-.. Introducción a la importancia de la recolección de basura y sus
- principales técnicas, con sus ventajas y desventajas. También se da
- un breve recorrido sobre el estado del arte.
- ESTADO: TERMINADO
-
-
.. _gc:
Recolección de basura
Cabe aclarar que esta es una definición conceptual, asumiendo que el programa
siempre limpia una dirección de memoria almacenada en el *root set* o una
celda del *heap* cuando la celda a la que apunta no va a ser utilizada
-nuevamente. Esto no es siempre cierto y los falsos positivos que esto produce
-se conoce como un tipo de pérdida de memoria (que es posible incluso al
-utilizar un recolector de basura) llamada pérdida de memoria *lógica*. Esto
+nuevamente. Esto no es siempre cierto y los *falsos positivos* que esto
+produce se conoce como un tipo de pérdida de memoria (que es posible incluso
+al utilizar un recolector de basura) llamada pérdida de memoria *lógica*. Esto
puede no ser evitable (incluso cuando el programador no cometa errores) en
lenguajes de programación que requieran un recolector de basura conservativo.
Más formalmente, Definimos:
*Camino*
- secuencia de vértices tal que cada uno de los vértices tiene una arista al
- próximo vértice en la secuencia. Todo camino finito tiene un *vértice
- inicial* y un *vértice final* (llamados en conjunto *vértices terminales*).
- Cualquier vértice no terminal es denominado *vértice interior*.
+ Es una secuencia de vértices tal que cada uno de los vértices tiene una
+ arista al próximo vértice en la secuencia. Todo camino finito tiene un
+ *vértice inicial* y un *vértice final* (llamados en conjunto *vértices
+ terminales*). Cualquier vértice no terminal es denominado *vértice
+ interior*.
.. math::
interior* puede ser un *vértice terminal*.
*Conexión*
- decimos que :math:`M` está *conectado* a :math:`N` si y sólo si existe un
+ Decimos que :math:`M` está *conectado* a :math:`N` si y sólo si existe un
camino de :math:`M` a :math:`N`.
.. math::
M \mapsto N \Longleftrightarrow \exists \underset{M \to N}{C} \in G
*Live set*
- el conjunto de celdas *vivas* está dado por todos los vértices (:math:`v`)
- del grafo para los cuales existe una raíz en el *root set* que esté
- conectada a él.
+ Es el conjunto de celdas *vivas* está dado por todos los vértices
+ (:math:`v`) del grafo para los cuales existe una raíz en el *root set* que
+ esté conectada a él.
.. math::
\right\rbrace
*Basura*
- la basura, o celdas *muertas*, quedan determinadas entonces por todas las
+ La basura, o celdas *muertas*, quedan determinadas entonces por todas las
celdas del *heap* que no son parte del *live set*.
.. math::
Basura = V - Live \thickspace set
-Esto es, efectivamente, una partición del *heap* (ver figura
+El *Live set* y la *Basura* conforman una partición del *heap* (ver figura
:vref:`fig:gc-heap-parts`).
-.. fig:: fig:gc-heap-parts
+.. flt:: fig:gc-heap-parts
- Distintas partes de la memoria *heap*.
+ Distintas partes de la memoria *heap*
Distintas partes de la memoria, incluyendo relación entre *basura*, *live
set*, *heap* y *root set*.
*basura* (en blanco).
-.. fig:: fig:gc-mark-1
+.. flt:: fig:gc-mark-1
- Ejemplo de marcado del grafo de conectividad (parte 1).
+ Ejemplo de marcado del grafo de conectividad (parte 1)
- .. subfig::
+ .. subflt::
Se comienza a marcar el grafo por la raíz r0.
}
- .. subfig::
+ .. subflt::
Luego de marcar el nodo ``h1``, se procede al ``h2``.
}
- .. subfig::
+ .. subflt::
Luego sigue el nodo h5.
}
-.. fig:: fig:gc-mark-2
+.. flt:: fig:gc-mark-2
- Ejemplo de marcado del grafo de conectividad (parte 2).
+ Ejemplo de marcado del grafo de conectividad (parte 2)
- .. subfig::
+ .. subflt::
El nodo h5 tiene una arista al h1, pero el h1 ya fue visitado, por lo
tanto no se visita nuevamente.
}
- .. subfig::
+ .. subflt::
Se concluye el marcado del sub-grafo al que conecta r0, se procede
a marcar el sub-grafo al que conecta r1, marcando al nodo h6.
