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Aclarar qué variables son globales en copying collector
[z.facultad/75.00/informe.git] / source / conclusion.rst
index 8016852a3a8661cd9b0eccef9b5450f62abb61ff..f702eef2f7bb4dcea62480065270d33fb42c7106 100644 (file)
 
 
-.. Se presentan las conclusiones del trabajo, comparando los resultados
-   obtenidos con el punto de partida. Se mencionan puntos pendientes o
-   nuevas líneas de investigación.
-   ESTADO: SIN EMPEZAR
-
-
 .. _conclusion:
 
 Conclusión
 ============================================================================
 
 .. _conclusion:
 
 Conclusión
 ============================================================================
 
-TODO
+Durante el desarrollo de este trabajo se introdujo al lenguaje de programación
+D_ y a los conceptos básicos de recolección de basura. Luego se analizó el
+recolector de basura actual y se señalaron sus principales falencias,
+proponiendo un conjunto de modificaciones con el objeto de subsanarlas.
+Para evaluar los resultados de las modificaciones se construyó un banco de
+pruebas variado para poder analizar tanto aspectos particulares como el
+funcionamiento de programas reales; y se establecieron métricas para
+cuantificar dichos resultados.
+
+El objetivo principal fue bajar la latencia del recolector, es decir el tiempo
+máximo de pausa real, y se pudo comprobar que, salvo en casos muy
+particulares, esto fue conseguido de manera contundente (con tiempos de pausa
+hasta 200 veces menores que el recolector original de D_). La inclusión del
+marcado concurrente demostró ser una forma eficaz de atacar el problema.
+
+La aceptación de la solución por parte de la comunidad también ha sido un
+objetivo importante de este trabajo, y si bien en este sentido sigue siendo un
+trabajo en progreso, la recepción ha sido ampliamente positiva por parte de la
+comunidad y se espera que el resultado de este trabajo sea incorporado en el
+corto plazo tanto a `D 1.0`_ a través de Tango_, como a `D 2.0`_.
+
+Además de los objetivos principales se cumplieron otros objetivos anexos, pero
+no por eso menos importantes. Para la aplicación real el tiempo total de
+ejecución se ha reducido hasta casi una tercera parte, y para otras
+aplicaciones pequeñas se ha reducido más de 17 veces. Estos resultados han
+sido particularmente sorprendentes, siendo que la reducción del tiempo total
+de ejecución no ha sido parte del objetivo principal y no se habían encontrado
+referencias en la bibliografía de casos similares (por el contrario, en
+general la baja de la latencia suele estar acompañada de una suba en el tiempo
+total de ejecución).
+
+Se ha podido experimentar además con el marcado preciso, otro de los problemas
+del recolector más presentes en la comunidad. Los resultados obtenidos son
+variados, encontrando casos donde se consigue una mejoría notoria y otros en
+donde la forma de almacenar la información de tipos produce resultados poco
+satisfactorios.
+
+La mayor flexibilidad del recolector al ser configurable también ha demostrado
+ser útil. Por un lado para este mismo trabajo, al permitir realizar mediciones
+sobre el mismo binario utilizando diferentes configuraciones. Por otro, la
+amplia gama de resultados dispares obtenidos son una buena muestra de que no
+existen *balas de plata*, y cada programa tiene necesidades particulares en
+cuanto a recolección de basura. Por lo tanto, distintos programas pueden verse
+beneficiados o perjudicados por diferentes configuraciones. Esto hace que la
+posibilidad de configurar el recolector en tiempo de inicialización sea
+particularmente útil.
+
+Finalmente, algunas optimizaciones muy pequeñas demostraron ser también muy
