.. 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
+ ESTADO: EMPEZADO
.. _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 aproximación correcta al 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 curso, 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 ventajoso.
+
+Finalmente, algunas optimizaciones muy pequeñas demostraron ser también muy
+valiosas para algunos casos particulares, logrando reducciones en el tiempo
+total de ejecución de hasta 5 veces.
+
-Puntos pendientes
+Puntos pendientes, problemas y limitaciones
----------------------------------------------------------------------------
-TODO
+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.
-* Opciones log_file/verbose
-* Lazy sweeping.
-* Concurrent sweeping (lanzar fase de sweep en un thread que no pertenezca al
- mutator).
-* Continuous collection (lanzar un thread que esté haciendo fullcollect() en
- un loop). Lo bueno es que el sweep podría correr en ese thread, bajando aún
- más el tiempo máximo de pausa (aunque esto se puede hacer más allá de hacer
- continuous collection, ver "concurrent sweeping"), lo malo es que tal vez se
- estaría recolectando demasiado sin ninguna ganancia substancial.
-* Medir mejor cuando lanzar una recolección cuando se usa early collection
- (por ejemplo medir la tasa de alocación y el tiempo de recolección y así
- hallar el momento ideal para lanzar la recolección).
-* Emprolijar todavía más el código (o reescribirlo).
+* 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 elegible 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.
+
+ .. ftable:: t:con-staticsize
+
+ 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 punteros*, 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.
+
+ .. ftable:: t:con-binsize
+
+ 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
----------------------------------------------------------------------------
-TODO
+Dado que D_ no está muy difundido en ámbitos académicos, la cantidad de
+trabajos relacionados es muy pequeña, sin embargo los hay, y a continuación se
+describen.
-* Diamond:
+* Diamond [PAN09]_:
http://thecybershadow.net/d/Memory_Management_in_the_D_Programming_Language.pdf
necesarias para evitar el padding para un tamaño de bloque). Un tipo de dato
NO_SCAN no alocaría directamente bits de noscan, mark y scan. Se podría
tratar de forma especial a strings.
+* Lazy sweeping.
+* Concurrent sweeping (lanzar fase de sweep en un thread que no pertenezca al
+ mutator).
+* Continuous collection (lanzar un thread que esté haciendo fullcollect() en
+ un loop). Lo bueno es que el sweep podría correr en ese thread, bajando aún
+ más el tiempo máximo de pausa (aunque esto se puede hacer más allá de hacer
+ continuous collection, ver "concurrent sweeping"), lo malo es que tal vez se
+ estaría recolectando demasiado sin ninguna ganancia substancial.
* Hacer preciso el static data por el tema de los TypeInfo's que ocupan mucha
memoria que debe ser escaneada.
+* Tratar de remover el *lock* global.
+* Implementar un recolector con movimiento.
+
+.. include:: links.rst
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