}
- .. subfig::
+ .. subflt::
El nodo h6 tiene una arista al h2, pero éste ya fue marcado por lo
que no se vuelve a visitar. No hay más raíces, se finaliza el marcado
Una vez que no hay más celdas grises, tenemos la garantía de que las celdas
negras serán el *live set* y las celdas blancas *basura*. Esto se debe a que
siempre se mantiene esta invariante: **ninguna celda negra apunta directamente
-a una celda blanca**. Las celdas blancas siempre son apuntadas por celdas
-blancas o grises. Entonces, siempre que el conjunto de celdas grises sea
-vacío, no habrán celdas negras conectadas a blancas, siendo las celdas blancas
-*basura*.
+a una celda blanca** (considerando como atómica la operación de pintar una
+celda de negro y a sus hijas directas de gris). Las celdas blancas siempre son
+apuntadas por celdas blancas o grises. Entonces, siempre que el conjunto de
+celdas grises sea vacío, no habrán celdas negras conectadas a blancas, siendo
+las celdas blancas *basura*.
El algoritmo básico para marcar con tres colores es el siguiente (asumiendo
que todas las celdas parten pintadas de blanco, es decir, el conjunto blanco
Servicios utilizados por el recolector son los siguientes:
:math:`alloc() \to cell`
- obtiene una nueva celda de memoria. El mecanismo por el cual se obtiene la
+ Obtiene una nueva celda de memoria. El mecanismo por el cual se obtiene la
celda es indistinto para esta sección, puede ser de una lista libre, puede
ser de un administrador de memoria de más bajo nivel provisto por el
sistema operativo o la biblioteca estándar de C (``malloc()``), etc. Cómo
puede ser fácilmente relajada (en los recolectores que la tienen).
:math:`free(cell)`
- libera una celda que ya no va a ser utilizada. La celda liberada debe haber
+ Libera una celda que ya no va a ser utilizada. La celda liberada debe haber
sido obtenida mediante ``alloc()``.
Y los servicios básicos proporcionados por el recolector son los siguientes:
:math:`new() \to cell`
- obtiene una celda de memoria para ser utilizada por el programa.
+ Obtiene una celda de memoria para ser utilizada por el programa.
:math:`update(ref, cell)`
- notifica al recolector que la referencia :math:`ref` ahora apunta
+ Notifica al recolector que la referencia :math:`ref` ahora apunta
a :math:`cell`. Visto más formalmente, sería análogo a decir que hubo un
cambio en la conectividad del grafo: la arista :math:`src \to old` cambia
por :math:`src \to new` (donde :math:`src` es la celda que contiene la
:math:`src \to old`.
:math:`del(cell)`
- este servicio, según el algoritmo, puede ser utilizado para informar un
+ Este servicio, según el algoritmo, puede ser utilizado para informar un
cambio en la conectividad del grafo, la eliminación de una arista (análogo
a :math:`update(ref, null)` pero sin proporcionar información sobre la
arista a eliminar). Esto es generalmente útil solo en :ref:`conteo de
\big\rbrace`.
:math:`collect()`
- indica al recolector que debe hacer un análisis del grafo de conectividad
- en busca de *basura*. Generalmente este servicio es invocado por el propio
- recolector cuando no hay más celdas reciclables.
+ Este servicio indica al recolector que debe hacer un análisis del grafo de
+ conectividad en busca de *basura*. Generalmente este servicio es invocado
+ por el propio recolector cuando no hay más celdas reciclables.
No todos los servicios son implementados por todos los recolectores, pero son
lo suficientemente comunes como para describirlos de forma general en esta
*live set* ya que sus contadores siguen siendo mayores a 0 (ver figura
:vref:`fig:gc-rc-rm-2`).
-.. fig:: fig:gc-rc-rm-1
+.. flt:: fig:gc-rc-rm-1
- Ejemplo de conteo de referencias: eliminación de una referencia (parte 1).
+ Ejemplo de conteo de referencias: eliminación de una referencia (parte 1)
Eliminación de la referencia ``r0`` :math:`\to` ``h1`` (parte 1).
- .. subfig::
+ .. subflt::
Estado inicial del grafo de conectividad.
}
- .. subfig::
+ .. subflt::
Al ejecutarse ``update(r0, null)``, se comienza por visitar la celda
``h1``.
}
- .. subfig::
+ .. subflt::
Se decrementa el contador de ``h1`` quedando en 0 (pasa a ser *basura*).
Se elimina primero ``h1.l`` y luego ``h1.r``.