+valiosas para ciertos casos particulares, logrando reducciones en el tiempo
+total de ejecución de hasta 5 veces.
+
+
+
+.. _con_pending:
+
+Puntos pendientes, problemas y limitaciones
+----------------------------------------------------------------------------
+
+Si bien los objetivos de este trabajo han sido alcanzados con éxito, hay
+varias pequeñas mejoras que han quedado pendientes y algunos problemas
+y limitaciones conocidas. A continuación se describe cada una de ellos.
+
+* Emisión de mensajes informativos para depuración.
+
+  Entre las herramientas de depuración que provee el recolector, no se ha
+  mencionado la posibilidad de emitir opcionalmente mensajes informativos para
+  ayudar a depurar tanto problemas en el recolector como en el programa que lo
+  usa. El recolector actual tiene esa posibilidad pero es configurable en
+  tiempo de compilación. En este trabajo se agregaron las opciones en tiempo
+  de inicialización ``log_file`` y ``verbose`` con el propósito de poder
+  elegir un archivo en donde guardar los mensajes informativos y el nivel de
+  detalle de dichos mensajes respectivamente, pero finalmente nunca se
+  implementaron.
+
+* Predicción para estimar cuando lanzar una recolección temprana.
+
+  Las recolecciones se lanzan de manera temprana según la opción ``min_free``.
+  Una mejor aproximación podría ser predecir cuando se va a agotar la memoria
+  libre de forma adaptativa, calculando la tasa de asignación de memoria
+  y el tiempo total que tomó la recolección. Esta estimación se podría mejorar
+  guardando un historial de que tan acertada fue para recolecciones pasadas. La
+  predicción ideal debería ser capaz de:
+
+  * Evitar tiempos de pausa (es decir, que la recolección temprana termine antes
+    de que se agote la memoria libre).
+  * No realizar recolecciones innecesarias (es decir, no lanzar recolecciones
+    tempranas si el programa no está pidiendo memoria a una tasa suficientemente
+    alta).
+
+* Explosión del uso de memoria con creación ansiosa de *pools*.
+
+  Se ha observado que en situaciones muy particulares, al usar creación
+  ansiosa de *pools* (o *eager allocation*), el uso de memoria crece
+  desmesuradamente. Si bien este efecto se ve principalmente en las pruebas
+  sintetizadas con tal fin, algunos programas reales lo sufren también, pero
+  en general se puede atenuar utilizando también *early collection*.
+  Recordemos además, que lo analizado es el consumo **máximo** de memoria, por
+  lo que una ráfaga de pedidos de memoria podría crear un pico, pero durante
+  la mayor parte del transcurso del programa el consumo de memoria podría ser
+  mucho menor. Queda pendiente analizar los casos puntuales con alguna métrica
+  más detallada sobre el progreso del uso de memoria.
+
+  También queda pendiente buscar alguna estimación de cuándo es conveniente
+  utilizar *eager allocation* de forma adaptativa, dado que en general se ve
+  que cuando explota el consumo de memoria, también explota el tiempo de
+  pausa, lo que quita gran parte del sentido de usar *eager allocation* en
+  primer lugar. Estimando de alguna manera cuanto va a crecer el tiempo de
+  pausa debido a esta opción, se podría desactivar temporalmente cuando no
+  haya ganancia en el tiempo de pausa para evitar esta explosión ante ráfagas
+  de pedidos de memoria.
+
+* Reestructuración y limpieza del código.
+
+  Si bien se han hecho muchas mejoras a nivel de estructura y limpieza de
+  código, ha quedado mucho pendiente. Todavía hay bastante repetición en el
+  código y se mantiene la arquitectura básica del recolector.
+
+* Experimentación con la llamada al sistema :manpage:`clone(2)`.
+
+  Linux_ implementa la llamada al sistema :manpage:`fork(2)` a través de otra de
