-.. Describe más detalladamente los problemas actuales del recolector de
- basura de D, sentando las bases para el análisis de los requerimientos
- de recolección de basura en dicho lenguaje (se explica por qué las
- particularidades descriptas en la sección anterior complican la
- recolección de basura y cuales son las que más molestan).
- ESTADO: TERMINADO, CORREGIDO
-
-
.. _dgc:
Recolección de basura en D
El control sobre la alineación de memoria es otra complicación sobre el
recolector de basura, incluso aunque éste sea conservativo. Dado que tratar la
memoria de forma conservativa byte a byte sería impracticable (tanto por la
-cantidad de falsos positivos que esto provocaría como por el impacto en el
+cantidad de *falsos positivos* que esto provocaría como por el impacto en el
rendimiento por el exceso de posibles punteros a revisar, además de lo
ineficiente que es operar sobre memoria no alineada), en general el recolector
asume que el usuario nunca va a tener la única referencia a un objeto en una
que el recolector, al encontrar que no hay más referencias a un objeto, debe
ejecutar el destructor.
-La especificación dice:
+La especificación dice [DWDE]_:
The garbage collector is not guaranteed to run the destructor for all
unreferenced objects. Furthermore, the order in which the garbage collector
para indicar la continuación de un objeto grande (que ocupan más de una
página).
-.. fig:: fig:dgc-org
+.. flt:: fig:dgc-org
- Organización del *heap* del recolector de basura actual de D.
+ Organización del *heap* del recolector de basura actual de D
Organización del *heap*. En este ejemplo todos los *pools* tienen 2 páginas
excepto el *pool* 2 que tiene una sola. El tamaño de bloque que almacena
:vref:`fig:dgc-free-list`). Esto permite asignar objetos relativamente
pequeños de forma bastante eficiente.
-.. fig:: fig:dgc-free-list
+.. flt:: fig:dgc-free-list
- Ejemplo de listas de libres.
+ Ejemplo de listas de libres
.. digraph:: dgc_free_list
Cada *pool* tiene la siguiente información asociada:
*number_of_pages*
- cantidad de páginas que tiene. Esta cantidad es fija en toda la vida de un
+ Cantidad de páginas que tiene. Esta cantidad es fija en toda la vida de un
*pool*.
*pages*
- bloque de memoria contiguo de tamaño ``PAGE_SIZE * number_of_pages``
+ Bloque de memoria contiguo de tamaño ``PAGE_SIZE * number_of_pages``
(siendo ``PAGE_SIZE`` el tamaño de página, que normalmente son 4096 bytes).
significado especial:
``FREE``
- indica que la página está completamente libre y que la página está
+ Indica que la página está completamente libre y que la página está
disponible para albergar cualquier tamaño de bloque que sea necesario (pero
una vez que se le asignó un nuevo tamaño de bloque ya no puede ser cambiado
hasta que la página vuelva a liberarse por completo).
``CONTINUATION``
- indica que esta página es la continuación de un objeto grande (es decir,
+ Indica que esta página es la continuación de un objeto grande (es decir,
que ocupa una o más páginas). Luego se presentan más detalles sobre objetos
grandes.
Cada bloque tiene asociados varios atributos:
*mark*
- utilizado en la fase de :ref:`marcado <dgc_algo_mark>`, indica que un nodo
+ Utilizado en la fase de :ref:`marcado <dgc_algo_mark>`, indica que un nodo
ya fue visitado (serían las celdas *negras* en la :ref:`abstracción
tricolor <gc_intro_tricolor>`).
*scan*
- utilizado también en la fase de :ref:`marcado <dgc_algo_mark>`, indica que
+ Utilizado también en la fase de :ref:`marcado <dgc_algo_mark>`, indica que
una celda visitada todavía tiene *hijas* sin marcar (serían las celdas
*grises* en la :ref:`abstracción tricolor <gc_intro_tricolor>`).
*free*
- indica que el bloque está libre (no está siendo utilizado por ningún objeto
+ Indica que el bloque está libre (no está siendo utilizado por ningún objeto
*vivo*). Esto es necesario solo por la forma en la que realiza el
:ref:`marcado <dgc_algo_mark>` y :ref:`barrido <dgc_algo_sweep>` en el
:ref:`algoritmo actual <dgc_algo>` (las celdas con el atributo este
atributo son tomadas como *basura* aunque estén marcadas con *mark*).
*final*
- indica que el bloque contiene un objeto que tiene un destructor (que debe
+ Indica que el bloque contiene un objeto que tiene un destructor (que debe
ser llamado cuando la celda pasa de *viva* a *basura*).
*noscan*
- indica que el bloque contiene un objeto que no tiene punteros y por lo
+ Indica que el bloque contiene un objeto que no tiene punteros y por lo
tanto no debe ser marcado de forma conservativa (no tiene *hijas*).
mark_free_lists()
mark_static_data()
push_registers_into_stack()
+ thread_self.stack.end = get_stack_top()
mark_stacks()
+ pop_registers_from_stack()
mark_user_roots()
mark_heap()
start_the_world()
en ``true`` cuando una nueva celda debe ser visitada, por lo tanto la
iteración se interrumpe cuando no hay más celdas por visitar.