}
-.. fig:: fig:gc-rc-rm-2
+.. flt:: fig:gc-rc-rm-2
:padding: 0.5
- Ejemplo de conteo de referencias: eliminación de una referencia (parte 2).
+ Ejemplo de conteo de referencias: eliminación de una referencia (parte 2)
Eliminación de la referencia ``r0`` :math:`\to` ``h1`` (parte 2).
- .. subfig::
+ .. subflt::
Se decrementa el contador de ``h2`` pero no queda en 0 (permanece en el
*live set*).
}
- .. subfig::
+ .. subflt::
El contador de ``h3`` tampoco queda en 0, sigue en el *live set*.
contador de ``h2`` que queda en 0, transformándose en *basura* (ver figura
:vref:`fig:gc-rc-up-1`).
-.. fig:: fig:gc-rc-up-1
+.. flt:: fig:gc-rc-up-1
- Ejemplo de conteo de referencias: actualización de una referencia (parte 1).
+ Ejemplo de conteo de referencias: actualización de una referencia (parte 1)
Cambio en la referencia ``h3.l`` :math:`\to` ``h2`` a ``h3.l`` :math:`\to`
``h5`` (parte 1).
- .. subfig::
+ .. subflt::
Comienza ``update(h3.l, h5)``, se incrementa el contador de ``h5``.
}
- .. subfig::
+ .. subflt::
Luego se procede a visitar la antigua referencia de ``h3.l`` (``h2``).
}
- .. subfig::
+ .. subflt::
Se decrementa el contador de ``h2`` y queda en 0 (pasa a ser *basura*).
Se eliminan las referencias a las hijas.
};
h1 [ label = "h1\n0|<l> l|<r> r" ];
- h2 [ label = "h2\n1|<l> l|<r> r" ];
+ h2 [ label = "h2\n0|<l> l|<r> r" ];
h3 [ label = "h3\n2|<l> l\n*|<r> r" ];
h4 [ label = "h4\n1|<l> l|<r> r" ];
h5 [ label = "h5\n2|<l> l|<r> r" ];
de actualizar la referencia ``h3.l`` para que apunte a ``h5`` (ver figura
:vref:`fig:gc-rc-up-2`).
-.. fig:: fig:gc-rc-up-2
+.. flt:: fig:gc-rc-up-2
- Ejemplo de conteo de referencias: actualización de una referencia (parte 2).
+ Ejemplo de conteo de referencias: actualización de una referencia (parte 2)
Cambio en la referencia ``h3.l`` :math:`\to` ``h2`` a ``h3.l`` :math:`\to`
``h5`` (parte 2).
- .. subfig::
+ .. subflt::
Se decrementa el contador de ``h4`` quedando en 0, pasa a ser *basura*.
Se continúa con ``h5``.
};
h1 [ label = "h1\n0|<l> l|<r> r" ];
- h2 [ label = "h2\n1|<l> l|<r> r" ];
+ h2 [ label = "h2\n0|<l> l|<r> r" ];
h3 [ label = "h3\n2|<l> l\n*|<r> r" ];
h4 [ label = "h4\n0|<l> l|<r> r" ];
h5 [ label = "h5\n2|<l> l|<r> r" ];
}
- .. subfig::
+ .. subflt::
Se decrementa el contador de ``h5`` pero sigue siendo mayor que 0.
};
h1 [ label = "h1\n0|<l> l|<r> r" ];
- h2 [ label = "h2\n1|<l> l|<r> r" ];
+ h2 [ label = "h2\n0|<l> l|<r> r" ];
h3 [ label = "h3\n2|<l> l\n*|<r> r" ];
h4 [ label = "h4\n0|<l> l|<r> r" ];
h5 [ label = "h5\n1|<l> l|<r> r" ];
}
- .. subfig::
+ .. subflt::
Se termina por actualizar la referencia de ``h3.l`` para que apunte
a ``h5``.
pueden ser recicladas y su memoria es perdida (ver figura
:vref:`fig:gc-rc-cycle`).
-.. fig:: fig:gc-rc-cycle
+.. flt:: fig:gc-rc-cycle
:padding: 0.5
- Ejemplo de conteo de referencias: pérdida de memoria debido a un ciclo.
+ Ejemplo de conteo de referencias: pérdida de memoria debido a un ciclo
Eliminación de la referencia ``r1`` :math:`\to` ``h3`` (pérdida de memoria
debido a un ciclo).
- .. subfig::
+ .. subflt::
El ejecutarse ``update(r1, null)`` se visita la celda ``h3``.
