Интернет магазин китайских планшетных компьютеров

Компьютеры - Сборка мусора - Механизм сборки мусора

Основные принципы

Сборка мусора — технология, позволяющая, с одной стороны, упростить программирование, избавив программиста от необходимости вручную удалять объекты, созданные в динамической памяти, с другой — устранить вызванные неправильным ручным управлением памятью ошибки.

В системе со сборкой мусора обязанность освобождения памяти от объектов, которые больше не используются, возлагается на среду исполнения программы. Программист лишь создаёт динамические объекты и пользуется ими, он может не заботиться об удалении объектов, поскольку это делает за него среда. Для осуществления сборки мусора в состав среды исполнения включается специальный программный модуль, называемый «сборщиком мусора». Этот модуль периодически запускается, определяет, какие из созданных в динамической памяти объектов более не используются, и освобождает занимаемую ими память.

Периодичность запуска сборщика мусора определяется особенностями системы. Сборщик может работать в фоновом режиме, запускаясь при неактивности программы. Сборщик мусора запускается безусловно, прерывая на время своей работы выполнение программы, когда очередную операцию выделения памяти оказывается невозможно выполнить из-за того, что вся доступная память исчерпана. После освобождения памяти прерванная операция выделения памяти возобновляется и программа продолжает исполняться дальше. Если же оказывается, что освободить память невозможно, среда исполнения останавливает программу с сообщением об ошибке «Недостаточно памяти».

Достижимость объекта

Хотя, в общем случае, невозможно точно определить момент, когда объект был использован в последний раз и больше не нужен, сборщики мусора используют консервативные оценки, позволяющие определить, что в будущем объект гарантированно не будет использоваться.

Обычно критерием того, что объект ещё используется, является наличие ссылок на него. Если в системе нет больше ссылок на данный объект, то он, очевидно, больше не может быть использован программой, а следовательно, может быть удалён. Этот критерий используется большинством современных сборщиков мусора и называется ещё достижимостью объекта.

Неформально можно задать следующее рекурсивное определение достижимого объекта:

• определённое множество объектов считается достижимым изначально — корневые объекты, обычно в их число включают все глобальные переменные и объекты, на которые есть ссылки в стеке вызовов;
• любой объект, на который есть ссылка из достижимого объекта, тоже считается достижимым, за исключением ссылок, указанных программистом как слабая.

Такое определение не является теоретически наилучшим, так как в число достижимых, согласно ему, попадают и те объекты, которые уже никогда не будут использованы, но на которые пока ещё существуют ссылки. Оптимальным было бы считать недостижимым объект, к которому в процессе дальнейшей работы программы не будет ни одного обращения, однако выявление таких объектов невозможно, поскольку сводится к алгоритмически неразрешимой задаче об остановке.

Алгоритм выставления флагов

Простой алгоритм определения достижимых объектов, «алгоритм пометок», заключается в следующем:

• для каждого объекта хранится бит, указывающий, достижим ли этот объект из программы или нет;
• изначально все объекты, кроме корневых, помечаются как недостижимые;
• рекурсивно просматриваются и помечаются как достижимые объекты ещё не помеченные и до которых можно добраться из корневых объектов по ссылкам;
• те объекты, у которых бит достижимости не был установлен, считаются недостижимыми.

Алгоритм подсчёта ссылок

Другой вариант алгоритма определения достижимости — обычный подсчёт ссылок. Его использование замедляет операции присваивания ссылок, но зато определение достижимых объектов тривиально — это все объекты, значение счётчика ссылок которых превышает нуль. Без дополнительных уточнений этот алгоритм, в отличие от предыдущего, не удаляет циклически замкнутые цепочки вышедших из употребления объектов, сохранивших ссылки друг на друга.

Стратегии сборки мусора

Как только определено множество недостижимых объектов, сборщик мусора может освободить память, занимаемую ими, и оставить остальное как есть. Также можно после освобождения памяти переместить все или часть оставшихся объектов в другие области памяти, обновив вместе с этим все ссылки на них. Эти два варианта реализации называются, соответственно, неперемещающим и перемещающим.

Обе стратегии имеют как достоинства, так и недостатки

Скорость выделения и освобождения памяти

Неперемещающий сборщик мусора быстро освобождает память, но тратит больше времени на её выделение.

Перемещающий сборщик требует сравнительно больше времени на этапе сборки мусора, зато перемещение позволяет использовать чрезвычайно простой и быстрый) алгоритм выделения памяти. При дефрагментации объекты передвигаются так, чтобы разделить всю память на две большие области — занятую и свободную, и сохраняется указатель на их границу. Для выделения новой памяти достаточно лишь переместить эту границу, вернув кусок из начала свободной памяти.

Скорость доступа к объектам в динамической памяти 

Объекты, поля которых используются совместно, перемещающий сборщик позволяет размещать в памяти недалеко друг от друга. Тогда они вероятнее окажутся в кэше процессора одновременно, что уменьшит количество обращений к относительно медленному ОЗУ.

Совместимость с инородным кодом 

Перемещающий сборщик мусора вызывает затруднения при использовании кода, который не контролируется системой автоматического управления памятью в традиционной терминологии или неуправляемым в терминологии Microsoft). Указатель на память, выделенную в системе с неперемещающим сборщиком, можно просто передать инородному коду для использования, удерживая хотя бы одну обычную ссылку на объект, чтобы сборщик его не удалил. Перемещающий сборщик меняет положение объектов в памяти, синхронно меняя все ссылки на них, но поменять ссылки в инородном коде он не может, в результате переданные инородному коду ссылки после перемещения объекта станут некорректными. Для работы с инородным кодом используются различные специальные приёмы, например, pinning — явная блокировка объекта, запрещающая его перемещение во время сборки мусора.

Поколения объектов

Как показывает практика, недавно созданные объекты чаще становятся недостижимыми, чем объекты, существующие длительное время. В соответствии с этой закономерностью многие современные сборщики мусора подразделяют все объекты на несколько поколений — серий объектов с близким временем существования. Как только память, выделенная одному из поколений, заканчивается, в этом поколении и во всех более «молодых» производится поиск недостижимых объектов. Все они удаляются, а оставшиеся переводятся в более «старое» поколение.

Использование поколений сокращает время цикла сборки мусора, поскольку уменьшается число просматриваемых в ходе сборки объектов, однако этот метод требует от среды исполнения отслеживания ссылок между разными поколениями.