-Las funciones ``stop_the_world()`` y ``start_the_world()`` sencillamente
-pausan y reanudan todos los hilos respectivamente::
+Las funciones ``stop_the_world()`` y ``start_the_world()`` pausan y reanudan
+todos los hilos respectivamente (salvo el actual). Al pausar los hilos además
+se guardan los registros del procesador en el *stack* y se guarda la posición
+actual del *stack* para que la fase de marcado pueda recorrerlos::
function stop_the_world() is
foreach thread in threads
+ if thread is thread_self
+ continue
thread.pause()
+ push_registers_into_stack()
+ thread.stack.end = get_stack_top()
function start_the_world() is
foreach thread in threads
+ if thread is thread_self
+ continue
+ pop_registers_from_stack()
thread.resume()
La función ``clear_mark_scan_bits()`` se encarga de restablecer todos los
de marcado (que es iterativa y realiza varias pasadas sobre **todo** el
*heap*, incluyendo las celdas libres) no visite las celdas libres perdiendo
tiempo sin sentido y potencialmente manteniendo *vivas* celdas que en
-realidad son *basura* (falsos positivos)::
+realidad son *basura* (*falsos positivos*)::
function mark_free_lists() is
foreach free_list in heap
foreach register in registers
push(register)
+Y luego se descartan (no es necesario ni correcto restablecer los valores ya
+que podrían tener nuevos valores) al sacarlos de la pila::
+
+ function pop_registers_from_stack() is
+ foreach register in reverse(registers)
+ pop()
+
Una vez hecho esto, basta marcar (de forma conservativa) los *stacks* de todos
los threads para terminar de marcar el *root set*::
function free_big_object(pool, page) is
pool_end = cast(byte*) pool.pages + (PAGE_SIZE * pool.number_of_pages)
do
- page = cast(byte*) page + PAGE_SIZE
page.block_size = FREE
- while page.block_size is CONTINUATION and page < pool_end
+ page = cast(byte*) page + PAGE_SIZE
+ while page < pool_end and page.block_size is CONTINUATION
Además, los bloques que tienen en atributo ``final`` son finalizados llamando
a la función ``finalize()``. Esta función es un servicio que provee la
vez más el algoritmo distingue objetos grandes de pequeños. Los pequeños se
asignan de las siguiente manera::
- function new_small(block_size) is
+ function new_small(block_size) is
+ block = find_block_with_size(block_size)
+ if block is null
+ collect()
block = find_block_with_size(block_size)
if block is null
- collect()
+ new_pool()
block = find_block_with_size(block_size)
- if block is null
- new_pool()
- block = find_block_with_size(block_size)
- return null
- return block
+ return block
Se intenta reiteradas veces conseguir un bloque del tamaño correcto libre,
realizando diferentes acciones si no se tiene éxito. Primero se intenta hacer
Para intentar buscar un bloque de memoria libre se realiza lo siguiente::
- function find_block_with_size(block_size) is
+ function find_block_with_size(block_size) is
+ block = free_lists[block_size].pop_first()
+ if block is null
+ assign_page(block_size)
block = free_lists[block_size].pop_first()
- if block is null
- assign_page(block_size)
- block = free_lists[block_size].pop_first()
- return block
+ return block
Si no se puede obtener un bloque de la lista de libres correspondiente, se
busca asignar una página libre al tamaño de bloque deseado de forma de
*alimentar* la lista de libres con dicho tamaño::
- function assign_page(block_size) is
- foreach pool in heap
- foreach page in pool
- if page.block_size is FREE
- page.block_size = block_size
- foreach block in page
- free_lists[page.block_size].link(block)
+ function assign_page(block_size) is
+ foreach pool in heap
+ foreach page in pool
+ if page.block_size is FREE
+ page.block_size = block_size
+ foreach block in page
+ free_lists[page.block_size].link(block)
Cuando todo ello falla, el último recurso consiste en pedir memoria al sistema
operativo, creando un nuevo *pool*::
- funciones new_pool(number_of_pages = 1) is
- pool = alloc(pool.sizeof)
- if pool is null
- return null
- pool.number_of_pages = number_of_pages
- pool.pages = alloc(number_of_pages * PAGE_SIZE)
- if pool.pages is null
- free(pool)
- return null
- heap.add(pool)
- return pool
+ function new_pool(number_of_pages = 1) is
+ pool = alloc(pool.sizeof)
+ if pool is null
+ return null
+ pool.number_of_pages = number_of_pages
+ pool.pages = alloc(number_of_pages * PAGE_SIZE)
+ if pool.pages is null
+ free(pool)
+ return null
+ heap.add(pool)
+ foreach page in pool
+ page.block_size = FREE
+ return pool
Se recuerda que la función ``alloc()`` es un :ref:`servicio
<gc_intro_services>` provisto por el *low level allocator* y en la
de una página, entonces se utiliza otro algoritmo para alocar un objeto
grande::
- function new_big(size) is
- number_of_pages = ceil(size / PAGE_SIZE)
+ function new_big(size) is
+ number_of_pages = ceil(size / PAGE_SIZE)
+ pages = find_pages(number_of_pages)
+ if pages is null
+ collect()
pages = find_pages(number_of_pages)
if pages is null
- collect()
- pages = find_pages(number_of_pages)
- if pages is null
- minimize()
- pool = new_pool(number_of_pages)
- if pool is null
- return null
- pages = assign_pages(pool, number_of_pages)
- pages[0].block_size = PAGE
- foreach page in pages[1..end]
- page.block_size = CONTINUATION
- return pages[0]
+ minimize()
+ pool = new_pool(number_of_pages)
+ if pool is null
+ return null
+ pages = assign_pages(pool, number_of_pages)
+ pages[0].block_size = PAGE
+ foreach page in pages[1..end]
+ page.block_size = CONTINUATION
+ return pages[0]
De forma similar a la asignación de objetos pequeños, se intenta encontrar una
serie de páginas contiguas, dentro de un mismo *pool*, suficientes para
completamente libres::
function minimize() is
- for pool in heap
+ foreach pool in heap
all_free = true
- for page in pool
+ foreach page in pool
if page.block_size is not FREE
all_free = false
break
Volviendo a la función ``new_big()``, para hallar una serie de páginas
contiguas se utiliza el siguiente algoritmo::
- function find_pages(number_of_pages) is
- foreach pool in heap
- pages = assign_pages(pool, number_of_pages)
- if pages
- return pages
- return null
+ function find_pages(number_of_pages) is
+ foreach pool in heap
+ pages = assign_pages(pool, number_of_pages)
+ if pages
+ return pages
+ return null
Como se dijo, las páginas deben estar contenidas en un mismo *pool* (para
tener la garantía de que sean contiguas), por lo tanto se busca *pool* por
*pool* dicha cantidad de páginas libres consecutivas a través del siguiente
algoritmo::
- function assign_pages(pool, number_of_pages) is
- pages_found = 0
- first_page = null
- foreach page in pool
- if page.block_size is FREE
- if pages_found is 0
- pages_found = 1
- first_page = page
- else
- pages_found = pages_found + 1
- if pages_found is number_of_pages
- return [first_page .. page]
+ function assign_pages(pool, number_of_pages) is
+ pages_found = 0
+ first_page = null
+ foreach page in pool
+ if page.block_size is FREE
+ if pages_found is 0
+ pages_found = 1
+ first_page = page
else
- pages_found = 0
- first_page = null
- return null
+ pages_found = pages_found + 1
+ if pages_found is number_of_pages
+ return [first_page .. page]
+ else
+ pages_found = 0
+ first_page = null
+ return null
Una vez más, cuando todo ello falla (incluso luego de una recolección), se
intenta alocar un nuevo *pool*, esta vez con una cantidad de páginas
Raíces definidas por el usuario
*roots* (*nroots*, *rootdim*)
- arreglo variable de punteros simples que son tomados como raíces
+ Arreglo variable de punteros simples que son tomados como raíces
provistas por el usuario.