+  más bajo nivel llamada :manpage:`clone(2)`. :manpage:`clone(2)` permite una
+  granularidad a la hora de indicar que partes del proceso deben ser copiadas al
+  hijo y cuales deben ser compartidas mucho mayor que :manpage:`fork(2)`. Por
+  ejemplo, se puede compartir toda la memoria del proceso, siendo este el
+  mecanismo por el cual Linux_ implementa los hilos. Para este trabajo podría
+  ser beneficioso usar :manpage:`clone(2)` para evitar copiar otro tipo de
+  estructuras dado que el proceso
+  hijo, al correr solo la fase de marcado, nunca va a interferir el *mutator*.
+  Se podría experimentar no copiando las siguientes estructuras, por ejemplo:
+
+  ``CLONE_FILES``
+     Tabla de descriptores de archivo.
+
+  ``CLONE_FS``
+     Tabla de sistemas de archivo montados.
+
+  ``CLONE_IO``
+     Contextos de entrada/salida.
+
+  ``CLONE_SIGHAND``
+     Tabla de manejadores de señales.
+
+* Uso de memoria compartida.
+
+  Al realizar marcado concurrente, si el *mutator* usa memoria compartida entre
+  procesos que almacene punteros al *heap* podría haber problemas, dado que la
+  fase de barrido no estaría trabajando con una *fotografía* de la memoria. El
+  grafo de conectividad podría efectivamente cambiar mientras se corre la fase
+  de barrido y por lo tanto el algoritmo deja de ser correcto, existiendo la
+  posibilidad de que se reciclen celdas *vivas*.
+
+  Dado que el usuario debe registrar cualquier puntero que no sea parte de la
+  memoria estática, *stack* o *heap* del recolector como parte del *root set*,
+  se podría agregar un parámetro extra a la función de registro que indique si
+  los punteros agregados residen en memoria compartida. De este modo, al momento
+  de hacer el :manpage:`fork(2)`, el recolector debería realizar una copia de
+  esos punteros mientras todos los hilos están pausados para obtener
+  efectivamente una *fotografía* estable del *root set*.
+
+* Condición de carrera al utilizar :manpage:`fork(2)`.
+
+  Existe una condición de carrera si se lanzan hilos usando directamente las
+  llamadas al sistema operativo, es decir si no se lanzan a través del soporte
+  de hilos de D_, si el hilo lanzado utiliza archivos con *buffer* de
+  C (``FILE*``). Esto se debe a la siguiente porción de código (introducida por
+  el marcado concurrente)::
+
+     function collect() is
+        stop_the_world()
+        fflush(null) //    <-------------------------
+        child_pid = fork()
+        if child_pid is 0
+           mark_phase()
+           exit(0)
+        // proceso padre
+        start_the_world()
+        wait(child_pid)
+        sweep()
+
+  La llamada a :manpage:`fflush(3)` es necesaria para evitar que los archivos
+  con *buffer* escriban su contenido dos veces al dispositivo, ya que la llamada
+  a :manpage:`fork(2)` duplica el *buffer*, y si bien el archivo no se usa en el
+  proceso con la fase de marcado, la biblioteca estándar de C escribe todos los
+  *buffers* pendientes al terminar el proceso. Esto funciona para los hilos
+  registrados por D_ gracias a que :manpage:`fflush(3)` se llama cuando todos
+  los hilos están pausados, si no un hilo podría escribir al *buffer* justo
+  después de llamar a :manpage:`fflush(3)` pero antes de llamar
+  a :manpage:`fflush(2)`. Es por esto que si hay hilos no registrados por D_ que
+  utilicen manejo de archivos con *buffer* de C, esta condición sí se puede dar
+  y se pueden observar contenidos duplicados en dichos archivos.
+
+  Esta condición de carrera no tiene una solución simple, pero es de esperarse
+  que no sea un problema real dado que no es un escenario común. Sin embargo
+  eventualmente debería analizarse alguna solución más robusta.
 
