Основы объектно-ориентированного программирования - Бертран Мейер

Приведенный пример, хотя и важен, но только для специальных случаев. В общем случае приходится отвечать на сложный вопрос - что делать с недостижимыми объектами?

Три ответа

С недостижимыми объектами можно поступать тремя способами:

[x]. Проигнорировать проблему и надеяться, что хватит памяти для размещения всех объектов: достижимых и недостижимых. Это можно назвать несерьезным (casual) подходом.

[x]. Предложить разработчикам включать в каждое приложение алгоритм, ищущий недостижимые объекты, и дать им механизм освобождения соответствующей памяти. Такой подход называется восстановлением вручную(manual reclamation) .

[x]. Включить в среду разработки (как часть исполняемой системы (runtime system)) механизм, автоматически определяющий и утилизирующий недостижимые объекты. Этот подход принято называть автоматической сборкой мусора (automatic garbage collection).

Остаток лекции посвящен этим подходам.

Несерьезный подход (тривиальный)

Первый подход заключается в игнорировании проблемы: предоставлять мертвые объекты их судьбе. Создаются объекты как обычно, но никто не волнуется о том, что может потом случиться с объектами.

Может ли быть оправдан несерьезный подход?

Несерьезный подход не создает проблем в системах, создающих небольшое число объектов, например, при проведении простых тестов и экспериментов.

Более интересен случай, когда система может создавать много объектов, гарантируя, что ни один или немногие из них станут недостижимыми. Этот случай аналогичен статической схеме размещения, в которой ни один объект не удаляется. Разница только в том, что создание происходит динамически во время выполнения программы. Несерьезный подход в этом случае оправдан, поскольку практически не возникает необходимость утилизации объектов.

Некоторые программы реального времени следуют этой схеме: по причине эффективности, создавая все необходимые объекты статично или во время инициализации, избегая непредсказуемых моделей динамического создания.

Этот метод применяется в "жестких" системах реального времени ("hard-real- time"), требующих гарантированное микросекундное время отклика на внешние события (например, системы обнаружения ракет). В таких системах время выполнения каждой операции должно быть полностью предсказуемо. Но тогда приходится отказываться не только от управления памятью, но и от динамического создания объектов, рекурсии, вызова процедур с локальными сущностями и так далее. Работа с такими системами подразумевают специализированную машину с одним исполняемым процессом, фактически без операционной системы в обычном понимании этого термина. В таких средах люди предпочитают писать на языках ассемблера, из-за страха дополнительных неожиданностей от сгенерированного компилятором кода. Все это сводит обсуждение к малой, хотя и стратегически важной области мира программ.

Надо ли заботиться о памяти?

Другой аргумент, который можно услышать в оправдание несерьезному подходу, - это постоянный рост объема доступной памяти компьютера и уменьшение цены памяти.

Используемая память может быть как виртуальной, так и реальной. В системах виртуальной памяти первичная и вторичная память делится на блоки, называемые страницами. Вновь требуемые страницы первичной памяти вытесняют во вторичную память редко используемые страницы первичной памяти. Если такая система используется для работы с ОО-системами, страницы, содержащие недостижимые объекты, будут вытесняться и освободят основную память для часто используемых объектов.

Если бы действительно в нашем распоряжении было почти безграничное количество почти свободной памяти, можно было бы удовлетвориться несерьезным подходом.

К несчастью, это не так.

Первая причина в том, что на практике виртуальная память не эквивалентна реальной. Если хранить большое количество объектов в виртуальной памяти, в которой меньшинство достижимых объектов рассыпано среди большинства недостижимых, то процесс выполнения будет постоянно вызывать перемещение страниц памяти, феномен, известный как пробуксовка (trashing), приводящий к драматическому увеличению времени выполнения. Действительно, системы виртуальной памяти усложняют эффективное разделение двух основных аспектов - пространства и времени. (См. "Эффективность", лекцию 1.)

Но есть более важное ограничение применения несерьезного подхода. Даже большая память имеет границы. Удивительно, как быстро программисты к ним подходят. Как только мы выходим за пределы систем с небольшим числом недостижимых объектов, лицом к лицу сталкиваемся с проблемой восстановления памяти.

Байт здесь, байт там, и реальные покойники

Пора послушать печальную и поучительную историю Лондонской службы скорой помощи.

Лондонская служба скорой помощи, как говорят, самая большая в мире, обслуживает территорию около 1500 кв. км, c постоянным населением почти в семь миллионов человек и с еще большим количеством населения в дневное время. Каждый день эта служба обслуживает пять тысяч пациентов и получает от двух до трех тысяч звонков.

Как можно догадаться по мрачному заголовку, в этой работе используются компьютеры (точнее ПО). Вначале было несколько неудачных разработок, даже не введенных в действие, как несоответствующих требованиям, несмотря на то что на разработку этих систем затрачивались значительные финансовые средства. Наконец, в 1992 была введена в эксплуатацию новая система, разработанная за миллион фунтов. Скоро о ней снова заговорили. 28 и 29 октября на телевидении и в прессе сообщалось, что из-за неадекватной работы системы были потеряны двадцать жизней. Говорили, что в одном конкретном случае врачи скорой помощи по рации сообщили на базу, что прибыли на место назначения и спросили, почему владелец похоронного бюро прибыл раньше. Исполнительный директор службы ушел в отставку, была назначена следственная комиссия.

Служба скорой помощи после трагедии не сразу отказалась от компьютерной системы, а переключилась на гибридную модель - частично ручную, частично полагающуюся на систему. Согласно официальным отчетам:

Эта гибридная система действовала с переменным успехом с 27 октября 1992 г. до раннего утра 4 ноября. Однако после двух часов 4 ноября работа системы значительно замедлилась, вскоре после этого система вышла из строя совсем. Перезагрузка не смогла решить проблему. Управление и персонал вернулись к бумаге и телефонным звонкам.

Что привело систему к краху, так что ее не могли сохранить даже как дополнение к ручным операциям? Отчет определил несколько причин. Вот основная:

Следственная команда пришла к выводу, что крах системы был вызван незначительной ошибкой программного обеспечения. Программист XX ("XX" здесь и далее заменяет название компании, разрабатывающей программное обеспечение данной системы) тремя неделями раньше оставил в системе кусок программного кода, который, используя небольшой файл на сервере, записывал и не стирал информацию о выезде машины на вызов. Через три недели память переполнилась. Эта ошибка была вызвана беспечностью и отсутствием проверки качества программного кода. Такого рода неисправности вряд ли могут быть обнаружены обычным тестированием программистом или пользователем.

Читатель должен сам решить, какую программную ошибку стоит называть незначительной, особенно принимая во внимание последний комментарий о трудностях тестирования, который еще будет подробно обсуждаться ниже.

Для тех, кто все еще думает, что можно пользоваться несерьезным подходом, и для тех, кто относится к управлению памятью только как к проблеме реализации, двадцать жертв лондонской службы скорой помощи должны служить грустным напоминанием о серьезности рассматриваемой проблемы.

Восстановление памяти: проблемы

Если уйти от несерьезного подхода и его упрощающих допущений, то предстоит решить, как и когда восстанавливать память. Возникают две проблемы:

[x]. Обнаружение (detection). Как найти мертвые элементы?

[x]. Восстановление (reclamation). Как восстановить для повторного использования память, присоединенную к этим элементам?

Для каждой из этих задач можно искать решение на одном из двух возможных уровнях:

[x]. Реализации языка - компилятор и среда исполнения обеспечивают общую поддержку любому ПО, создаваемому на этом языке и в данной среде.

[x]. Приложения - приложение само решает возникающие проблемы.