*ranges* (*nranges*, *rangedim*)
- arreglo variable de rangos de memoria que deben ser revisados (de forma
+ Arreglo variable de rangos de memoria que deben ser revisados (de forma
conservativa) como raíces provistas por el usuario. Un rango es una
estructura con dos punteros: ``pbot`` y ``ptop``. Toda la memoria entre
estos dos punteros se toma, palabra por palabra, como una raíz del
Estado interno del recolector
*anychanges*
- variable que indica si en la fase de marcado se encontraron nuevas
+ Variable que indica si en la fase de marcado se encontraron nuevas
celdas con punteros que deban ser visitados. Otra forma de verlo es como
un indicador de si el conjunto de celdas *grises* está vacío luego de
una iteración de marcado (utilizando la :ref:`abstracción tricolor
presentada en :ref:`dgc_algo_mark`.
*inited*
- indica si el recolector fue inicializado.
+ Indica si el recolector fue inicializado.
*stackBottom*
- puntero a la base del *stack* (asumiendo que el stack crece hacia arriba).
+ Puntero a la base del *stack* (asumiendo que el stack crece hacia arriba).
Se utiliza para saber por donde comenzar a visitar el *stack* de forma
conservativa, tomándolo con una raíz del recolector.
*Pools* (*pooltable*, *npools*)
- arreglo variable de punteros a estructuras ``Pool`` (ver más adelante).
+ Arreglo variable de punteros a estructuras ``Pool`` (ver más adelante).
Este arreglo se mantiene siempre ordenado de menor a mayor según la
dirección de memoria de la primera página que almacena.
*bucket*
- listas de libres. Es un arreglo de estructuras ``List`` utilizadas para
+ Listas de libres. Es un arreglo de estructuras ``List`` utilizadas para
guardar la listas de libres de todos los tamaños de bloques posibles (ver
más adelante).
Atributos que cambian el comportamiento
*noStack*
- indica que no debe tomarse al *stack* como raíz del recolector. Esto es
+ Indica que no debe tomarse al *stack* como raíz del recolector. Esto es
muy poco seguro y no debería ser utilizado nunca, salvo casos
extremadamente excepcionales.
*log*
- indica si se debe guardar un registro de la actividad del recolector. Es
+ Indica si se debe guardar un registro de la actividad del recolector. Es
utilizado principalmente para depuración.
*disabled*
- indica que no se deben realizar recolecciones implícitamente. Si al
+ Indica que no se deben realizar recolecciones implícitamente. Si al
tratar de asignar memoria no se puede hallar celdas libres en el *heap*
del recolector, se pide más memoria al sistema operativo sin correr una
recolección para intentar recuperar espacio. Esto es particularmente
Optimizaciones
*p_cache*, *size_cache*
- obtener el tamaño de un bloque dado un puntero es una tarea costosa
+ Obtener el tamaño de un bloque dado un puntero es una tarea costosa
y común. Para evitarla en casos donde se calcula de forma sucesiva el
tamaño del mismo bloque (como puede ocurrir al concatenar arreglos
dinámicos) se guarda el último calculado en estas variables a modo de
*caché*.
*minAddr*, *maxAddr*
- punteros al principio y fin del *heap*. Pueden haber *huecos* entre
+ Punteros al principio y fin del *heap*. Pueden haber *huecos* entre
estos dos punteros que no pertenezcan al *heap* pero siempre se cumple
que si un puntero apunta al *heap* debe estar en este rango. Esto es
útil para hacer un cálculo rápido para descartar punteros que fueron
La estructura ``Pool`` está compuesta por los siguientes atributos (ver figura
:vref:`fig:dgc-pool`):
+.. flt:: fig:dgc-pool
+
+ Vista gráfica de la estructura de un *pool* de memoria
+
+ .. aafig::
+ :scale: 120
+
+ /--- "baseAddr" "ncommitted = i" "topAddr" ---\
+ | V |
+ |/ |/ |/
+ +---- "committed" -----+------- "no committed" ----------+
+ /| /| /|
+ V V V
+ +--------+--------+-----+--------+-----+-------------------+
+ páginas | 0 | 0 | ... | i | ... | "npages - 1" |
+ +--------+--------+-----+--------+-----+-------------------+
+ A A A A A A
+ | | | | | |
+ +--------+--------+-----+--------+-----+-------------------+
+ pagetable | Bins 0 | Bins 1 | ... | Bins i | ... | "Bins (npages-1)" |
+ +--------+--------+-----+--------+-----+-------------------+
+
*baseAddr* y *topAddr*
- punteros al comienzo y fin de la memoria que almacena todas las páginas del
+ Punteros al comienzo y fin de la memoria que almacena todas las páginas del
*pool* (*baseAddr* es análogo al atributo *pages* utilizado en las
secciones anteriores para mayor claridad).
*mark*, *scan*, *freebits*, *finals*, *noscan*
- conjunto de bits (*bitsets*) para almacenar los indicadores descriptos en
+ Conjunto de bits (*bitsets*) para almacenar los indicadores descriptos en
:ref:`dgc_org` para todos los bloques de todas las páginas del *pool*.
*freebits* es análogo a *free* y *finals* a *final* en los atributos
descriptos en las secciones anteriores.
*npages*
- cantidad de páginas que contiene este *pool* (fue nombrado
+ Cantidad de páginas que contiene este *pool* (fue nombrado
*number_of_pages* en las secciones anteriores para mayor claridad).