}
- .. subfig::
+ .. subflt::
Se decrementa el contador de ``h3`` pero sigue siendo mayor que 0 por el
ciclo.
sucede y se acumulan muchos *huecos* se dice que la memoria está
*fragmentada*.
-.. fig:: fig:gc-copy
+.. flt:: fig:gc-copy
- Estructura del *heap* de un recolector con copia de semi-espacios.
+ Estructura del *heap* de un recolector con copia de semi-espacios
.. aafig::
:aspect: 70
allocator*, ya que la organización del *heap* y la forma de asignar memoria es
parte fundamental de este algoritmo. Se asume que ya hay dos áreas de memoria
del mismo tamaño destinadas al *Fromspace* y *Tospace*, y la existencia de
-4 variables: ``fromspace`` (que apunta a la base del *Fromspace*), ``tospace``
-(que apunta a la base del *Tospace*), ``spacesize`` (que contiene el tamaño de
-un semi-espacio) y ``free`` (que apunta al lugar del *Fromspace* donde
-comienza la memoria libre). También vale aclarar que este algoritmo soporta
-inherentemente celdas de tamaño variable, por lo que los servicios ``alloc()``
-y ``new()`` [#gccopynew]_ reciben como parámetro el tamaño de la celda
-a asignar::
+4 variables globales: ``fromspace`` (que apunta a la base del *Fromspace*),
+``tospace`` (que apunta a la base del *Tospace*), ``spacesize`` (que contiene
+el tamaño de un semi-espacio) y ``free`` (que apunta al lugar del *Fromspace*
+donde comienza la memoria libre). También vale aclarar que este algoritmo
+soporta inherentemente celdas de tamaño variable, por lo que los servicios
+``alloc()`` y ``new()`` [#gccopynew]_ reciben como parámetro el tamaño de la
+celda a asignar::
function alloc(size) is
if free + size > fromspace + spacesize
function copy(cell) is
if cell.forwarding_address is null
cell.forwarding_address = free
+ cell.copy_to(free)
free = free + cell.size
foreach child in cell
child = copy(child)
*forwarding address* a la nueva ubicación (ver figura
:vref:`fig:gc-copy-ex-1`).
-.. fig:: fig:gc-copy-ex-1
+.. flt:: fig:gc-copy-ex-1
- Ejemplo de recolección con copia de semi-espacios (parte 1).
+ Ejemplo de recolección con copia de semi-espacios (parte 1)
- .. subfig::
+ .. subflt::
Estructura inicial del *heap*. El *Fromspace* está complete y se inicial
la recolección.
| "Tospace" |
+--------------------------------------------------+
- .. subfig::
+ .. subflt::
Se sigue la referencia del *root set*, copiando ``h3`` al *Tospace*
y dejando una *forwarding address*.
ubicación de ``h2`` pero no se vuelve a copiar la celda (ver figura
:vref:`fig:gc-copy-ex-2`).
-.. fig:: fig:gc-copy-ex-2
+.. flt:: fig:gc-copy-ex-2
- Ejemplo de recolección con copia de semi-espacios (parte 2).
+ Ejemplo de recolección con copia de semi-espacios (parte 2)
- .. subfig::
+ .. subflt::
Se sigue :math:`h3 \to h2`, copiando ``h2`` al *Tospace* y dejando una
*forwarding address*.
| "Tospace" |
+--------------------------------------------------+
- .. subfig::
+ .. subflt::
Se sigue :math:`h2 \to h1`, copiando ``h1``. Luego :math:`h1 \to h2`
pero ``h2`` no se copia, sólo se actualiza la referencia con la
nueva ubicación de ``h3``, como se muestra en la figura
:vref:`fig:gc-copy-ex-3`.
-.. fig:: fig:gc-copy-ex-3
+.. flt:: fig:gc-copy-ex-3
- Ejemplo de recolección con copia de semi-espacios (parte 3).
+ Ejemplo de recolección con copia de semi-espacios (parte 3)
- .. subfig::
+ .. subflt::
Se sigue :math:`h1 \to h4` copiando `h4`` al *Tospace* y dejando una
*forwarding address*.
| "Tospace" \------/ |
+--------------------------------------------------+
- .. subfig::
+ .. subflt::
Se finaliza la recolección, se intercambian los roles de los
semi-espacios y se actualiza la referencia del *root set*.
*mutator* requiere asignar memoria pero no hay más memoria libre conocida
disponible y el recolector se encarga de generar la información de
conectividad desde cero para determinar qué celdas son *basura*.
-
-Esta es la madre de toda clasificación, también conocidos como :ref:`conteo de
-referencias <gc_rc>` (directa) y *traicing garbage collection* (indirecta).
Prácticamente todos los recolectores menos el :ref:`conteo de referencias
-<gc_rc>` están dentro de esta última categoría (como por ejemplo, el
-:ref:`marcado y barrido <gc_mark_sweep>` y :ref:`copia de semi-espacio
-<gc_copy>`).
+<gc_rc>` están dentro de esta categoría (como por ejemplo, el :ref:`marcado
+y barrido <gc_mark_sweep>` y :ref:`copia de semi-espacio <gc_copy>`).
Otros ejemplos de recolectores modernos *directos* son el recolector de basura
de Python_ [NAS00]_ y [LINS05]_ (aunque ambos tiene un algoritmo *indirecto*
disponibles para realizar la recolección (ver figura
:vref:`fig:gc-concurrent`).
-.. fig:: fig:gc-concurrent
+.. flt:: fig:gc-concurrent
Distintos tipos de recolectores según el comportamiento en ambientes
- multi-hilo.
+ multi-hilo
- .. subfig::
+ .. subflt::
*Stop-the-world*.
| HH Mutator ZZ Inactivo XX Recolector |
|___________________________________________________________________|
- .. subfig::
+ .. subflt::
Paralelo.
| HH Mutator ZZ Inactivo XX Recolector |
|___________________________________________________________________|
- .. subfig::
+ .. subflt::
Concurrente.
básico que mueve celdas, el **marcado y compactado**. Éste no tiene
2 semi-espacios, directamente mueve las celdas compactándolas al comienzo del
*heap*. El algoritmo es un poco más complejo que la :ref:`copia de
-semi-espacios <gc_copy>` pero suele poder proveer una mayor localidad de
-referencia y *desperdicia* un semi-espacio que está inutilizado salgo en el
-momento de la recolección. Por ejemplo para Mono_, que antes usaba un
-recolector conservativo sin movimiento ([BOEHWD]_) se está implementando un
-recolector de este tipo [MOLAWE]_ [MOLA06]_.
+semi-espacios <gc_copy>` pero suele proveer una mayor localidad de referencia
+y no *desperdicia* un semi-espacio que está inutilizado salvo en el momento de
+la recolección. Por ejemplo para Mono_, que antes usaba un recolector
+conservativo sin movimiento ([BOEHWD]_) se está implementando un recolector de
+este tipo [MOLAWE]_ [MOLA06]_.
.. _gc_conserv:
-Recolectores conservativos vs precisos
+Recolectores conservativos versus precisos
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
Los recolectores *conservativos* son aquellos que tienen la capacidad de poder
que en realidad son *basura* simplemente porque hay algún dato que coincide
con la dirección de memoria en la que está almacenada esa celda *basura*
[#gcflasepos]_. Además los recolectores puramente conservativos no puede mover
-celdas (ver :ref:`gc_moving`), porque no pueden arriesgarse a actualizar los
-punteros por el riesgo que existe de que sean falsos positivos.
+celdas (ver :ref:`gc_moving`), dado que no pueden actualizar los supuestos
+punteros por la posibilidad de que sean *falsos positivos*.
.. [#gcflasepos] Esto es lo que se conoce como un *falso positivo*, algo que
aparenta ser un puntero pero en realidad no lo es.
Entonces, si el recolector tiene algún mecanismo para identificar zonas de
alta concentración de *basura* puede hacer la recolección solo en ese área
-donde el trabajo va a ser mejor recompensado (ver :vref:`fig:gc-part`).
+donde el trabajo va a ser mejor recompensado (ver figura :vref:`fig:gc-part`).
-.. fig:: fig:gc-part
+.. flt:: fig:gc-part
- Concentración de basura en distintas particiones del *heap*.
+ Concentración de basura en distintas particiones del *heap*
.. aafig::
:scale: 110
Sin embargo, a pesar de ser este el esquema más difundido para dividir el
*heap* y realizar una recolección parcial sobre un área de alta concentración
-de basura no es la única. Otros recolectores proponen hacer un análisis
+de basura, no es la única. Otros recolectores proponen hacer un análisis
estático del código revisando la conectividad entre los objetos según sus
tipos (esto es posible solo en lenguajes con *tipado* estático), de manera tal
de separar en distintas áreas grupos de tipos que no pueden tener referencias
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