Чтение онлайн

Сборщик мусора сталкивается со следующими проблемами, вызванными практическими ограничениями на размещение объектов в современной ОО-среде:

[x]. ОО-подпрограммы могут вызывать внешние программы, в частности, С-функции, которые могут, в свою очередь, размещать нечто в памяти. Поэтому нужно рассматривать два различных вида памяти: память для объектов и внешнюю память.

[x]. Объекты создаются по-разному. Массивы и строки имеют переменный размер; экземпляры других классов имеют фиксированный размер.

[x]. Наконец, как отмечалось, недостаточно освобождать память для повторного использования в самом ОО-приложении, - нужно возвращать ее навсегда операционной системе.

По этим причинам размещение объектов в памяти не может полагаться на стандартный системный вызов malloc, который, наряду с другими ограничениями, не возвращает память операционной системе. Вместо этого среда запрашивает у ядра операционной системы участки памяти и распределяет объекты в этих участках с помощью собственных механизмов.

Необходимость возвращать память операционной системе порождает одну из самых утонченных частей механизма: сборщик мусора может при необходимости перемещать объекты.

Это свойство вызывает головную боль при реализации сборщика, но оно делает этот механизм устойчивым и практичным. Без него невозможно было бы использовать сборку мусора для долго работающих, критически важных систем.

Внутри ОО-мира нет необходимости задумываться о перемещении объектов, если гарантируется, что система не имеет тенденции постоянного расширения (подразумевается, что общий размер достижимых объектов ограничен). При использовании внешних программ и передачи им объектов эту проблему необходимо рассматривать. Внешняя программа может сохранять ссылки на объекты из ОО-мира в виде простых адресов (указателей в языке С). При попытке использовать эти объекты, находящиеся без защиты, например, в течение 10 минут, возникнут трудности: за это время объект может быть перемещен и по его адресу лежит нечто другое или вообще ничего. Простой библиотечный механизм решает эту проблему: С-функции должны получать сам объект и доступ к нему через специальный макрос, который находит объект, где бы он ни находился.

Приведем схему алгоритма, используемого сборщиком мусора.

Решение представляет собой не единственный алгоритм, а основано на комбинации основных алгоритмов, часть из которых используется совместно, часть - независимо друг от друга. Каждая активизация сборщика выбирает алгоритм или сочетание алгоритмов, основанных на критерии запроса необходимой памяти. Основные алгоритмы включают: сборку мусора поколений, пометку-чистку и сжатие памяти, плюс несколько других, в меньшей степени относящихся к данному обсуждению.

Идея сборки мусора поколений описана в этой лекции ранее: следует сосредоточиться на молодых объектах, - именно они с большой вероятностью могут быть недостижимыми, и собраны мусорщиком. Основное преимущество этого алгоритма в том, что он просматривает не все объекты, а только те, которые могут быть достижимы из локальных сущностей и из старых объектов, содержащих ссылки на молодые объекты. Всякий раз по завершению обработки поколения все выжившие объекты становятся старше; когда они достигают определенного возраста, они переходят на постоянную должность в другое поколение. Алгоритм ищет компромисс, устанавливающий границу переходного возраста. Ее снижение приводит к росту старых объектов, увеличение - к частой сборке мусора.

Алгоритм время от времени нуждается в выполнении полной пометки-сборки для поиска любых недостижимых объектов, пропущенных сборщиком поколений. Пометка-сборка состоит из двух шагов: пометка– рекурсивный обход и пометка достижимых объектов; чистка– полный обход памяти и сборка непомеченных объектов.

Алгоритм сжатия памяти возвращает неиспользуемые участки памяти операционной системе, работая с наименьшими временными затратами. Он разбивает память на n блоков и за n-1 циклов сжимает их.

Алгоритм сжатия предохраняет от частых, дорогих по времени вызовов операционной системы - выделить или возвратить память. Вместо возвращения всех освобожденных блоков он сохраняет некоторые из них для построения небольшого резерва памяти, доступной приложению без обращения к операционной системе.

Эта техника крайне полезна для часто встречающегося класса приложений с повышенным чувством голода и потерей аппетита, у которых период кутежа с массовым созданием объектов сменяется постом, в течение которого происходит избавление от ненужных объектов; затем все повторяется.

Сборщик мусора включается одной из двух требующих память операций: инструкцией создания ( create x ) или клонирования. Сборщик запускается не только, когда программе не хватает памяти: механизм может активизироваться, когда он определяет некоторые условия, за которыми последует нехватка памяти.

Если первичная память заполнена, сборщик начнет сборку мусора поколений. В большинстве случаев освободится достаточно памяти для текущих нужд. Если этого не произошло, следующий шаг - полный цикл пометки-чистки с последующим сжатием памяти. Если и в этом случае памяти не достаточно, сборщик запросит память у операционной системы.

Основные алгоритмы являются стартстопными; их время выполнения обычно составляет несколько процентов от времени выполнения приложения. Внутренняя статистика ведет учет занятой памяти и помогает определить подходящий для вызова алгоритм.

Можно настроить работу сборщика, задавая различные параметры, в частности, включение параметра speed заставит алгоритм не собирать всю доступную память с помощью механизма сжатия, а сразу использовать возможности операционной системы. Устанавливая другие параметры, можно включать механизмы: collection_off, collect_now и dispose из класса MEMORY.

Механизм управления памятью, построенный на основе всех этих методов, сделал возможным разработку и выполнение больших приложений, создающих много объектов, создающих их быстро, не заботясь об используемой памяти, поручая кому-то другому заботу о последствиях.

[x]. Существует три основных режима создания объектов: статический, основанный на стеке, динамический. Последний характерен для ОО-языков, но встречается везде, например, в Lisp, Pascal (указатели и new), C (malloc), Ada (типы доступа).

[x]. В программах, создающих много объектов, объекты могут становиться недостижимыми. Их память теряется, приводя, в худших случаях, к сбою из-за нехватки памяти, при том что часть памяти остается неиспользованной.

[x]. Эту проблему можно игнорировать в тех случаях, когда программа почти не создает недостижимых объектов или создает всего лишь несколько объектов, общий размер которых сравним с доступной памятью.

[x]. Во всех других случаях (динамические структуры данных, ограниченные ресурсы памяти) любое решение проблемы включает два компонента: обнаружение мертвых объектов и восстановление занятой ими памяти.