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: SIN EMPEZAR, REVISAR LO HECHO
+ ESTADO: TERMINADO, CORREGIDO
.. _dgc:
Recolección de basura en D
============================================================================
-TODO
+D_ propone un nuevo desafío en cuanto al diseño de un recolector de basura,
+debido a la gran cantidad características que tiene y paradigmas que soporta.
+D_ ya cuenta con un recolector que hace lo necesario para funcionar de forma
+aceptable, pero su diseño e implementación son relativamente sencillas
+comparadas con el :ref:`estado del arte <gc_art>` de la recolección de basura
+en general. Además la implementación actual presenta una serie de problemas
+que se evidencia en las quejas que regularmente la comunidad de usuarios de D_
+menciona en el grupo de noticias.
+En esta sección se analizarán las necesidades particulares de D_ con respecto
+a la recolección de basura. También se analiza el diseño e implementación del
+recolector actual y finalmente se presenta una recompilación de los
+principales problemas que presenta.
-Dificultades para recolectar basura en D
+
+
+.. _dgc_needs:
+
+Características y necesidades particulares de D_
----------------------------------------------------------------------------
-TODO
+En esta sección se hará un recorrido por las características y necesidades
+particulares que tiene D_ como lenguaje con respecto a la recolección de
+basura.
+
+
+
+.. _dgc_prob_low_level:
+
+Programación de bajo nivel (*system programming*)
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+
+Sin dudas las características de D_ que lo hacen más complejo a la hora de
+implementar un recolector de basura son sus capacidades de programación de
+bajo nivel (ver :ref:`d_low_level`).
+
+Al proveer acceso a *assembly*, permitir estructuras de tipo *union* y ser
+compatible con C/C++, el recolector de basura tiene muchas restricciones. Por
+ejemplo debe tratar de forma conservativa los registros y el *stack*, ya que
+es la única forma de interactuar de forma segura con C/C++ y *assembly*.
+
+Además debe poder interactuar con manejo de memoria explícito, ya sea
+omitiendo por completo el *heap* del recolector o liberando explícitamente
+memoria de éste. Esta característica es muy inusual en un recolector,
+a excepción de recolectores conservativos diseñados para C/C++ que tienen las
+mismas (o más) limitaciones.
+
+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
+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
+estructura no alineada al tamaño de palabra.
+
+
+
+.. _d_prob_high_level:
+
+Programación de alto nivel
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+
+Las características de programación de alto nivel también impone dificultades
+o restricciones al recolector de basura (ver :ref:`d_high_level`). Por ejemplo
+el soporte de rebanado (*slicing*) de arreglos hace que el recolector deba
+soportar punteros *interiores* [#dgcinterior]_ (esto también es necesario
+porque en general en D_ o en cualquier lenguaje de bajo nivel se puede tener
+un puntero a cualquier parte de una celda).
+
+.. [#dgcinterior] Los punteros *interiores* son aquellos que en vez de apuntar
+ al inicio de una celda, apuntan a una dirección arbitraria dentro de ella.
+ Esto no es posible en muchos lenguajes de programación, como por ejemplo
+ Java_, lo que simplifica la recolección de basura.
+
+Los arreglos dinámicos y asociativos en particular dependen fuertemente del
+recolector de basura, en particular cuando se agregan elementos (o se
+concatenan dos arreglos).
+
+Dado que los *strings* son arreglos dinámicos y que el lenguaje provee un buen
+soporte de arreglos dinámicos y asociativos y *slicing*, es de esperarse que
+el recolector deba comportarse de forma correcta y eficiente ante las
+operaciones más típicas de estas estructuras que dependan de él.
+
+
+
+.. _dgc_prob_types:
+
+Información de tipos
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+
+Hasta aquí D_ comparte todas las restricciones con respecto a la recolección
+de basura con los lenguajes de bajo nivel que no tienen ningún soporte para
+recolectar basura. Sin embargo, a diferencia de éstos, D_ tiene una
+información de tipos más rica. Al momento de asignar memoria D_ puede proveer
+cierta información sobre el objeto a asignar (como si puede contener punteros
+o no) que puede ser utilizada por el recolector para realizar una recolección
+más precisa (ver :ref:`gc_conserv`).
+
+En general esta información no es suficiente como para implementar un
+recolector completamente preciso (no al menos sin agregar un mejor soporte de
+reflexión al lenguaje) pero puede ser de ayuda considerable para el
+recolector.
+
+
+
+.. _dgc_prob_final:
+
+Orientación a objetos y finalización
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+
+D_ soporta el paradigma de orientación a objetos, donde es común permitir que
+un objeto, al ser destruido, realice alguna tarea de finalización (a través de
+una función miembro llamada *destructor*, o ``~this()`` en D_). Esto significa
+que el recolector, al encontrar que no hay más referencias a un objeto, debe
+ejecutar el destructor.
+
+La especificación dice:
+
+ The garbage collector is not guaranteed to run the destructor for all
+ unreferenced objects. Furthermore, the order in which the garbage collector
+ calls destructors for unreference objects is not specified. This means that
+ when the garbage collector calls a destructor for an object of a class that
+ has members that are references to garbage collected objects, those
+ references may no longer be valid. This means that destructors cannot
+ reference sub objects.
+
+Afortunadamente el orden de finalización no está definido, ya que esto sería
+extremadamente difícil de proveer por un recolector (si no imposible). Esto
+significa que si bien se ejecutan el destructores de los objetos que dejan de
+ser alcanzables desde el *root set*, no se define en que orden se hace, y por
+lo tanto un objeto no puede acceder a sus atributos que sean referencias
+a otros objetos en un destructor.
