Основы объектно-ориентированного программирования

Сборка по принципу 'все-или-ничего'

Когда нужно приводить в действие сборщик мусора?

Классические сборщики мусора активизируются по требованию и работают до завершения. Другими словами, сборщик мусора не работает, пока остается память для работы приложения. Как только ее не хватает, приложение запускает полный цикл сборки мусора - фаза пометки и следом фаза чистки.

Эта техника может быть названа 'все-или-ничего'. Преимущество ее в том, что она не вызывает перегрузки пока достаточно памяти. Когда программа выходит за пределы достижимых ресурсов, в наказание вызывается сборщик мусора.

Но сборка мусора по принципу 'все-или-ничего' имеет серьезный недостаток: полный цикл пометки-чистки может занять много времени - особенно в среде виртуальной памяти, большое пространство виртуальных адресов которого сборщик мусора должен обойти полностью, прерывая на это время выполнение приложения.

Для пакетных приложений такая схема еще может быть приемлема. Но и здесь при высоком коэффициенте отношения виртуальной памяти к реальной перегрузка может стать причиной серьезной потери производительности, если система создает большое число объектов, лишь малая часть из которых является в каждый момент достижимыми.

Сборка мусора по принципу 'все-или-ничего' не будет работать для интерактивных систем или систем реального времени. Представим систему обнаружения ракетного нападения, которая имеет 50- миллисекундный интервал для реагирования на запуск ракеты. Допустим, программа прекрасно работала, пока система не вышла за пределы памяти, но, к несчастью это событие произошло в момент запуска ракеты, когда вместо системы начал свою работу неспешный сборщик мусора.

Даже в менее жизненно важных приложениях, таких как интерактивные системы, неприятно использовать инструмент, например, редактор текста, который иногда непредсказуемо зависает на 10 минут, потому что у него начался цикл сборки мусора.

В таких случаях проблема заключается не в глобальном эффекте временных потерь, связанных со сборкой мусора: определенная потеря производительности может быть вполне допустимой для разработчиков и пользователей, как плата за надежность и удобство, предоставляемое автоматической сборкой мусора. Но временные потери должны быть равномерно распределены. Неприемлемы непредсказуемые всплески активности сборщика мусора. Лучше черепаха, чем заяц, время от времени без предупреждения засыпающий на полчаса. Подсчет ссылок, если бы не его фатальный порок, удовлетворял бы лозунгу: 'лучше ехать медленно, но с постоянной скоростью, чем быстро, но с неожиданными и непредсказуемыми остановками'.

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