6.2 静态内存分配模式

Bruce Powel Douglass大师介绍-CSDN博客https://blog.csdn.net/ChatCoding/article/details/134665868嵌入式软件开发从小工到专家-CSDN博客https://blog.csdn.net/ChatCoding/article/details/135297955C嵌入式编程设计模式源码-CSDN博客https://blog.csdn.net/ChatCoding/article/details/134819019静态分配模式只适用于负载内存量高度可预测且稳定的简单系统。在适用的情况下使用这种模式可以使系统易于设计和维护。6.2.1 摘要动态内存分配在实时嵌入式系统中存在两个主要问题内存分配和释放的时间不确定。内存碎片化。这种模式采用了一种非常简单的方法来解决这两个问题禁止动态内存分配。这意味着所有对象都在系统初始化期间分配。如果设计时能够知道内存负载并且能够为最坏情况分配足够的内存那么系统虽然初始化时间会长一点但运行时将更加稳定高效。6.2.2 问题动态内存分配在结构化和面向对象设计中非常普遍。例如C 语言使用new和delete来分配和释放内存C 语言则使用malloc和free。在这些语言中程序员都需要显式执行这些操作但也很难想象任何大型程序不使用分配内存的指针。而 Java 语言更加彻底所有对象都存放在动态内存中这意味着所有对象创建都隐式地使用了动态内存分配。此外Java 还会在内存不再使用时自动释放它但具体何时何地发生则不在程序员的控制范围内。尽管很常见动态内存分配始终是让实时系统开发疼痛的问题主要有以下三个难题非确定性动态内存分配和释放的时机通常是不可预测的因为这通常需要搜索数据结构以找到可分配的空闲内存。这会导致系统的行为难以预测甚至出现不可预料的延迟或中断。内存泄漏如果程序员没有正确释放不再使用的内存就会发生内存泄漏。这会导致系统内存的逐渐减少最终导致系统崩溃。内存碎片化由于内存是以不同大小的块分配的释放顺序通常与分配顺序无关。这会导致空闲内存出现碎片化即无法找到足够大的连续空闲内存块来满足新的内存请求。上述三个难题都可能导致实时系统出现严重的性能问题或甚至崩溃。因此在实时系统中应尽量避免使用动态内存分配。6.2.3 模式结构图 6-1 展示了该模式的基本结构。它结构非常简单但可以通过嵌套抽象层来处理任意大小的系统。系统对象启动初始化过程并创建最高级别的复合对象。这些复合对象通过组合关系连接到其他复合对象或原始对象。原始对象被定义为不会动态创建其他对象的类。使用组合关系是因为它们清晰地标识了创建/删除的责任。6.2.4 协作角色Allocation Plan分配计划如果存在标识最大系统复合对象应该按照哪个顺序分配。Composite Object复合对象复合对象通过组合关系负责创建它所拥有的所有对象。分配计划分配计划Allocation Plan是可选的用于指定最大系统复合对象的分配顺序。如果没有分配计划则系统可以按任何所需的顺序分配对象。复合对象复合对象Composite Object是指与其他对象之间存在组合关系的对象其他对象可以是复合对象或原始对象。复合对象负责通过组合创建它所拥有的所有对象。复合对象和系统对象都不能释放内存。复合对象可以由其他复合对象组成但每个通过组合关系拥有的对象只能属于一个复合对象。这意味着模式中清楚地标识了系统中每个对象的创建责任。部件对象部件对象Part Object是复合对象和原始对象的父类。它允许系统对象和复合对象通过组合包含复合对象和原始对象。原始对象原始对象Primitive Object是指不负责分配任何其他对象的类。所有原始对象由复合对象创建。系统对象系统对象System Object是系统中最高抽象层级的对象。它的职责是通过创建和初始化系统的主要部分最高级别的复合对象来“启动”系统。这些复合对象又会创建自己的部分依此类推。一旦所有对象都创建完毕系统对象就会通过运行begin操作启动系统执行。6.2.5 结果静态分配模式将所有对象都在系统启动时进行内存分配适用于以下情况最坏情况可预测且内存充裕系统的峰值内存需求是已知且可控的并且拥有足够的内存满足这种情况。内存负载稳定系统在不同运行状况下的内存需求差异不大保持相对稳定的内存占用。系统规模较小需要预先分配所有对象内存的特点限制了系统规模适合用于较小的系统。对内存成本不敏感系统对内存成本相对不敏感预先分配内存造成的潜在浪费可以承受。使用静态分配模式的系统拥有以下优势更快的运行速度启动后执行代码无须进行动态内存分配运行速度通常比动态分配更快有时显著更快。更可预测的执行消除了动态分配带来的非确定性因素使系统运行更加可预测。无内存碎片化不进行内存释放就不会出现内存碎片化的问题。然而静态分配模式也存在一定的缺点启动时间较长需分配所有对象内存导致启动时间可能明显延长对启动时间要求苛刻的系统可能不适用。潜在内存浪费预先分配所有对象内存可能造成一定程度的浪费如果实际内存需求低于最坏情况则会占用额外的内存空间。总结静态分配模式适用于最坏情况可预测、内存负载稳定、规模较小且对内存成本不敏感的系统。它能带来更快的运行速度、更可预测的执行和无碎片化等优势但需要付出启动时间较长和潜在内存浪费的代价。6.2.6 实施策略这个模式非常容易实现。在许多情况下甚至不需要单独的初始化方法可以直接使用每个复合对象的构造函数来完成对象的创建和初始化。6.2.7 相关模式本章中介绍的其他模式也解决了类似的问题但会带来略有不同的利弊。例如池分配模式、固定大小缓冲区模式、垃圾回收器模式和垃圾压缩器模式等等。6.2.8 示例模型图6-2展示了一个使用完全构建系统实例的简单例子。图6-2a展示了对象图的实例结构图6-2b展示了静态分配模式在启动时的工作方式。总结来说静态分配模式通过在系统启动时分配所有对象避免了动态内存分配带来的时间不确定性和内存碎片化问题。这种模式适用于内存负载可预测、系统设计简单且内存成本不是主要考虑因素的情况。在实施时需要在设计阶段对内存需求有准确的预测以确保在最坏情况下有足够的内存。图形中各个箭头的含义实线箭头代表对象之间的组合关系图形中各个对象的含义起搏器对象Pacemaker Object这是整个起搏器设备的总称。电池系统Battery Subsystem为起搏器提供动力。电池传感器Battery Sensor监测电池的电压并在电池电量不足时向起搏器发出警报。通信子系统Comm Subsystem允许起搏器与外部设备如程序器和监控系统进行通信。它使用无线遥测系统来传输和接收数据。磁簧开关Reed Switch检测起搏器是否置于磁场中。这可用于激活起搏器的某些功能例如遥测。消息队列Message Queue用于存储由通信子系统传输或接收的数据。收发器线圈Transceiver Coil用于无线传输和接收数据。起搏子系统Pacing Subsystem起搏器的核心心房Atrial Chamber心脏的上腔。A 心脏传感器A Heart Sensor监测心房的电活动。A 起搏电容器A Pacing Canacitor为起搏电路存储能量。心室Ventricular Chamber心脏的下腔。V 心脏传感器V Heart Sensor监测心室的电活动。V 起搏电容器V Pacing Capacitor为起搏电路存储能量。起搏子系统Pacing Subsystem起搏器的核心负责生成电脉冲来刺激心肌。它由起搏电路、起搏电极和起搏电容器组成。起搏电路Pacing Circuit生成电脉冲。起搏电极Pacing Electrode将脉冲传递给心肌。起搏电容器Pacing Capacitor为起搏电路存储能量。