 
+* Soporte de referencias débiles.
+
+  Tango_ 0.99.9 incluye soporte de referencias débiles. Si bien se incorporó
+  el código para manejar las referencias débiles, se espera que no funcione
+  correctamente con CDGC (no se ha podido comprobar por la falta de programas
+  de prueba que lo utilicen). La razón es que el soporte de referencias
+  débiles de Tango_ 0.99.9 se basa en la premisa de que la fase de marcado
+  corre con todos los hilos pausados, sin embargo al utilizar marcado
+  concurrente, esto no es más cierto. Parecen haber soluciones viables a este
+  problema pero no se han analizado en profundidad aún.
+
+* Pérdida de rendimiento con respecto al recolector original.
+
+  Se ha observado también que, al no utilizar algunas optimizaciones de CDGC
+  (como la mejora del factor de ocupación del *heap*), éste puede tener un
+  rendimiento bastante menor a TBGC. Si bien no se ha investigado en
+  profundidad las causas de esta pérdida de rendimiento, se han identificado
+  algunos factores que podrían ser determinantes.
+
+  Por un lado, se ha observado que la mayor parte del tiempo extra que utiliza
+  CDGC proviene de la fase de marcado, en particular de los cambios
+  introducidos por el marcado preciso. Si bien se puede desactivar el marcado
+  preciso, la lógico en tiempo de ejecución no cambia, por lo que se paga el
+  precio sin obtener los beneficios. Queda pendiente analizar en más detalle
+  las causas de esto y posibles optimizaciones para subsanarlo.
+
+  .. flt:: t:con-staticsize
+     :type: table
+
+     Aumento del tamaño de la memoria estática (bytes)
+
+     ======== ======== ======== =========== ===========
+     Programa TBGC     CDGC     CDGC-TBGC   CDGC/TBGC
+     ======== ======== ======== =========== ===========
+     bh       22208    27604    5396        1.243
+     bigarr   18820    24212    5392        1.287
+     bisort   19836    25232    5396        1.272
+     conalloc 25816    31208    5392        1.209
+     concpu   25816    31208    5392        1.209
+     dil      416900   422300   5400        1.013
+     em3d     20988    26380    5392        1.257
+     mcore    18564    23988    5424        1.292
+     rnddata  188940   194332   5392        1.029
+     sbtree   22196    27588    5392        1.243
+     split    24312    29736    5424        1.223
+     tree     18660    24084    5424        1.291
+     tsp      20772    26168    5396        1.260
+     voronoi  21184    26580    5396        1.255
+     ======== ======== ======== =========== ===========
+
+  Además se ha observado un crecimiento importante en el tamaño del área de
+  memoria estática del programa. En el cuadro :vref:`t:con-staticsize` se
+  puede observar dicho crecimiento para cada uno de los programas del banco de
+  pruebas. Esto se debe a que el recolector original está escrito de una forma
+  muy primitiva, usando muy pocos tipos de datos definidos por el usuario,
+  mientras que CDGC utiliza varias más, incluyendo algunos parametrizados. D_
+  guarda la información de tipos en el área de memoria estática y se genera
+  mucha información por cada tipo. Además no separa el área de memoria
+  estática que debe ser utilizada como parte del *root set* de la que no (no
+  hay necesidad de que la información de tipos sea parte del *root set*). Esto
+  causa que por cada recolección, se tenga que visitar bastante más memoria y,
+  lo que es probablemente peor, que aumente la probabilidad de encontrar
+  *falsos positivos*, dado que este área de memoria se marca siempre de forma
+  conservativa.
+
+  Finalmente, en el cuadro :vref:`t:con-binsize` también se puede observar un
+  incremento en el tamaño del binario, lo que puede ser otra causa de la
+  pérdida de rendimiento, dado que puede afectar a la localidad de referencia
+  del caché, por ejemplo.
+
+  .. flt:: t:con-binsize
+     :type: table
+
+     Aumento del tamaño del binario (bytes)
+
+     ======== ======== ======== =========== ===========
+     Programa TBGC     CDGC     CDGC-TBGC   CDGC/TBGC
+     ======== ======== ======== =========== ===========
+     bh       138060   159884   21824       1.158
+     bigarr   192004   213832   21828       1.114
+     bisort   115164   136988   21824       1.190
+     conalloc 149848   171676   21828       1.146
+     concpu   149848   171676   21828       1.146
+     dil      1859208  1881028  21820       1.012
+     em3d     116324   142248   25924       1.223
+     mcore    105748   127576   21828       1.206
+     rnddata  1492588  1518512  25924       1.017
+     sbtree   129860   155784   25924       1.200
+     split    144308   166136   21828       1.151
+     tree     105844   127672   21828       1.206
+     tsp      128412   150236   21824       1.170
+     voronoi  141112   162936   21824       1.155
+     ======== ======== ======== =========== ===========
 
 
 Trabajos relacionados
 ----------------------------------------------------------------------------
 
 
 
 Trabajos relacionados
 ----------------------------------------------------------------------------
 
-TODO
+Dado que D_ no ha penetrado en ámbitos académicos, se ha encontrado un solo
+trabajo de investigación relacionado. Sin embargo se ha encontrado otro
+que si bien no es formal, ha sido de mucha importancia para el desarrollo de
+esta tesis.
+
+A continuación se describen ambos.
+
+* *Memory Management in the D Programming Language* [PAN09]_.
+
+  Tesis de licenciatura de Vladimir Panteleev cuya resumen traducido es el
+  siguiente:
+
+      Este reporte describe el estudio de las técnicas de manejo automático de
+      memoria, su implementación en el lenguaje de programación D_, y el
+      trabajo para mejorar el estado del manejo de memoria.
+
+  Si bien plantea pequeñas optimizaciones para el recolector de basura
+  (algunas utilizadas en este trabajo), se centra principalmente en el
+  desarrollo de Diamond, una utilidad para depuración de manejo de memoria en
+  D_.
+
+* Integración de marcado preciso del *heap* al recolector de basura
+  [DBZ3463]_.
+
+  Ya citado varias veces en este trabajo; fue comenzado por David Simcha
+  y publicado en el sistema de seguimiento de fallas de D_ que se limita a una
+  implementación a nivel biblioteca de usuario y sobre `D 2.0`_. Vincent Lang
+  (mejor conocido como *wm4* en la comunidad de D_) da continuidad a este
+  trabajo pero modificando el compilador DMD_ y trabajando con `D 1.0`_
+  y Tango_.
+
+  El soporte de marcado preciso presentado en este trabajo se basa en las
+  modificaciones hechas al compilador DMD_ por Vincent Lang (que aún no fueron
+  integradas de forma oficial).
 
 
 
 Trabajos futuros
 ----------------------------------------------------------------------------
 
 
 
 
 Trabajos futuros
 ----------------------------------------------------------------------------
 
-TODO
+En la sección :ref:`con_pending` se mencionan varios aspectos de este trabajo
+que podrían verse beneficiados por trabajos futuros, sin embargo se trata en
+general de pequeñas optimizaciones o mejoras de alcance muy limitado.
+
+A continuación se recopilan varios otros aspectos identificados durante el
+desarrollo del presente trabajo, pero que requieren un nivel de análisis
+y, potencialmente, de desarrollo mayor a los ya presentados en la sección
+mencionada.
+
+* Mejoras en la organización de memoria del recolector.
+
+  Si bien se ha mencionado en un principio la organización actual como un
+  aspecto positivo del recolector, varios resultados han demostrado
+  deficiencias importantes. El nivel de espacio desperdiciado por la división
+  de memoria en bloques puede ser muy significativa y la forma en la que se
+  almacena la información de tipos para el marcado preciso puede incluso
+  acentuarlo todavía más (como se demuestra en los resultados para ``bh``
+  y ``dil``).
+
+  Este problema no solo afecta al consumo de memoria, además genera un efecto
+  dominó por el incremento de la probabilidad de tener *falsos positivos*
+  y perjudica al tiempo total de ejecución por empeorar la localidad de
+  referencia del caché y por hacer que se prolongue la recolección de basura
+  por tener que marcar y barrer más memoria.
+
+  Una posible alternativa es tener una lista de libres por **tipo**, cuyo
+  tamaño de bloque sea exactamente igual al tamaño del tipo que almacena. La
+  información de tipo se almacenaría entonces solo una vez y no habría
+  desperdicio de memoria alguno dejando de lado un posible relleno para
+  completar una página. Este esquema debería tener algún tipo de guarda para
+  programas con una cantidad exuberante de tipos de datos.
+
+  También podría ser conveniente separar los bloques marcados como ``NO_SCAN``
+  de los que sí deben ser marcados, de manera que no necesite almacenar
+  directamente los bits de ``mark`` , ``scan`` y ``noscan``. También se podría
+  proponer algún área de memoria especial para almacenar cadenas de texto
+  (como un caso especial de lo anterior) por tener estas características muy
+  particular (largos muy variables, cambian de tamaño de forma relativamente
+  frecuente, etc.). Las posibilidades son enormes.
+
+* Mejoras en la fase de barrido.
+
+  En este trabajo todas las mejoras propuestas se encargaron de la fase de
+  marcado, pero mucho se pude mejorar en la fase de barrido también. Por un
+  lado se podría agregar barrido perezoso para disminuir aún más el tiempo de
+  pausa real. Se ha mostrado que en muchos casos los tiempos de pausa pueden
+  ser considerablemente altos debido a que la fase de barrido no se realiza en
+  paralelo como el marcado.
+
+  Otra forma de disminuir el tiempo de pausa real sería realizar un barrido
+  concurrente también. Esto no puede realizarse en otro proceso porque el
+  barrido es el encargado de ejecutar los *finalizadores*, pero sí se podría
+  barrer en otro hilo y, por ejemplo, seguir utilizando *eager allocation*
+  hasta que el barrido finalice.
+
+* Mejoras en la precisión del marcado.
+
+  Como se mencionó anteriormente, el área de memoria estática se marca de
+  forma conservativa dada la falta de información de tipos de ésta. Sin
+  embargo es bastante razonable pensar en que el compilador genere información
+  de tipos para el área de memoria estática o que al menos informe mejor al
+  recolector que partes deben ser consideradas parte del *root set* y cuales
+  no. Dado que la memoria estática crece de forma considerable con el
+  incremento de la cantidad de tipos definidos por el usuario, ya solo esa
+  división puede hacer una diferencia importante; en especial considerando
+  como aumenta la memoria estática solamente por usar más tipos de datos en el
+  recolector.
+
+  También podría explorarse el agregado de precisión al *stack* pero esto es
+  realmente muy complicado dado que la única solución que pareciera viable es
+  el uso de *shadow stack* [HEND02]_ que requiere un trabajo extra por cada
+  llamado a función, cosa que va en contra de la filosofía de D_ de pagar solo
+  por lo que se usa. Sin embargo podría explorarse agregar un esquema de ese
+  tipo como una opción del compilador, de forma que el usuario pueda decidir
+  si vale la pena para una aplicación particular o no.
+
+* Mejoras en la concurrencia.
+
+  El *lock* global del recolector es otro aspecto que demostró ser
+  problemático. Podrían analizarse formas de minimizar la necesidad de usar
+  *locks* o de hacerlo de forma más granular, de manera que algunas
+  operaciones del recolector puedan ser ejecutadas en paralelo. También se
+  podría experimentar con el uso de estructura de datos libres de *locks*
+  (*lock-free*).
+
+  Otra forma de minimizar la sincronización es utilizando *pools* por hilo, de
+  manera de poder alocar memoria de forma concurrente y hasta explorar la
+  posibilidad de efectuar recolecciones locales a un solo hilo; aunque esto
+  último probablemente sea equivalente a implementar un recolector de basura
+  con particiones (por ejemplo generacional).
+
+* Recolección con movimiento.
+
+  La información de tipos provista por el trabajo hecho por Vincent Lang
+  [DBZ3463]_ es suficientemente completa como para poder implementar un
+  recolector con movimiento. La efectividad de un recolector de estas
+  características en D_ está por comprobarse, dado que cualquier celda
+  apuntada por alguna palabra que debió ser marcada de forma conservativa debe
+  quedar inmóvil, por lo que gran parte del éxito de un recolector con
+  movimiento en D_ está supeditado a la proporción de celdas que queden
+  inmóviles. Sin embargo sea muy probablemente un área que valga la pena
+  explorar.
 
 
 
 
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