+
+Esta restricción en realidad se ve relaja con el soporte de *RAII*. Si se
+utiliza la palabra clave ``scope`` al crear una serie de objetos, estos serán
+destruidos determinísticamente al finalizar el *scope* actual en el orden
+inverso al que fueron creados y, por lo tanto, un usuario podría hacer uso de
+los atributos que sean referencias a otros objetos creados con ``scope`` si el
+orden en que fueron creados (y por lo tanto en que serán destruidos) se lo
+permite.
+
+Sin embargo no hay forma actualmente de saber dentro de un destructor si este
+fue llamado determinísticamente o no, por lo tanto es virtualmente imposible
+hacer uso de esta distinción, a menos que una clase sea declarada para ser
+creada solamente utilizando la palabra reservada ``scope``.
+
+Cabe aclarar que estrictamente hablando, según la especificación de D_, el
+recolector no debe garantizar la finalización de objetos bajo ninguna
+circunstancia, es decir, el recolector podría no llamar a ningún destructor.
+Sin embargo esto es probablemente un problema de redacción vaga y dadas las
+garantías que provee la implementación actual la comunidad de D_ cuenta con
+ellas porque además son deseables (y sencillas de implementar).
Como se mencionó en la sección :ref:`d_lang`, en D_ hay dos bibliotecas base
para soportar el lenguaje (*runtimes*): Phobos_ y Tango_. La primera es la
biblioteca estándar de D_, la segunda un proyecto más abierto y dinámico que
-surgió como alternativa a Phobos_ debido a que Phobos_ es muy desprolija y que
+surgió como alternativa a Phobos_ debido a que Phobos_ es muy descuidada y que
era muy difícil impulsar cambios en ella. Ahora Phobos_ tiene el agravante de
estar *congelada* en su versión 1 (solo se realizan correcciones de errores).
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
La memoria del *heap* está organizada en *pools*. Un *pool* es una región de
-*páginas* contíguas. Una página es, en general, la unidad mínima de memoria que
+*páginas* contiguas. Una página es, en general, la unidad mínima de memoria que
maneja un sistema operativo con soporte de memoria virtual. Cada página dentro
de un *pool* sirve a su vez como contenedora de bloques (llamados *bin* en la
:ref:`implementación <dgc_impl>`) de tamaño fijo. Todos los bloques
o celdas en general se ubican en estos bloques (en uno del tamaño más pequeño
que haya que sea suficientemente grande como para almacenar dicho objeto). En
caso de que un objeto sea mayor a una página, se utilizan la menor cantidad de
-páginas contíguas de un pool que tengan espacio suficiente para almacenar
+páginas contiguas de un pool que tengan espacio suficiente para almacenar
dicho objeto.
.. [#dgcpageplus] Además existe otro tamaño de bloque especial que se utiliza
páginas del *pool* N) que es una página completa.
.. aafig::
- :scale: 1.4
+ :scale: 120
+----------------------------------------------------------------------+
| Heap |
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
Cada *pool* tiene la siguiente información asociada:
-*number_of_pages*:
+*number_of_pages*
cantidad de páginas que tiene. Esta cantidad es fija en toda la vida de un
*pool*.
-*pages*:
- bloque de memoria contíguo de tamaño ``PAGE_SIZE * number_of_pages``
+*pages*
+ bloque de memoria contiguo de tamaño ``PAGE_SIZE * number_of_pages``
(siendo ``PAGE_SIZE`` el tamaño de página, que normalmente son 4096 bytes).
Una página siempre almacena bloques del mismo tamaño, que pueden ser 16, 32,
64, 128, 256, 512, 1024, 2048 o 4096 (llamado con el nombre especial
-``PAGE``). Además hay dos tamaños de bloque símbólicos que tienen un
+``PAGE``). Además hay dos tamaños de bloque simbólicos que tienen un
significado especial:
-``FREE``:
+``FREE``
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``:
+``CONTINUATION``
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*:
+*mark*
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*:
+*scan*
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*:
+*free*
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*:
+*final*
indica que el bloque contiene un objeto que tiene un destructor (que debe
ser llamado cuando la celda pasa de *viva* a *basura*).
-*noscan*:
+*noscan*
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*).
^^^^^^^^^^^^^^^
El recolector de basura actual de D_ trata de forma diferente a los objetos
grandes. Todo objeto grande empieza en un bloque con tamaño ``PAGE``
-y (opcionalmente) continúa en los bloques contíguos subsiguientes que tengan
+y (opcionalmente) continúa en los bloques contiguos subsiguientes que tengan
el tamaño de bloque ``CONTINUATION`` (si el objeto ocupa más que una página).
El fin de un objeto grande queda marcado por el fin del *pool* o una página
con tamaño de bloque distinto a ``CONTINUATION`` (lo que suceda primero).
Recolección
^^^^^^^^^^^
-A grandes razgos el algoritmo de recolección puede resumirse de las dos fases
+A grandes rasgos el algoritmo de recolección puede resumirse de las dos fases
básicas de cualquier algoritmo de :ref:`marcado y barrido <gc_mark_sweep>`::
function collect() is
algoritmo::
function mark_phase() is
- more_to_scan = false
+ global more_to_scan = false
stop_the_world()
clear_mark_scan_bits()
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()
La variable **global** ``more_to_scan`` indica al algoritmo iterativo cuando
-debe finalizar: la función ``mark()`` (que veremos más adelante) lo pone en
-``true`` cuando una nueva celda debe ser visitada, por lo tanto la iteración
-se interrumpe cuando no hay más celdas por visitar.