*ncommitted*
- cantidad de páginas *encomendadas* al sistema operativo (*committed* en
+ Cantidad de páginas *encomendadas* al sistema operativo (*committed* en
inglés). Este atributo no se mencionó anteriormente porque el manejo de
páginas encomendadas le agrega una complejidad bastante notable al
recolector y es solo una optimización para un sistema operativo en
particular (Microsoft Windows).
*pagetable*
- arreglo de indicadores de tamaño de bloque de cada página de este *pool*.
+ Arreglo de indicadores de tamaño de bloque de cada página de este *pool*.
Los indicadores válidos son ``B_16`` a ``B_2048`` (pasando por los valores
posibles de bloque mencionados anteriormente, todos con el prefijo
"``B_``"), ``B_PAGE``, ``B_PAGEPLUS`` (análogo a ``CONTINUATION``),
``B_UNCOMMITTED`` (valor que tienen las páginas que no fueron encomendadas
aún) y ``B_FREE``.
-.. fig:: fig:dgc-pool
-
- Vista gráfica de la estructura de un *pool* de memoria.
-
- .. aafig::
- :scale: 120
-
- /--- "baseAddr" "ncommitted = i" "topAddr" ---\
- | V |
- |/ |/ |/
- +---- "committed" -----+------- "no committed" ----------+
- /| /| /|
- V V V
- +--------+--------+-----+--------+-----+-------------------+
- páginas | 0 | 0 | ... | i | ... | "npages - 1" |
- +--------+--------+-----+--------+-----+-------------------+
- A A A A A A
- | | | | | |
- +--------+--------+-----+--------+-----+-------------------+
- pagetable | Bins 0 | Bins 1 | ... | Bins i | ... | "Bins (npages-1)" |
- +--------+--------+-----+--------+-----+-------------------+
-
Como se observa, además de la información particular del *pool* se almacena
toda la información de páginas y bloques enteramente en el *pool* también.
Esto simplifica el manejo de que lo es memoria *pura* del *heap*, ya que queda
Inicialización y terminación
*initialize()*
- inicializa las estructuras internas del recolector para que pueda ser
+ Inicializa las estructuras internas del recolector para que pueda ser
utilizado. Esta función la llama la biblioteca *runtime* antes de que el
programa comience a correr.
*Dtor()*
- libera todas las estructuras que utiliza el recolector.
+ Libera todas las estructuras que utiliza el recolector.
Manipulación de raíces definidas por el usuario
*addRoot(p)*, *removeRoot(p)*, *rootIter(dg)*
- agrega, remueve e itera sobre las raíces simples definidas por el
+ Agrega, remueve e itera sobre las raíces simples definidas por el
usuario.
*addRange(pbot, ptop)*, *remove range(pbot)*, *rangeIter(dg)*
- agrega, remueve e itera sobre los rangos de raíces definidas por el
+ Agrega, remueve e itera sobre los rangos de raíces definidas por el
usuario.
Manipulación de indicadores
*getBits(pool, biti)*
- obtiene los indicadores especificados para el bloque de índice ``biti``
+ Obtiene los indicadores especificados para el bloque de índice ``biti``
en el *pool* ``pool``.
*setBits(pool, biti, mask)*
- establece los indicadores especificados en ``mask`` para el bloque de
+ Establece los indicadores especificados en ``mask`` para el bloque de
índice ``biti`` en el *pool* ``pool``.
*clrBits(pool, biti, mask)*
- limpia los indicadores especificados en ``mask`` para el bloque de
+ Limpia los indicadores especificados en ``mask`` para el bloque de
índice ``biti`` en el *pool* ``pool``.
Cada bloque (*bin* en la terminología de la implementación del recolector)
compuesta por la conjunción de los siguientes valores:
*FINALIZE*
- el objeto almacenado en el bloque tiene un destructor (indicador
+ El objeto almacenado en el bloque tiene un destructor (indicador
*finals*).
*NO_SCAN*
- el objeto almacenado en el bloque no contiene punteros (indicador
+ El objeto almacenado en el bloque no contiene punteros (indicador
*noscan*).
*NO_MOVE*
- el objeto almacenado en el bloque no debe ser movido [#dgcmove]_.
+ El objeto almacenado en el bloque no debe ser movido [#dgcmove]_.
.. [#dgcmove] Si bien el recolector actual no tiene la capacidad de mover
objetos, la interfaz del recolector hacer que sea posible una
Búsquedas
*findPool(p)*
- busca el *pool* al que pertenece el objeto apuntado por ``p``.
+ Busca el *pool* al que pertenece el objeto apuntado por ``p``.
*findBase(p)*
- busca la dirección base (el inicio) del bloque apuntado por ``p``
+ Busca la dirección base (el inicio) del bloque apuntado por ``p``
(``find_block()`` según la sección :ref:`dgc_algo_mark`).
*findSize(p)*
- busca el tamaño del bloque apuntado por ``p``.
+ Busca el tamaño del bloque apuntado por ``p``.
*getInfo(p)*
- obtiene información sobre el bloque apuntado por ``p``. Dicha
+ Obtiene información sobre el bloque apuntado por ``p``. Dicha
información se retorna en una estructura ``BlkInfo`` que contiene los
siguientes atributos: ``base`` (dirección del inicio del bloque),
``size`` (tamaño del bloque) y ``attr`` (atributos o indicadores del
bloque, los que se pueden obtener con ``getBits()``).
*findBin(size)*
- calcula el tamaño de bloque más pequeño que pueda contener un objeto de
+ Calcula el tamaño de bloque más pequeño que pueda contener un objeto de
tamaño ``size`` (``find_block_size()`` según lo visto en
:ref:`dgc_algo_alloc`).
Asignación de memoria
*reserve(size)*
- reserva un nuevo *pool* de al menos ``size`` bytes. El algoritmo nunca
+ Reserva un nuevo *pool* de al menos ``size`` bytes. El algoritmo nunca
crea un *pool* con menos de 256 páginas (es decir, 1 MiB).
*minimize()*
- minimiza el uso de la memoria retornando *pools* sin páginas usadas al
+ Minimiza el uso de la memoria retornando *pools* sin páginas usadas al
sistema operativo.
*newPool(n)*
- reserva un nuevo *pool* con al menos ``n`` páginas. Junto con
+ Reserva un nuevo *pool* con al menos ``n`` páginas. Junto con
``Pool.initialize()`` es análoga a ``new_pool()``, solo que esta función
siempre incrementa el número de páginas a, al menos, 256 páginas (es
decir, los *pools* son siempre mayores a 1 MiB). Si la cantidad de
*pools* de 8 MiB o la cantidad pedida, si ésta es mayor.
*Pool.initialize(n_pages)*
- inicializa un nuevo *pool* de memoria. Junto con ``newPool()`` es
+ Inicializa un nuevo *pool* de memoria. Junto con ``newPool()`` es
análoga a ``new_pool()``. Mientras ``newPool()`` es la encargada de
calcular la cantidad de páginas y crear el objeto *pool*, esta función
es la que pide la memoria al sistema operativo. Además inicializa los
``finals`` de todo el *pool*.
*allocPage(bin)*
- asigna a una página libre el tamaño de bloque ``bin`` y enlaza los
+ Asigna a una página libre el tamaño de bloque ``bin`` y enlaza los
nuevos bloques libres a la lista de libres correspondiente (análogo
a ``assign_page()``).
a ``find_pages(n)``).
*malloc(size, bits)*
- asigna memoria para un objeto de tamaño ``size`` bytes. Análoga al
+ Asigna memoria para un objeto de tamaño ``size`` bytes. Análoga al
algoritmo ``new(size, attr)`` presentado, excepto que introduce además
un caché para no recalcular el tamaño de bloque necesario si se realizan
múltiples asignaciones consecutivas de objetos del mismo tamaño y que la
asignación de objetos pequeños no está separada en una función aparte.
*bigAlloc(size)*
- asigna un objeto grande (análogo a ``new_big()``). La implementación es
+ Asigna un objeto grande (análogo a ``new_big()``). La implementación es
mucho más compleja que la presentada en ``new_big()``, pero la semántica
es la misma. La única diferencia es que esta función aprovecha que
``fullcollectshell()`` / ``fullcollect()`` retornan la cantidad de
objeto grande y pasar directamente a crear un nuevo *pool*.
*free(p)*
- libera la memoria apuntada por ``p`` (análoga a ``delete()`` de la
+ Libera la memoria apuntada por ``p`` (análoga a ``delete()`` de la
sección anterior).
Recordar que la ``pooltable`` siempre se mantiene ordenada según la
Recolección
*mark(pbot, ptop)*
- marca un rango de memoria. Este método es análogo al ``mark_range()``
+ Marca un rango de memoria. Este método es análogo al ``mark_range()``
presentado en la sección :ref:`dgc_algo_mark`.
*fullcollectshell()*
- guarda los registros en el *stack* y llama a ``fullcollect()``. El
+ Guarda los registros en el *stack* y llama a ``fullcollect()``. El
algoritmo presentado en :ref:`dgc_algo_mark` es simbólico, ya que si los
registros se apilaran en el *stack* dentro de otra función, al salir de
esta se volverían a des-apilar, por lo tanto debe ser hecho en la misma
caso).
*fullcollect(stackTop)*
- realiza la recolección de basura. Es análoga a ``collect()`` pero es
+ Realiza la recolección de basura. Es análoga a ``collect()`` pero es
considerablemente menos modular, todos los pasos se hacen directamente
en esta función: marcado del *root set*, marcado iterativo del *heap*,
barrido y reconstrucción de la lista de libres. Además devuelve la
y proveer finalización asegurada puede ser muy deseable.
+.. _dgc_committed:
+
Memoria *encomendada*
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
El algoritmo actual divide un *pool* en dos áreas: memoria *encomendada*
bits estén intactas. Esto permite detectar de forma temprana errores tanto
en el recolector como en el programa del usuario.
- .. fig:: fig:sentinel
+ .. flt:: fig:sentinel
- Esquema de un bloque cuando está activada la opción ``SENTINEL``.
+ Esquema de un bloque cuando está activada la opción ``SENTINEL``
.. aafig::
+ :textual:
| | | | |
+-- Palabra ---+-- Palabra ---+-- Tamaño bloque de usuario --+- Byte -+
| | | | |
+--------------+--------------+------------------------------+--------+
- | Tamaño del | Pre | | Post |
- | bloque de | | Bloque de usuario | |
- | usuario | 0xF4F4F4F4 | | 0xF5 |
+ | "Tamaño del" | Pre | | Post |
+ | "bloque de" | | Bloque de usuario | |
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A
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principales problemas percibidos por la comunidad que utiliza el lenguaje.
+.. _dgc_bad_code:
+
Complejidad del código y documentación
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
El análisis del código fue muy complicado debido a la falta de documentación
o mejorarlo. Esto a su vez provoca que, al no disponer de una implementación
de referencia sencilla, sea muy difícil implementar un recolector nuevo.
+.. highlight:: d
+
Este es, probablemente, la raíz de todos los demás problemas del recolector
actual. Para ilustrar la dimensión del problema se presenta la implementación
real de la función ``bigAlloc()``::
De todas maneras queda mucho lugar para mejoras, y es un tema recurrente en el
grupo de noticias de D_ y se han discutido formas de poder hacer que, al menos
el *heap* sea preciso [NGD44607]_ [NGD29291]_. Además se mostró un interés
-general por tener un recolector más preciso [NGDN87831]_, pero no han habido
+general por tener un recolector más preciso [NGD87831]_, pero no han habido
avances al respecto.
Otra forma de minimizar los efectos de la falta de precisión que se ha
Se ha sugerido en el pasado el uso de *pools* y listas de libres específicos
de hilos, de manera de disminuir la contención, al menos para la asignación de
-memoria [NGD75952]_ [NGDN87831]_.
+memoria [NGD75952]_ [NGD87831]_.
