6.2 静态内存分配模式

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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：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。