+debe finalizar: la función ``mark_range()`` (que veremos más adelante) lo pone
+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 resetear todos los
+La función ``clear_mark_scan_bits()`` se encarga de restablecer todos los
atributos *mark* y *scan* de cada bloque del *heap*::
function clear_mark_scan_bits() is
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
-realdidad son *basura* (falsos positivos)::
+realidad son *basura* (falsos positivos)::
function mark_free_lists() is
foreach free_list in heap
<gc_conserv>` (es decir, tomando cada *word* como si fuera un puntero)::
function mark_static_data() is
- foreach word in static_data
- pointer = cast(void*) word
- mark(pointer)
+ mark_range(static_data.begin, static_data.end)
Para poder tomar los registros como parte del *root set* primero se apilan
en el *stack* a través de la función::
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 mark_stacks() is
foreach thread in threads
- foreach word in thread.stack
- pointer = cast(void*) word
- mark(pointer)
+ mark_range(thread.stack.begin, thread.stack.end)
Dado que D_ soporta manejo de memoria manual al mismo tiempo que memoria
automática, es posible que existan celdas de memoria que no estén en el *root
set* convencional ni en el *heap* del recolector. Para evitar que se libere
-alguna celda que estaba siendo referenciada desde memoria administrada por el
-usuario, éste debe informarle al recolector sobre la existencia de estoas
-nuevas raíces. Es por esto que para concluir el marcado del *root set*
+alguna celda a la cual todavía existen referencias desde memoria administrada
+por el usuario, éste debe informarle al recolector sobre la existencia de
+estas nuevas raíces. Es por esto que para concluir el marcado del *root set*
completo se procede a marcar las raíces definidas por el usuario::
function mark_user_roots() is
- foreach pointer in user_roots
- mark(pointer)
+ foreach root_range in user_roots
+ mark_range(root_range.begin, root_range.end)
El algoritmo de marcado no es recursivo sino iterativo por lo tanto al marcar
una celda (o bloque) no se siguen sus *hijas*, solo se activa el bit de *scan*
(a menos que la celda no contenga punteros, es decir, tenga el bit *noscan*)::
- function mark(pointer) is
- [pool, page, block] = find_block(pointer)
- if block is not null and block.mark is false
- block.mark = true
- if block.noscan is false
- block.scan = true
- more_to_scan = true
+ function mark_range(begin, end) is
+ pointer = begin
+ while pointer < end
+ [pool, page, block] = find_block(pointer)
+ if block is not null and block.mark is false
+ block.mark = true
+ if block.noscan is false
+ block.scan = true
+ global more_to_scan = true
+ pointer++
Por lo tanto en este punto, tenemos todas las celdas inmediatamente
alcanzables desde el *root set* marcadas y con el bit *scan* activado si la
celdas para visitar (con el bit *scan* activo)::
function mark_heap() is
- while more_to_scan
- more_to_scan = false
+ while global more_to_scan
+ global more_to_scan = false
foreach pool in heap
foreach page in pool
if page.block_size <= PAGE // saltea FREE y CONTINUATION
if block.scan is true
block.scan = false
if page.block_size is PAGE // objeto grande
- start = cast(byte*) page
+ begin = cast(byte*) page
end = find_big_object_end(pool, page)
- foreach word in start..end
- pointer = cast(void*) word
- mark(pointer)
+ mark_range(begin, end)
else // objeto pequeño
- foreach word in block
- pointer = cast(void*) word
- mark(pointer)
+ mark_range(block.begin, block.end)
Aquí puede verse, con un poco de esfuerzo, la utilización de la
-:ref:`abtracción tricolor <gc_intro_tricolor>`: todas las celdas alcanzables
+:ref:`abstracción tricolor <gc_intro_tricolor>`: todas las celdas alcanzables
desde el *root set* son pintadas de *gris* (tienen los bits *mark* y *scan*
activados), excepto aquellas celdas atómicas (es decir, que se sabe que no
tienen punteros) que son marcadas directamente de *negro*. Luego se van
obteniendo celdas del conjunto de las *grises*, se las pinta de *negro* (es
-decir, se desactiva el big *scan*) y se pintan todas sus *hijas* de *gris* (o
+decir, se desactiva el bit *scan*) y se pintan todas sus *hijas* de *gris* (o
*negro* directamente si no tienen punteros). Este procedimiento se repite
mientras el conjunto de celdas *grises* no sea vacío (es decir, que
``more_to_scan`` sea ``true``).
return [pool, page, block_start]
return [null, null, null]
-Cabe destacar que la función ``find_block()`` devuelve el pool, la página y el
-comienzo del bloque al que apunta el puntero, es decir, soporta punteros
+Cabe destacar que la función ``find_block()`` devuelve el *pool*, la página
+y el comienzo del bloque al que apunta el puntero, es decir, soporta punteros
*interiores*.
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
Esta reorganización de listas libres además mejoran la localidad de
referencia y previenen la fragmentación. La localidad de referencia se ve
-mojorada debido a que asignaciones de memoria proximas en el tiempo serán
+mejorada debido a que asignaciones de memoria próximas en el tiempo serán
también próximas en espacio porque pertenecerán a la misma página (al menos si
las asignaciones son todas del mismo tamaño). La fragmentación se minimiza por
el mismo efecto, primero se asignarán todos los bloques de la misma página.
Asignación de memoria
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
La asignación de memoria del recolector es relativamente compleja, excepto
-cuando se asgina un objeto pequeño y ya existe algún bloque con el tamaño
+cuando se asigna un objeto pequeño y ya existe algún bloque con el tamaño
preciso en la lista de libres. Para el resto de los casos la cantidad de
trabajo que debe hacer el recolector para asignar la memoria es considerable.
mejor se ajuste al tamaño solicitado (es decir, el bloque más pequeño lo
suficientemente grande como para poder almacenar el tamaño solicitado). Una
vez más el algoritmo distingue objetos grandes de pequeños. Los pequeños se
-asginan de las siguiente manera::
+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 contíguas, dentro de un mismo *pool*, suficientes para
+serie de páginas contiguas, dentro de un mismo *pool*, suficientes para
almacenar el tamaño requerido y si esto falla, se realizan diferentes pasos
y se vuelve a intentar. Puede observarse que, a diferencia de la asignación de
objetos pequeños, si luego de la recolección no se pudo encontrar lugar
heap.remove(pool)
Volviendo a la función ``new_big()``, para hallar una serie de páginas
-contíguas se utiliza el siguiente algoritmo::
+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 contíguas), por lo tanto se busca *pool* por
+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
Liberación de memoria
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
La liberación de la memoria asignada puede hacerse explícitamente. Esto
-saltéa el mecanismo de recolección, y es utilizado para dar soporte a menejo
+saltea el mecanismo de recolección, y es utilizado para dar soporte a manejo
explícito de memoria asignada en el *heap* del recolector. En general el
usuario no debe utilizar liberación explícita, pero puede ser útil en casos
muy particulares::
Hay varias diferencias a nivel de implementación entre lo que se presentó en
las secciones anteriores y como está implementado realmente el recolector
actual. Con los conceptos e ideas principales del ya explicadas, se procede
-a ahondar con más detalle en como está construído el recolector y algunas de
+a ahondar con más detalle en como está construido el recolector y algunas de
sus optimizaciones principales.
Vale aclarar que el recolector de basura actual está implementado en D_.
Dicha estructura tiene los siguientes atributos (divididos en categorías para
facilitar la comprensión):
-**Raíces definidas por el usuario**
-
- *roots* (*nroots*, *rootdim*):
+Raíces definidas por el usuario
+ *roots* (*nroots*, *rootdim*)
arreglo variable de punteros simples que son tomados como raíces
provistas por el usuario.
- *ranges* (*nranges*, *rangedim*):
+ *ranges* (*nranges*, *rangedim*)
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
recolector.
-**Estado interno del recolector**
-
- *anychanges*:
+Estado interno del recolector
+ *anychanges*
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
<gc_intro_tricolor>`). Es análoga a la variable ``more_to_scan``
presentada en :ref:`dgc_algo_mark`.
- *inited*:
+ *inited*
indica si el recolector fue inicializado.
- *stackBottom*:
+ *stackBottom*
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*):
+ *Pools* (*pooltable*, *npools*)
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*:
+ *bucket*
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*:
+Atributos que cambian el comportamiento
+ *noStack*
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*:
+ *log*
indica si se debe guardar un registro de la actividad del recolector. Es
utilizado principalmente para depuración.
- *disabled*:
+ *disabled*
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
- útil para secciones de un programa donde la eficiencia es crítica y no
+ útil para secciones de un programa donde el rendimiento es crítico y no
se pueden tolerar grandes pausas como las que puede provocar el
recolector.
-**Optimizaciones**
-
- *p_cache*, *size_cache*:
+Optimizaciones
+ *p_cache*, *size_cache*
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*:
+ *minAddr*, *maxAddr*
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
La estructura ``Pool`` está compuesta por los siguientes atributos (ver figura
:vref:`fig:dgc-pool`):
-*baseAddr* y *topAddr*:
+*baseAddr* y *topAddr*
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*:
+*mark*, *scan*, *freebits*, *finals*, *noscan*
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*:
+*npages*
cantidad de páginas que contiene este *pool* (fue nombrado
*number_of_pages* en las secciones anteriores para mayor claridad).
-*ncommitted*:
+*ncommitted*
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*:
+*pagetable*
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
Vista gráfica de la estructura de un *pool* de memoria.
.. aafig::
- :scale: 1.4
- :aspect: 0.45
+ :scale: 120
/--- "baseAddr" "ncommitted = i" "topAddr" ---\
| V |
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
-una gran porción contínua de memoria sin estar intercalada con
+una gran porción continua de memoria sin estar intercalada con
meta-información del recolector.
Para poder acceder a los bits de un bloque en particular, se utiliza la
La implementación utiliza a los bloques de memoria como nodos directamente.
Como los bloques siempre pueden almacenar una palabra (el bloque de menor
-tamaño es de 16 bytes y una palabra ocupa comunmente entre 4 y 8 bytes según
+tamaño es de 16 bytes y una palabra ocupa comúnmente entre 4 y 8 bytes según
se trabaje sobre arquitecturas de 32 o 64 bits respectivamente), se almacena
el puntero al siguiente en la primera palabra del bloque.
Algoritmos
^^^^^^^^^^
-Los algoritmos en la implementación real están considerablemente menos
-modularizados que los presentados en la sección :ref:`dgc_algo`. Por ejemplo,
-la función ``collect()`` es una gran función de 300 líneas de código.
+Los algoritmos en la implementación real son considerablemente menos modulares
+que los presentados en la sección :ref:`dgc_algo`. Por ejemplo, la función
+``collect()`` es una gran función de 300 líneas de código.
A continuación se resumen las funciones principales, separadas en categorías
para facilitar la comprensión. Los siguientes son métodos de la estructura
``Gcx``:
-**Inicialización y terminación**
-
- *initialize()*:
+Inicialización y terminación
+ *initialize()*
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()*:
+ *Dtor()*
libera todas las estructuras que utiliza el recolector.
-**Manipulación de raíces definidas por el usuario**
-
- *addRoot(p)*, *removeRoot(p)*, *rootIter(dg)*:
+Manipulación de raíces definidas por el usuario
+ *addRoot(p)*, *removeRoot(p)*, *rootIter(dg)*
agrega, remueve e itera sobre las raíces simples definidas por el
usuario.
- *addRange(pbot, ptop)*, *remove range(pbot)*, *rangeIter(dg)*:
+ *addRange(pbot, ptop)*, *remove range(pbot)*, *rangeIter(dg)*
agrega, remueve e itera sobre los rangos de raíces definidas por el
usuario.
-**Manipulación de indicadores**
-
- Cada bloque (*bin* en la terminología de la implementación del recolector)
- tiene ciertos indicadores asociados. Algunos de ellos pueden ser
- manipulados (indirectamente) por el usuario utilizando estas funciones:
-
- *getBits(pool, biti)*:
+Manipulación de indicadores
+ *getBits(pool, biti)*
obtiene los indicadores especificados para el bloque de índice ``biti``
en el *pool* ``pool``.
- *setBits(pool, biti, mask)*:
+ *setBits(pool, biti, mask)*
establece los indicadores especificados en ``mask`` para el bloque de
índice ``biti`` en el *pool* ``pool``.
- *clrBits(pool, biti, mask)*:
+ *clrBits(pool, biti, mask)*
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)
+ tiene ciertos indicadores asociados. Algunos de ellos pueden ser
+ manipulados (indirectamente) por el usuario utilizando las funciones
+ mencionadas arriba.
+
El parámetro ``mask`` debe ser una máscara de bits que puede estar
compuesta por la conjunción de los siguientes valores:
- *FINALIZE*:
+ *FINALIZE*
el objeto almacenado en el bloque tiene un destructor (indicador
*finals*).
- *NO_SCAN*:
+ *NO_SCAN*
el objeto almacenado en el bloque no contiene punteros (indicador
*noscan*).
- *NO_MOVE*:
+ *NO_MOVE*
el objeto almacenado en el bloque no debe ser movido [#dgcmove]_.
.. [#dgcmove] Si bien el recolector actual no tiene la capacidad de mover
fijar objetos apuntados desde algún segmento no conservativo (objeto
*pinned*).
-**Búsquedas**
-
- *findPool(p)*:
+Búsquedas
+ *findPool(p)*
busca el *pool* al que pertenece el objeto apuntado por ``p``.
- *findBase(p)*:
+ *findBase(p)*
busca la dirección base (el inicio) del bloque apuntado por ``p``
(``find_block()`` según la sección :ref:`dgc_algo_mark`).
- *findSize(p)*:
+ *findSize(p)*
busca el tamaño del bloque apuntado por ``p``.
- *getInfo(p)*:
+ *getInfo(p)*
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)*:
+ *findBin(size)*
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**
-
- Recordar que la ``pooltable`` siempre se mantiene ordenada según la
- dirección de la primera página.
-
- *reserve(size)*:
+Asignación de memoria
+ *reserve(size)*
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()*:
+ *minimize()*
minimiza el uso de la memoria retornando *pools* sin páginas usadas al
sistema operativo.
- *newPool(n)*:
+ *newPool(n)*
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
3 MiB y así sucesivamente hasta 8 MiB. A partir de ahí siempre crea
*pools* de 8 MiB o la cantidad pedida, si ésta es mayor.
- *Pool.initialize(n_pages)*:
+ *Pool.initialize(n_pages)*
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
atributo ``FINALIZE`` a un bloque, se inicializa el conjunto de bits
``finals`` de todo el *pool*.
- *allocPage(bin)*:
+ *allocPage(bin)*
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()``).
- *allocPages(n)*:
+ *allocPages(n)*
Busca ``n`` cantidad de páginas consecutivas libres (análoga
a ``find_pages(n)``).
- *malloc(size, bits)*:
+ *malloc(size, bits)*
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)*:
+ *bigAlloc(size)*
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
el caso en que no se liberaron suficientes páginas para asignar el
objeto grande y pasar directamente a crear un nuevo *pool*.
- *free(p)*:
+ *free(p)*
libera la memoria apuntada por ``p`` (análoga a ``delete()`` de la
sección anterior).
-**Recolección**
+ Recordar que la ``pooltable`` siempre se mantiene ordenada según la
+ dirección de la primera página.
- *mark(pbot, ptop)*:
- marca un rango de memoria. Este método es análogo al ``mark()``
- presentado en la sección :ref:`dgc_algo_mark` pero marca un rango
- completo de memoria, lo que permite que sea considerablemente más
- eficiente.
+Recolección
+ *mark(pbot, ptop)*
+ marca un rango de memoria. Este método es análogo al ``mark_range()``
+ presentado en la sección :ref:`dgc_algo_mark`.
- *fullcollectshell()*:
+ *fullcollectshell()*
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 desapilar, por lo tanto debe ser hecho en la misma
+ esta se volverían a des-apilar, por lo tanto debe ser hecho en la misma
función ``collect()`` o en una función que luego la llame (como en este
caso).
- *fullcollect(stackTop)*:
- realiza la recolección de basura. Es análoga a ``collect()`` pero
- considerablemente menos modularizada, 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 cantidad de páginas que se liberaron en la recolección, lo
- que permite optimizar levemente la función ``bigAlloc()``.
+ *fullcollect(stackTop)*
+ 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
+ cantidad de páginas que se liberaron en la recolección, lo que permite
+ optimizar levemente la función ``bigAlloc()``.
Finalización
y proveer finalización asegurada puede ser muy deseable.
+.. _dgc_committed:
+
Memoria *encomendada*
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
El algoritmo actual divide un *pool* en dos áreas: memoria *encomendada*
-(*committed* en inglés) y *no-encomentada*. Esto se debe a que originalmente
+(*committed* en inglés) y *no-encomendada*. Esto se debe a que originalmente
el compilador de D_ DMD_ solo funcionaba en Microsoft Windows y este sistema
operativo puede asignar memoria en dos niveles. Por un lado puede asignar al
proceso un espacio de memoria (*address space*) pero sin asignarle la memoria
-.. _dgc_problems:
+.. _dgc_good:
+
+Características destacadas
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+
+Si bien el recolector en términos generales no se aleja mucho de un
+:ref:`marcado y barrido clásico <gc_mark_sweep>`, tiene algunas mejoras por
+sobre el algoritmo más básicos que vale la pena destacar:
+
+
+Organización del *heap*
+^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
+El *heap* está organizado de una forma que, si bien no emplea las técnicas más
+modernas que pueden observarse en el estado del arte (como :ref:`regiones
+<gc_free_list>`), es relativamente sofisticada. El esquema de *pools*
+y bloques permite disminuir considerablemente los problemas de *fragmentación*
+de memoria y evita búsquedas de *huecos* que pueden ser costosas (como
+*best-fit* [#dgcbestfit]_) o desperdiciar mucho espacio (como *first-fit*
+[#dgcfirstfit]_), logrando un buen equilibrio entre velocidad y espacio
+desperdiciado.
+
+.. [#dgcbestfit] Las búsquedas de tipo *best-fit* son aquellas donde se busca
+ el *hueco* en el *heap* (es decir, una región contínua de memoria
+ libre) que mejor se ajuste al tamaño del objeto a asignar. Es decir, el
+ *hueco* más pequeño lo suficientemente grande como para almacenarlo.
+
+.. [#dgcfirstfit] Las búsquedas de tipo *first-fit* son aquellas donde se busca
+ el primer *hueco* en el *heap* (es decir, una región contínua de memoria
+ libre) que sea lo suficientemente grande como para almacenar el objeto
+ a asignar.
+
+
+Fase de marcado iterativa
+^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
+A diferencia del algoritmo clásico recursivo, el algoritmo del recolector
+actual es iterativo. El algoritmo recursivo tiene un problema fundamental: se
+puede llegar a un desbordamiento de pila (o *stack overflow*). La cantidad de
+recursiones necesarias es, en el peor caso, :math:`O(|Live \thickspace set|)`
+(por ejemplo, si todas las celdas del *heap* formaran una lista simplemente
+enlazada). Hay muchas técnicas para lidiar con este problema, algunas que
+podrían aplicarse a D_ y otras que no (como *pointer reversal*) [JOLI96]_. El
+recolector actual, sin embargo, cambia complejidad en espacio por complejidad
+en tiempo, utilizando un algoritmo iterativo que es constante (:math:`O(1)`)
+en espacio, pero que requiere varias pasada sobre el *heap* en vez de una (la
+cantidad de pasadas es en el peor caso, al igual que la cantidad de
+recursiones del algoritmo recursivo, :math:`O(|Live \thickspace set|)`, pero
+cada pasada se realiza por sobre todo el *heap*).
+
+
+Conjuntos de bits para indicadores
+^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
+El algoritmo clásico propone almacenar en la propia celda la marca (para la
+fase de marcado) y otros indicadores. El algoritmo del recolector actual
+utiliza conjuntos de bits. Esto trae dos ventajas principales:
+
+* Permite minimizar el espacio requerido, ya que de otra forma en general se
+ desperdicia una palabra entera como cabecera de celda para guardar este tipo
+ de información.
+
+* Mejora la localidad de referencia, ya que los indicadores se escriben de
+ forma muy compacta y en una región de memoria contigua que generalmente
+ puede entrar en el cache o en pocas páginas de memoria acelerando
+ considerablemente la fase de marcado.
+
+
+.. _dgc_debug:
+
+Herramientas para depuración
+^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
+
+El recolector provee algunas opciones para simplificar el diagnóstico
+y depuración de problemas, tanto del mismo recolector como del programa del
+usuario.
+
+Las opciones más importantes son:
+
+
+``MEMSTOMP``
+ Su función es escribir un patrón determinado de bits en todos los bytes de
+ un bloque de memoria según se haya:
+
+ * Pedido un bloque menor a una página (``0xF0``).
+ * Pedido un bloque mayor a una página (``0xF1``).
+ * Dejado de usar debido a un pedido de achicamiento de un bloque
+ (``0xF2``).
+ * Pedido más páginas debido a un pedido de agrandamiento de un bloque
+ (``0xF0``).
+ * Liberado intencionalmente por el usuario (``0xF2``).
+ * Barrido (``0xF3``).
+
+ Esto permite al diagnosticar un problema saber, por ejemplo, si un
+ determinado área de memoria fue recolectada recientemente, o liberada por
+ el usuario, o recién adquirida, etc. con tan solo ver si un patrón de bits
+ determinado está presente. Por supuesto puede existir *falsos positivos*
+ pero su probabilidad es lo suficientemente baja como para que sea útil en
+ la práctica.
+
+``SENTINEL``
+ Su función detectar errores producidos por escribir más allá (o antes) del
+ área de memoria solicitada y está implementado reservando un poco más de
+ memoria de la que pide el usuario, devolviendo un puntero a un bloque
+ ubicado dentro del bloque real reservado (en vez de al inicio) y finalmente
+ escribiendo un patrón de bits en los extremos del borde real (ver figura
+ :vref:`fig:sentinel`), de forma de poder verificar en distintas situación
+ (por ejemplo al barrer el bloque) que esas áreas de más con los patrones de
+ bits estén intactas. Esto permite detectar de forma temprana errores tanto
+ en el recolector como en el programa del usuario.
+
+ .. fig:: fig: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 |
+ +--------------+--------------+------------------------------+--------+
+ A
+ |
+ Puntero devuleto ---/
+
+Ambas opciones son seleccionables sólo en tiempo de compilación del
+recolector, por lo que su utilidad real, al menos para el usuario, se ve
+severamente reducida.
+
+
+.. _dgc_bad:
Problemas y limitaciones
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
A continuación se presentan los principales problemas encontrados en la
implementación actual del recolector de basura de D_. Estos problemas surgen
-principalmente de la observación del código y de aproximadamente 3 años de
+principalmente de la observación del código y de aproximadamente tres años de
participación y observación del grupo de noticias, de donde se obtuvieron los
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
y desorganización del código. Además se nota que el recolector ha sido escrito
en una fase muy temprana y que a ido evolucionando a partir de ello de forma
-desprolija y sin ser rescrito nunca para aprovechar las nuevas características
+descuidada y sin ser rescrito nunca para aprovechar las nuevas características
que el lenguaje fue incorporando (por ejemplo *templates*).
Estos dos problemas (código complicado y falta de documentación) producen un
``new_big()`` presentada en :ref:`dgc_algo_alloc`.
Además, como se comentó en la sección anterior, los algoritmos en la
-implementación real están considerablemente menos modularizados que los
-presentados en la sección :ref:`dgc_algo`. Por ejemplo, la función
-``fullcollect()`` son 300 líneas de código.
+implementación real son considerablemente menos modulares que los presentados
+en la sección :ref:`dgc_algo`. Por ejemplo, la función ``fullcollect()`` son
+300 líneas de código.
Memoria *encomendada*
Precisión
^^^^^^^^^
-Este fue historicamente uno de los problemas principales del recolector de D_
+Este fue históricamente uno de los problemas principales del recolector de D_
[NGD46407]_ [NGD35364]_. Sin embargo, desde que, en la versión 1.001, se ha
incorporado la capacidad de marcar un bloque como de datos puros (no contiene
punteros, el atributo ``NO_SCAN``) [NGA6842]_, la gravedad de esos problemas ha
-disminuído considerablemente, aunque siguieron reportándose problemas más
+disminuido considerablemente, aunque siguieron reportándose problemas más
esporádicamente [NGD54084]_ [NGL13744]_.
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 mostro un interés
+el *heap* sea preciso [NGD44607]_ [NGD29291]_. Además se mostró un interés
general por tener un recolector más preciso [NGDN87831]_, pero no han habido
avances al respecto.
Referencias débiles
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
El recolector actual no dispone de soporte de *referencias débiles*
-[#dgcweakref]_, sin embargo hay una demanda [NGD86840]_ [NGD13301]_ [NGL8264]_
-[NGD69761]_ [NGD74624]_ [NGD88065]_
+[#dgcweakref]_, sin embargo hay una demanda apreciable [NGD86840]_ [NGD13301]_
+[NGL8264]_ [NGD69761]_ [NGD74624]_ [NGD88065]_.
.. [#dgcweakref] Una referencia débil (o *weak reference* en inglés) es
aquella que que no protege al objeto referenciado de ser reciclado por el
Para cubrir esta demanda, se han implementado soluciones como biblioteca para
suplir la inexistencia de una implementación oficial [NGA9103]_.
-Sin embargo éstas son en general poco robustas y extremadamente dependientes
+Sin embargo éstas son en general poco robustas, extremadamente dependientes
de la implementación del recolector y, en general, presentan problemas muy
sutiles [NGD88065]_. Por esta razón se ha discutido la posibilidad de incluir
la implementación de *referencias débiles* como parte del lenguaje
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, historicamente una de las principales críticas
+requerimientos de tiempo real, históricamente una de las principales críticas
al lenguaje [NGDN87831]_ [NGL3937]_ [NGD22968]_ [NGA15246]_ [NGD5622]_
[NGD2547]_ [NGD18354]_.
Además los objetos pueden ser finalizados tanto determinísticamente
(utilizando ``delete`` o ``scope``; ver secciones :ref:`d_low_level`
-y :ref:`d_dbc`) como no deterministicamente (cuando son finalizados por el
+y :ref:`d_dbc`) como no determinísticamente (cuando son finalizados por el
recolector). En el primer caso se puede, por ejemplo, acceder sus atributos
u otra memoria que se conozca *viva*, mientras que en el segundo no. Sin
embargo un destructor no puede hacer uso de esta distinción, haciendo que la
finalización determinística tenga a fines prácticos las mismas restricciones
-que la finalización no deterministica. Es por esto que se ha sugerido permitir
+que la finalización no determinística. Es por esto que se ha sugerido permitir
al destructor distinguir estos dos tipos de finalización [NGD89302]_.
Eficiencia
^^^^^^^^^^
-La eficiencia en general del recolector es una de las críticas frecuentes. Si
+El rendimiento en general del recolector es una de las críticas frecuentes. Si
bien hay muchos problemas que han sido resueltos, en especial por la inclusión
de un mínimo grado de precisión en la versión 1.001, en la actualidad se
siguen encontrando en el grupo de noticias críticas respecto a esto
[NGD43991]_ [NGD67673]_ [NGD63541]_ [NGD90977]_.
-La principal causa de la ineficiencia del recolector actual es, probablemente,
-lo simple de su algoritmo principal de recolección. Más allá de una
-organización del *heap* moderadamente apropiada y de utilizar conjuntos de
+La principal causa del bajo rendimiento del recolector actual es,
+probablemente, lo simple de su algoritmo principal de recolección. Más allá de
+una organización del *heap* moderadamente apropiada y de utilizar conjuntos de
bits para la fase de marcado, el resto del algoritmo es casi la versión más
básica de marcado y barrido. Hay mucho lugar para mejoras en este sentido.
+Configurabilidad
+^^^^^^^^^^^^^^^^
+Si bien el recolector actual tiene algunas características configurables,
+todas son seleccionables sólo en tiempo de compilación del recolector (no del
+programa del usuario), como por ejemplo las opciones descriptas en
+:ref:`dgc_debug`. Por lo tanto, a nivel práctico, es como si no tuviera
+posibilidad alguna de ser configurado por el usuario, ya que no es parte del
+ciclo de desarrollo normal el recompilar el recolector o *runtime* de un
+lenguaje.
+
+Dado que es imposible que un recolector sea óptimo para todo tipo de
+programas, es muy deseable permitir una configuración de parámetros del
+recolector que permitan al usuario ajustarlo a las necesidades particulares de
+sus programas.
+
+
+.. _dgc_bad_ocup:
+
+Factor de ocupación del *heap*
+^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
+Otro problema potencialmente importante del recolector actual es que no se
+tiene ningún cuidado con respecto a que, luego de una recolección, se haya
+recuperado una buena parte del *heap*. Por lo tanto, en casos extremos, el
+recolector tiene que hacer una recolección por cada petición de memoria, lo
+que es extremadamente ineficiente.
+
+Para evitar esto, habría que usar algún esquema para evaluar cuando una
+recolección no fue lo suficientemente *exitosa* y en ese caso pedir más
+memoria al sistema operativo.
+
+
Detalles
^^^^^^^^
Finalmente hay varios detalles en la implementación actual que podrían
mejorarse:
-Listas de libres:
- 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:
- 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*. Como un *pool* tiene páginas con distintos tamaños de
- bloque, se reserva una cantidad de bits igual a la mayor cantidad posible de
- bloques que puede haber en el *pool*; es decir, se reserva 1 bit por cada 16
- bytes del *pool*. Para un *pool* de 1 MiB (tamaño mínimo), teniendo en
- cuenta que se utilizan 5 conjuntos de bits (``mark``, ``scan``, ``finals``,
- ``freebits`` y ``noscan``), se utilizan 40 KiB de memoria para conjuntos de
- bits (un 4% de *desperdicio* si, por ejemplo, ese *pool* estuviera destinado
- por completo a albergar un solo objeto grande; lo que equivaldría al 2560
- objetos de 16 bytes desperdiciados en bits inutilizados).
-
-Repetición de código:
- Hay algunos fragmentos de código repetidos inecesariamente. Por ejemplo en
+Listas de libres
+ 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
+ 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
+ con distintos tamaños de bloque, se reserva una cantidad de bits igual a la
+ mayor cantidad posible de bloques que puede haber en el *pool*; es decir,
+ se reserva 1 bit por cada 16 bytes del *pool*. Para un *pool* de 1 MiB
+ (tamaño mínimo), teniendo en cuenta que se utilizan 5 conjuntos de bits
+ (``mark``, ``scan``, ``finals``, ``freebits`` y ``noscan``), se utilizan 40
+ KiB de memoria para conjuntos de bits (un 4% de *desperdicio* si, por
+ ejemplo, ese *pool* estuviera destinado por completo a albergar un solo
+ objeto grande; lo que equivaldría al 2560 objetos de 16 bytes
+ desperdiciados en bits inutilizados).
+
+Repetición de código
+ Hay algunos fragmentos de código repetidos innecesariamente. Por ejemplo en
varios lugares se utilizan arreglos de tamaño variable que se implementan
repetidas veces (en general como un puntero al inicio del arreglo más el
tamaño actual del arreglo más el tamaño de la memoria total asignada
actualmente). Esto es propenso a errores y difícil de mantener.
-Uso de señales:
+Uso de señales
el recolector actual utiliza las señales del sistema operativo ``SIGUSR1``
y ``SIGUSR2`` para pausar y reanudar los hilos respectivamente. Esto
- puede traer incovenientes a usuarios que desean utilizar estas
+ 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
+ compromiso entre tiempo y espacio, y puede ser interesante analizar otros
+ métodos para evitar la recursión que no requieran tantas pasadas sobre el
+ *heap*.
+
.. include:: links.rst
-.. vim: set ts=3 sts=3 sw=3 et tw=78 :
+.. vim: set ts=3 sts=3 sw=3 et tw=78 spelllang=es :
projects / z.facultad / 75.00 / informe.git / blobdiff