Además se ha mostrado un interés por tener un nivel de concurrencia aún mayor
en el recolector, para aumentar la concurrencia en ambientes *multi-core* en
general pero en particular para evitar grandes pausas en programas con
requerimientos de tiempo real, históricamente una de las principales críticas
-al lenguaje [NGDN87831]_ [NGL3937]_ [NGD22968]_ [NGA15246]_ [NGD5622]_
+al lenguaje [NGD87831]_ [NGL3937]_ [NGD22968]_ [NGA15246]_ [NGD5622]_
[NGD2547]_ [NGD18354]_.
Finalización
^^^^^^^^^^^^
El recolector actual no garantiza la finalización de objetos. En particular
-los objetos no son finalizados (es decir, no se llama a sus destructores)
-si aún alcanzables desde el *root set* cuando el programa termina. Cabe
-destacar que esto puede darse porque hay una referencia real desde el *root
-set* (en cuyo caso queda bajo el control del usuario) pero también, dado que
-el *root set* se visita de forma conservativa, se puede deber a un falso
-positivo, en cuyo caso la omisión de la finalización queda por completo fuera
-del control del usuario (y lo que es aún peor, el usuario no puede ser
-siquiera notificado de esta anomalía).
+los objetos no son finalizados (es decir, no se llama a sus destructores) si
+aún alcanzables desde el *root set* cuando el programa termina. Cabe destacar
+que esto puede darse porque hay una referencia real desde el *root set* (en
+cuyo caso queda bajo el control del usuario) pero también, dado que el *root
+set* se visita de forma conservativa, se puede deber a un *falso positivo*, en
+cuyo caso la omisión de la finalización queda por completo fuera del control
+del usuario (y lo que es aún peor, el usuario no puede ser siquiera notificado
+de esta anomalía).
Si bien la especificación de D_ no requiere esta capacidad (de hecho,
rigurosamente hablando la especificación de D_ no garantiza la finalización de
mejorarse:
Listas de libres
- hay 12 listas de libres, como para guardar bloques de tamaño de ``B_16``
+ Hay 12 listas de libres, como para guardar bloques de tamaño de ``B_16``
a ``B_2048``, ``B_PAGE``, ``B_PAGEPLUS``, ``B_UNCOMMITTED`` y ``B_FREE``;
sin embargo solo tienen sentido los bloques de tamaño ``B_16``
a ``B_2048``, por lo que 4 de esas listas no se utilizan.
Conjuntos de bits para indicadores
- los indicadores para la fase de marcado y otras propiedades de un bloque
+ Los indicadores para la fase de marcado y otras propiedades de un bloque
son almacenados en conjuntos de bits que almacenan los indicadores de todos
los bloques de un *pool*. Si bien se ha mencionado esto como una ventaja,
hay lugar todavía como para algunas mejoras. Como un *pool* tiene páginas
actualmente). Esto es propenso a errores y difícil de mantener.
Uso de señales
- el recolector actual utiliza las señales del sistema operativo ``SIGUSR1``
+ El recolector actual utiliza las señales del sistema operativo ``SIGUSR1``
y ``SIGUSR2`` para pausar y reanudar los hilos respectivamente. Esto
puede traer inconvenientes a usuarios que desean utilizar estas
señales en sus programas (o peor aún, si interactúan con bibliotecas
de C que hacen uso de estas señales) [NGD5821]_.
Marcado iterativo
- si bien esto se mencionó como algo bueno del recolector actual, es un
+ Si bien esto se mencionó como algo bueno del recolector actual, es un
compromiso entre tiempo y espacio, y puede ser interesante analizar otros
métodos para evitar la recursión que no requieran tantas pasadas sobre el
*heap*.
+
+.. _dgc_via:
+
+Análisis de viabilidad
+----------------------------------------------------------------------------
+
+Ya conociendo el lenguaje de programación D_ (con sus necesidades
+particulares), el estado del arte en recolección de basura y el recolector
+actual de D_ es posible evaluar la viabilidad de los distintos algoritmos
+vistos en el capítulo :ref:`gc`. Se recuerda que dentro del análisis de
+viabilidad de considera de gran importancia la viabilidad social y política de
+la mejora, es decir, se presta particular atención en encontrar una mejora que
+tenga una buena probabilidad de ser aceptada por la comunidad de D_.
+
+
+.. _dgc_via_classic:
+
+Algoritmos clásicos
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+
+En esta sección se presenta un análisis de los :ref:`algoritmos clásicos
+<gc_classic>`, de forma de poder analizar a grandes rasgos las principales
+familias para ir determinando la dirección principal de la solución.
+
+
+.. _dgc_via_rc:
+
+Conteo de referencias
+^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
+Ya se ha propuesto en el pasado la utilización de conteo de referencias en D_
+pero no se ha demostrado un interés real, más allá de soluciones en
+bibliotecas [NGD38689]_. Las razones para no utilizar conteo de referencia son
+más o menos las mismas que las desventajas mencionadas en la sección
+:ref:`gc_rc` (en el capítulo :ref:`gc`), siendo la principal la incapacidad de
+recolectar ciclos. Sin embargo hay otras razones importantes.
+
+Una de ellas es la inter-operatividad con C. El utilizar un contador de
+referencias requiere la manipulación del contador por parte del código C con
+el que se interactúe. Si bien este problema ya está presente si código
+C guarda un puntero a un objeto almacenado en el *heap* del recolector de D_
+en el *heap* de C (es decir, en una celda de memoria asignada por
+``malloc()``), esto es poco común. Sin embargo, mientras que una función de
+C se está ejecutando, es extremadamente común que pueda almacenar en el
+*stack* una referencia a un objeto de D_ y en ese caso el recolector actual
+puede manejarlo (mientras la función de C esté corriendo en un hilo creado por
+D_). Sin embargo al usar un conteo de referencias esto es más problemático, ya
+que no se mantiene la invariante del algoritmo si no son actualizados siempre
+los contadores.
+
+Otro problema es que al liberarse una celda, existe la posibilidad de tener
+que liberar todo el sub-grafo conectado a ésta. Cuando este sub-grafo es
+grande, se puede observar una gran pausa.
