Основы объектно-ориентированного программирования - Бертран Мейер

Конечно, временные потери должны быть не только постоянными, но и небольшими. Если приложение без сборщика мусора - заяц, никто не согласится заменить его черепахой. Хороший сборщик мусора должен обеспечивать задержку, не превышающую 5-15%. Хотя некоторые скажут, что и это неприемлемо, я знаю совсем немного приложений, которым нужны меньшие издержки. Необходимо учитывать также, что в отсутствии сборщика мусора потребуется ручная утилизация, также не обходящаяся без издержек. Несмотря на все издержки, сборка мусора необходима.

В ходе обсуждения выявлены две дополнительные проблемы эффективности работы сборщика мусора: производительность глобальная (overall performance) и в стартстопном режиме (incrementality).

Продвинутый (Advanced) подход к сборке мусора

Хороший сборщик должен обеспечивать хорошую производительность, работая как постоянно, так и в стартстопном режиме, становясь приемлемым для интерактивных приложений и даже для систем реального времени.

Отсюда первое требование - необходимо дать возможность разработчикам управлять запуском и выключением циклов работы сборщика. В частности, библиотеки должны предоставлять процедуры:

collection_off

collection_on

collect_now

Вызов первой прекращает циклическую работу по сборке мусора до особого распоряжения; второй - включает сборщик, восстанавливая нормальное состояние работы; третьей - заставляет сборщик немедленно выполнить полный цикл работы. Пусть некоторая система содержит критический по времени выполнения раздел, в котором не должно быть никаких непредсказуемых временных задержек. В этом случае разработчик может вызвать collection_off в начале этого раздела и collection_on в его конце; в любой другой точке, где приложение работает вхолостую (например, во время ввода или вывода), можно запустить collect_now.

Более продвинутая техника, используемая в большинстве современных сборщиков мусора, известна как сборка мусора поколений (generation scavenging). Она исходит из следующего наблюдения: чем больше циклов сборки мусора объект пережил, тем больше вероятность, что он доживет до следующего цикла или всегда будет достижимым. Отсюда принцип работы сборщика мусора: "старые объекты оставляй нетронутыми". Сборщику полезна любая информация, позволяющая сканировать определенные категории объектов реже, чем остальные. Сборка мусора поколений обнаруживает объекты, существующие более чем определенное количество циклов. Такие объекты получают статус постоянной должности (tenuring) по аналогии с механизмом, защищающим экземпляры класса реальной жизни PROFESSOR, прошедших несколько циклов переизбрания и получивших, наконец, постоянную позицию. Объекты-долгожители будут рассматриваться отдельным сборщиком, работающим реже, чем сборщик "молодых" объектов.

Практическая реализация сборки мусора поколений имеет много вариаций. В частности, обычно делят объекты не только на молодые и старые, но на большее число поколений с разными стратегиями сборки мусора различных поколений.

Алгоритмы параллельной сборки мусора

Для получения полного решения проблемы работы в стартстопном режиме крайне привлекательно выделить сборщику мусора отдельный поток выполнения, конечно, при условии поддержки многозадачности операционной системой. Этот прием известен, как сборка мусора "на лету" (on-the fly) или параллельная.

Во время сборки мусора на лету выполнение ОО-системы использует два отдельных потока (часто соответствующих двум отдельным процессам операционной системы): приложение и сборщик. Только приложение выделяет память объектам с помощью инструкций создания; только сборщик освобождает память с помощью reclaim операций.

Сборщик будет работать непрерывно, повторяя фазу пометки и следом фазу чистки для обнаружения и удаления недостижимых объектов.

Отдельные потоки не обязательно должны быть отдельными процессами. Они могут быть, во избежание дополнительных расходов на переключение между процессами или даже потоками, плоскими сопрограммами. (Подробнее сопрограммы будут рассмотрены в лекции 12 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования", рассматривающей "параллелизм")

Даже при этих условиях сборка мусора на лету на практике имеет неудовлетворительную полную производительность. Это печально, поскольку сам метод достаточно хорош, особенно при условии использования алгоритма Дейкстры (см. библиографическую ссылку).

По моему мнению (мой комментарий отражает надежду, а не научно установленный результат) параллельная сборка мусора - решение будущего, требующее кооперации с аппаратными средствами. Вместо того, чтобы воровать время у процессора, выполняющего приложение, сборка мусора должна управляться отдельным процессором, предназначенным только для решения этой задачи и сконструированным так, чтобы как можно меньше влиять на процессор(ы), работающие с приложением.

Эта идея требует изменения доминирующей аппаратной архитектуры и, вероятно, вряд ли найдет скорое применение. Я надеюсь, что ответом на иногда задаваемый вопрос -

"Какой тип аппаратного обеспечения наиболее пригоден для объектной технологии?" -

первым пунктом в списке пожеланий будет наличие отдельного процессора для сборки мусора.

Практические проблемы сборки мусора

Среда исполнения, обеспечивающая управление памятью, должна не только использовать хороший алгоритм сборки мусора, но и поддерживать несколько свойств, которые, хотя и не главные в теории управления памятью, являются существенными для практического использования среды.

Класс MEMORY

Наиболее удобный подход - представить эти свойства в виде класса, который назовем MEMORY. Класс приложения, нуждающийся в свойствах, будет наследником MEMORY.

Аналогичный подход будет использован для механизма обработки исключений (класс EXCEPTIONS, лекция 12) и для управления параллелизмом (класс CONCURRENCY, лекция 12 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования")

Среди компонентов класса MEMORY будут представлены рассмотренные ранее процедуры: collection_off, collection_on, collect_now.

Механизм освобождения

Другой важной процедурой класса MEMORY является dispose (не путайте с тезкой Pascal, которая освобождает память). Она связана с важной практической проблемой, иногда называемой финалом или окончательным завершением (finalization). Если сборщик мусора утилизирует объект, связанный с внешними ресурсами, вы можете пожелать включить в его спецификацию некоторое дополнительное действие, такое как освобождение ресурсов, выполняемое параллельно с утилизацией. Типичный пример - класс FILE, экземпляр которого представляет файлы операционной системы. Желательно иметь возможность в случае утилизации недостижимого экземпляра класса FILE вызвать некоторую процедуру, закрывающую соответствующий физический файл.

Обобщая сказанное, рассмотрим процедуру dispose, выполняющую во время утилизации необходимые объекту операции. Это могут быть не только операции по освобождению ресурсов, но и любые операции, определяемые спецификацией класса.

При ручном управлении памятью проблем не возникает: достаточно включить вызов dispose до вызова reclaim. Деструктор класса в С++ включает в себя две операции dispose и reclaim. Однако при наличии сборщика мусора приложение напрямую не контролирует момент утилизации объекта, поэтому невозможно вставить dispose в нужное место.

Решение проблемы использует мощь объектной технологии и, в частности, наследование и переопределение. (Эта техника изучается в последующих лекциях, но ее применение здесь достаточно просто и понятно без детального ознакомления.) Класс MEMORY включает процедуру dispose, в теле которой никакие действия не выполняются:

dispose is

- Действия, которые следует выполнить в случае утилизации;

- по умолчанию действия отсутствуют.

- Вызывается автоматически сборщиком мусора.

do

end

Тогда любой класс, требующий специальных действий всякий раз, когда сборщик утилизирует один из его экземпляров, должен переопределить процедуру dispose так, чтобы она выполняла эти действия. Например, представим, что класс FILE имеет логический атрибут opened и процедуру close. Он может переопределить dispose следующим образом: