对响应时间有着极为严格的要求，任何违反时间约束的情况都将被视为系统失效。这类系统通常应用于安全关键领域，如航空航天控制系统、医疗设备以及工业过程控制等，一旦出现响应超时可能会造成灾难性后果。

软实时系统对响应时间的要求相对宽松，允许在一定可接受范围内出现响应延迟。例如直播音视频系统、商用航班飞行计划维护软件等，虽然响应延迟会影响用户体验，但并不会造成严重后果。

确定实时系统介于硬实时和软实时之间。虽然响应超时会导致错误，但只要这种错误不频繁发生，系统仍可容忍。比如流水线机器，偶尔出现响应延迟可能会导致产品缺陷，但系统具备检测和处理此类错误的机制。

此外，实时系统还常用于微服务架构中的解耦通信。当某个微服务被触发时，它可以实时向数据流发送事件，而其他微服务则监视该流并采取相应行动。

实时系统还可用于实时捕获跨应用和数据库的所有数据变更，并将其流式传输至中央系统。

根据对截止时间的容忍度，实时系统可分为硬实时、软实时和确定实时三种类型。硬实时系统的目标是确保满足所有截止时间，因为错过截止时间可能会导致严重后果。软实时系统则专注于保持连接系统的实时更新，允许一定的延迟。确定实时系统可以容忍偶尔错过截止时间，但频率不能过高。 实时系统通常采用同步编程语言、实时操作系统（RTOS）和实时网络，为满足实时性需求提供必要的框架。对于硬实时系统，可以使用最早截止时间优先等特定调度算法管理硬实时任务。

一些设计方法如MASCOT、HOOD和实时UML可以帮助实时系统的设计，通过表示并发结构。这些方法有助于捕获和建模实时系统的时间约束、并发行为和资源需求。

一些分布式流处理平台可用于构建实时数据管道和适应数据流的应用程序。它们结合了消息传递、存储和流处理，允许存储和分析历史数据和实时数据。 这些平台将队列和发布-订阅两种消息模型相结合，为消费者提供了两者的关键优势。数据可以实时流式传输，也可以批量摄取，具体取决于平台的能力。实时数据在生成时持续输入和处理，而批量数据可能会以周期性的大批量上传。

摄取数据后，统一并理解数据至关重要。平台会清理数据中的任何异常、去重冗余信息并合并相关记录。这一步骤包括健壮的ETL（提取、转换、加载）和ELT（提取、加载、转换）过程。在整个集成过程中，数据会被安全存储，通常使用高级数据仓库或数据湖。

实时系统广泛应用于汽车发动机控制、医疗设备等安全关键领域。这些系统对响应时间的要求极为严格，任何延迟都可能导致严重后果。因此，实时系统必须经过彻底的测试和认证，以确保其可靠性和安全性。

在工业生产线上，实时系统被用于控制装配机器人、监控生产过程等。实时系统可以优化任务调度，最大限度地满足各项任务的截止时间。

在物流和工厂建设领域，协作机器人需要实时响应人工操作指令，以学习和执行相应任务。此外，基于数据驱动的机器学习技术也可用于实时预测和预防性维护，提高设备的运行效率。

在微服务架构中，实时系统可以将事件实时发送到数据流，其他微服务则可以监视该数据流并触发所需操作，实现微服务之间的实时通信和协作。

实时系统还可用于实时捕获跨多个应用程序和数据库的数据变更，并将这些变更实时流式传输到中央系统，从而保持数据的一致性和实时性。

硬实时系统必须确保所有期限都得到满足，错过任何一个期限都可能导致整个系统失效。这对于像汽车发动机控制系统或医疗设备（如心脏起搏器）这样的系统来说至关重要，因为未能在严格的期限内做出反应可能会造成重大的物理损坏或威胁到人的生命。

确定实时系统可以容忍偶尔错过期限，但这仍然会降低系统的服务质量。软实时系统面临的挑战是满足一部分期限，以优化特定于应用程序的标准，如最大化满足期限的数量或最小化任务延迟。

另一个挑战是管理大型系统中硬实时、确定实时和非实时应用程序的混合，这需要专门的调度算法和覆盖系统。此外，实时系统必须专注于输出的一致性，而不仅仅是高吞吐量。

实时系统采用流式处理技术处理持续变化的数据，传统数据库系统则存储持久化的、大多数情况下不受时间影响的数据。实时系统旨在快速处理事务，以便立即对结果作出响应，传统系统则没有这种严格的时间约束。

实时系统使用时间约束和时间有效性来确保所存储的数据是有效和最新的，这对于监控物理系统的应用程序至关重要。传统数据库系统无法有效处理这些对时间敏感的要求。实时系统的性能指标是提交与中止事务的比率，旨在100%满足截止时间，而传统数据库则更注重吞吐量。

实时系统通常采用事件驱动架构（EDA），能够根据需求扩展并发能力，以实现近乎实时的事务处理。相比之下，许多传统系统被设计为定期运行，批量处理在一段时间内累积的事务，如银行应用程序每小时运行一次以处理ATM交易。

在发生中断的情况下，实时EDA服务可能会自动调用以重试处理事件，因为该服务被设计为幂等的，确保在第一次接收事件后结果不会改变。而传统的批处理系统则缺乏这种弹性和中断恢复能力。