+
+Si bien estas razones son suficientes como para considerar que el conteo de
+referencias no es un algoritmo que sea viable en D_, hay muchas técnicas
+y optimizaciones para minimizarlas (como liberación perezosa, conteo de
+referencias pospuesto, etc. [JOLI96]_). Sin embargo hay otra razón importante
+que descarta esta familia de algoritmos ya que todas las variaciones de conteo
+de referencias implican, en mayor o menor medida, el entrelazado del trabajo
+del recolector con el del *mutator*. Si bien esta es una característica en
+general muy deseable (porque hace que el recolector sea :ref:`incremental
+<gc_inc>`), en D_ no lo es porque tiene como requerimiento no hacer pagar el
+precio de cosas que no se usan. En D_ debe ser posible no utilizar el
+recolector de basura y, al no hacerlo, no tener ningún tipo de trabajo extra
+asociado a éste. De usarse conteo de referencias esto no sería posible.
+
+Si bien este requerimiento puede ser discutible técnicamente, hay una gran
+resistencia social y política ante cualquier tipo de recolector que imponga
+una penalización de rendimiento a alguien que no quiera usarlo [NGD38689]_.
+Además requiere un cambio complejo y profundo en el compilador, siendo éste
+uno de los eslabones con mayor resistencia a introducir cambios.
+
+Por lo tanto se concluye que el conteo de referencias no es un algoritmo
+viable para este trabajo.
+
+
+.. _dgc_via_mark_sweep:
+
+Marcado y barrido
+^^^^^^^^^^^^^^^^^
+El marcado y barrido es un algoritmo evidentemente viable debido a que es la
+base del algoritmo del recolector de basura actual.
+
+En general en la comunidad de D_ no hay mayores críticas al marcado y barrido
+en sí, si no más bien a problemas asociados a la implementación actual,
+principalmente a las grandes pausas o la falta de :ref:`precisión
+<gc_conserv>` [NGD54084]_ [NGL13744]_ [NGD44607]_ [NGD29291]_ [NGD87831]_
+[NGD87831]_ [NGL3937]_ [NGD22968]_ [NGA15246]_ [NGD5622]_ [NGD2547]_
+[NGD18354]_.
+
+Esta familia de algoritmos se adapta bien a los requerimientos principales de
+D_ en cuanto a recolección de basura (ver :ref:`dgc_needs`), por ejemplo
+permite recolectar de forma conservativa, no impone un *overhead* a menos que
+se utilice el recolector, permite liberar memoria manualmente, se adapta de
+forma simple para soportar punteros *interiores* y permite finalizar objetos
+(con las limitaciones mencionadas en :ref:`dgc_prob_final`).
+
+Sin embargo muchas de las limitaciones del recolector actual (ver
+:ref:`dgc_bad`), no son inherentes al marcado y barrido, por lo que aún
+conservando la base del algoritmo, es posible realizar una cantidad de mejoras
+considerable.
+
+Una de las principales mejoras que pueden realizarse es hacer al recolector
+:ref:`concurrente <gc_concurrent>` y parcialmente más :ref:`preciso
+<gc_conserv>`. Estas dos mejoras solamente alcanzarían para mejorar de forma
+notable el tiempo de pausa en las recolecciones y la cantidad de memoria
+retenida debido a *falsos positivos*.
+
+Más adelante veremos detalles sobre algunos de estos aspectos y sobre algunos
+algoritmos particulares que permiten hacer concurrente al recolector actual.
+
+
+Copia de semi-espacio
+^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
+La copia de semi-espacio, al igual que cualquier otro tipo de recolector con
+movimiento, requiere (en la mayoría de los casos) disponer de una
+:ref:`precisión <gc_conserv>` casi completa. Las celdas para las cuales hay
+alguna referencia que no es precisa no pueden ser movidas, ya que al no estar
+seguros que la referencia sea tal, ésta no puede ser actualizada con la
+dirección de la nueva ubicación de la celda movida porque de no ser una
+referencia se estarían alterando datos del usuario, corrompiéndolos.
+
+Es por esto que si el recolector no es mayormente preciso, las celdas que
+pueden ser movidas son muy pocas y, por lo tanto, se pierden las principales
+ventajas de esta familia de recolectores (como la capacidad de asignar nueva
+memoria mediante *pointer bump allocation*).
+
+Este aumento de precisión, sin embargo, es bastante realizable. Es posible, en
+teoría, hacer que al menos el *heap* sea preciso, aunque es discutible si en
+la práctica es aceptable el *overhead* en espacio necesario para almacenar la
+información del tipo de una celda. Esto se analiza en más detalle al evaluar
+la recolección precisa en la siguiente sección.
+
+Si bien las principales herramientas para que sea viable un recolector por
+copia de semi-espacio están disponibles en D_ (como la posibilidad de hacer
+*pinning* the celdas o el potencial incremento de precisión), este lenguaje
+nunca va a poder proveer precisión total, haciendo que no sea posible
+implementar un recolector por copia de semi-espacio puro. Siempre habrá que
+disponer un esquema híbrido para poder manejar las celdas que no puedan
+moverse, incrementado mucho la complejidad del recolector.
+
+Si bien un esquema híbrido es algo técnicamente posible, nuevamente la
+resistencia social a un cambio de esta envergadura es de importancia
+suficiente como para inclinarse por una solución menos drástica.
+
+
+.. _dgc_via_art:
+
+Principales categorías del estado del arte
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+
+En esta sección se realiza un análisis de la viabilidad de las principales
+categorías de recolectores según se presentaron en la sección :ref:`gc_art`.
+
+Recolección directa / indirecta
+^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
+Como se ha visto al analizar el conteo de referencias, lo más apropiado para
+D_ pareciera ser continuar con el esquema de recolección indirecta, de forma
+tal de que el precio de la recolección solo deba ser pagado cuando el
+*mutator* realmente necesita del recolector. Es por esto que no parece ser una
+opción viable introducir recolección directa en este trabajo.
+
+
+Recolección incremental
+^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
+La recolección incremental puede ser beneficiosa para D_, dado que puede
+servir para disminuir el tiempo de pausa del recolector. Sin embargo, en
+general es necesario instrumentar el *mutator* para reportar cambios en el
+grafo del conectividad al recolector. Además puede contar con los mismos
+problemas que la recolección directa, puede hacer que el usuario tenga que
+pagar el precio de la recolección, incluso cuando no la necesita, si por cada
+asignación el recolector realiza parte de una recolección que no fue
+solicitada.
+
+Recolección concurrente / paralela / *stop-the-world*
+^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
+El recolector actual es *stop-the-world*, sin embargo esta es una de las
+principales críticas que tiene. El recolector se podría ver beneficiado de
+recolección paralela, tanto para realizar la recolección más velozmente en
+ambientes multi-procesador, como para disminuir el tiempo de pausa. Sin
+embargo, el hecho de que todos los hilos se pausen para realizar parte del
+trabajo del recolector puede ser contraproducente para programas *real-time*
+que pretendan usar un hilo que no sufra de la latencia del recolector,
+asegurando que nunca lo use (aunque se podrían ver esquemas para ajustarse
+a estas necesidades).
+
+En general los recolectores concurrentes necesitan también instrumentar el
+*mutator* para reportar cambios en el grafo de conectividad al recolector,
+como sucede con la recolección directa o incremental, sin embargo hay
+algoritmos que no tienen este requerimiento, utilizando servicios del sistema
+operativo para tener una *fotografía* de la memoria para que la fase de
+marcado pueda realizarse sin perturbar al *mutator* ni requerir de su
+cooperación [RODR97]_. Este tipo de algoritmos serían un buen candidato para
+D_, dado que requiere pocos cambios y es transparente al *mutator*.
+
+
+Recolección conservativa / precisa
+^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
+Si bien D_ puede proveer al recolector de basura información de tipos para los
+objetos almacenados en el *heap*, todo recolector para D_ deberá soportar
+cierto grado de recolección conservativa (ver :ref:`gc_conserv`), debido a las
+siguientes razones:
+
+* Si bien D_ podría incorporar información de tipos para el *stack*
+ (utilizando, por ejemplo, la técnica de *shadow stack* [HEND02]_), para
+ poder interactuar con C/C++, el recolector debe poder interpretar los *stack
+ frames* [#dgcstackframe]_ de estos lenguajes, que no disponen de información
+ de tipos.
+
+* Los registros del procesador tienen un problema similar, con la diferencia
+ de que el costo de implementar algo similar a *shadow stack* para los
+ registros sería impracticable, más allá de que exista la misma limitación
+ que con el *stack* para poder interactuar con C/C++.
+
+* D_ soporta uniones (ver :ref:`d_low_level`). Para una unión es imposible
+ determinar si un campo es un puntero o no. Por ejemplo::
+
+ union U {
+ size_t x;
+ void* p;
+ }
+
+ Aquí el recolector no puede saber nunca si el valor almacenado será un
+ ``size_t`` o un ``void*``, por lo tanto deberá tratar **siempre** esa
+ palabra de forma conservativa (es decir, interpretarla como un *posible*
+ puntero). Este requerimiento puede ser relajado si el usuario proveyera
+ alguna forma de determinar que tipo está almacenando la unión en un
+ determinado momento. Sin embargo el costo de pedir al usuario este tipo de
+ restricción puede ser muy alto.
+
+Sin embargo, ya hay un trabajo relacionado avanzando en este sentido, que
+agrega precisión al marcado del *heap*. David Simcha comienza con este trabajo
+explorando la posibilidad de agregar precisión parcial al recolector,
+generando información sobre la ubicación de los punteros para cada tipo
+[DBZ3463]_. Su trabajo se limita a una implementación a nivel biblioteca de
+usuario y sobre `D 2.0`_. Desafortunadamente su trabajo pasa desapercibido
+por un buen tiempo.
+
+Sin embargo un tiempo después Vincent Lang (mejor conocido como *wm4* en la
+comunidad de D_), retoma este trabajo, pero modificando el compilador DMD_
+y trabajando con `D 1.0`_ y Tango_. Es por esto que el aumento de precisión
+parece ser un área fértil para este trabajo, en particular si se colabora con
+el trabajo realizado por David y Vincent.
+
+.. [#dgcstackframe] Un *stack frame* (*marco de la pila* en castellano),
+ también conocido como *activation record* (o *registro de activación* en
+ castellano) es una estructura de datos dependiente de la arquitectura que
+ contiene información del estado de una función, incluyendo, por ejemplo,
+ sus variables locales, parámetros y dirección de retorno.
+
+
+Recolección con movimiento de celdas
+^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
+Esta posibilidad ya se ha discutido al analizar la posibilidad de utilizar
+recolección con copia de semi-espacios. El trabajo mencionado en la sub-sección
+anterior agrega información suficiente como poder diferenciar que celdas se
+pueden mover y cuales no, sin embargo queda como incógnita qué proporción de
+celdas deben permanecer inmovilizadas como para evaluar si un cambio tan
+grande puede rendir frutos o no.
+
+A priori, pareciera que la relación cantidad y complejidad de cambios sobre
+beneficios potenciales no fuera muy favorable a esta mejora.
+
+
+Lista de libres / *pointer bump allocation*
+^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
+Como consecuencia de los puntos anteriores, no es técnicamente posible
+realizar *pointer bump allocation* pura en D_. Al haber objetos *pinned*,
+siempre es necesario o bien contar con una lista de libres, o detectar
+*huecos* en un esquema de *pointer bump allocation*. Es por esto que parece
+ser más viable conservar el esquema de listas de libres.
+
+Esta mejora también entra en la categoría de opciones viables pero cuya
+complejidad no parece valer la pena dada la limitada utilidad que se espera
+dadas las particulares características de D_ en cuanto a precisión de
+información de tipos de *stack*, uniones, etc.
+
+
+Recolección por particiones / generacional
+^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
+Una vez más la recolección por particiones, en particular la generacional,
+requiere de la instrumentación del *mutator* para comunicar cambios en el
+grafo de conectividad al recolector, por lo que es poco viable. Aunque existen
+algoritmos que no necesitan este tipo de comunicación dado que está
+garantizado que no existan conexiones entre celdas de las distintas
+particiones, requiere grandes cambios en el compilador y realizar análisis
+estático bastante complejo [HIRZ03]_. Además al ser D_ un lenguaje de bajo
+nivel, es muy difícil garantizar que estas conexiones inter-particiones no
+puedan existir realmente; y de poder lograrlo, podría ser demasiado
+restrictivo.
+
+
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