:Autor: Leandro Lucarella
:Fecha: Diciembre 2010
-:Organización: FIUBA
+:Organización: Facultad de Ingeniería, UBA
Introducción
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-Presentación
+Introducción
--------------------------------------------------
Motivación
~~~~~~~~~~
* Recolección de basura
-* Lenguaje de programación **D**
-* Utilidad → Software Libre → Contribución
-
+* Lenguaje de programación D
+* Investigación + aplicación
+* Software Libre
Recolección de Basura
---------------------------------------------------
-
-Introducción
-~~~~~~~~~~~~
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
¿Qué?
* Administración automática de memoria
¿Para qué?
* Simplificar interfaces
-* Mejorar eficiencia (**!**)
* Evitar errores de memoria
-
- * *Dangling pointers*
- * *Memory leaks*
- * *Double free*
+* Mejorar eficiencia (**!**)
¿Cómo?
-Algoritmos clásicos
-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-* Conteo de referencias
-* **Marcado y barrido**
-* Copia de semi-espacio
-
-.. raw:: latex
-
- \multiinclude[format=pdf,graphics={height=4.5cm}]{img/mark-sweep}
-
-.. dummy: para que ande bien el raw de arriba
-
-Estado del arte
-~~~~~~~~~~~~~~~
-* Medio siglo de investigación y desarrollo (3000+ publicaciones)
-* Objetivo
-
- * ↓ Tiempo total de ejecución
- * ↓ Cantidad de recolecciones
- * ↓ Tiempo de recolección
- * ↓ **Tiempo (máximo) de pausa**
-
-* Técnicas
-
- * Particiones
- * **Concurrencia**
- * Organización de memoria
- * **Precisión**
- * Análisis estático
-
-
-El lenguaje de programación D
---------------------------------------------------
-
-Características generales
-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-* Sintaxis tipo C/C++
-* Compilado
-* Sistema de tipos estático
-* Multi-paradigma
-
-Paradigmas
-~~~~~~~~~~
-* Programación de bajo nivel (*system-programming*) ← C/C++
-
- * ``asm``
- * ``union``
- * ``extern (C)``
- * ``malloc()``
-
- → Conservativo + Manipulación de *root set*
-
-* Programación de alto nivel ← Python/Ruby/Perl
-
- * *GC*
- * ``T[]``, ``T[K]``
+* Análisis del grafo de conectividad del *heap*
+* 50+ años de desarrollo
+* 3000+ *papers*
- → Punteros interiores
-
-* Orientación a objetos ← Java
-
- * ``~this()``
-
- → Finalización
-
-
-
-Recolector de basura de D
-==============================================================================
-
-Implementación actual
---------------------------------------------------
-
-Organización del heap
-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-*Heap* → *Pools* → Páginas → Bloques + Listas de libres
-
-.. image:: img/heap.pdf
- :height: 6.7cm
-
-Bloques
-~~~~~~~
-* Tamaño fijo (por página)
-
- * Potencias de 2
- * De 16 a 4096 bytes
- * Más de 4096 (una página)
-
- * Objeto **grande**
- * Múltiplo de páginas: 4096, 8192, ...
- * En páginas contiguas (y mismo *pool*)
-
-* Indicadores (*bit sets* en *pool*)
-
- * Marcado
-
- * *mark*
- * *scan*
- * *noscan*
-
- * Barrido
-
- * *free*
- * *finals*
-
-Algoritmo
-~~~~~~~~~
+Recolector Actual de D
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
* Marcado y barrido
* Marcado iterativo
* *Stop-the-world*
- * Durante el marcado, en teoría
+ * Durante el marcado (en teoría)
* *Lock* global
* Muy propenso a extender el tiempo de *stop-the-world* en la práctica
-
-Lo bueno, lo malo y lo feo
---------------------------------------------------
-
-Lo bueno
-~~~~~~~~
+Recolector Actual - Lo Bueno
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
* Anda :)
-* Organización del *heap* (*two-level allocation*)
+* Organización del *heap* (< fragmentación)
* Marcado iterativo (!\ *overflow*)
-* *Bit set* para indicadores (caché)
+* *Bitset* para bits de marca (*cache friendly*)
(bueno != perfecto)
-Lo malo y lo feo
-~~~~~~~~~~~~~~~~
+Recolector Actual - Lo Malo y lo Feo
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
Lo malo
* ↓ Configurabilidad (*no silver bullet*)
* ↓ Precisión (información de tipos) → Memoria inmortal
* ↓ Concurrencia → Grandes pausas
-* ↓ Control sobre el factor de ocupación del *heap* → casos patológicos
+* ↓ Control sobre el factor de ocupación del *heap*
+
+ → Casos patológicos
Lo feo
-* El código (complejo, intrincado, duplicado, poco documentado) → Difícil de
- mantener, modificar y mejorar
+* El código (complejo, intrincado, duplicado, poco documentado)
+
+ → Difícil de mantener, modificar y mejorar
Modificaciones Propuestas
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-Concurrencia
+Modificaciones Propuestas
--------------------------------------------------
-fork(2)
-~~~~~~~
-* Hijo *nace* con una *fotografía* de la memoria del padre
-* Aisla modificaciones en la memoria de padre e hijo
-* Minimiza copia efectiva de memoria (*COW*)
-* Comienza con un solo hilo (el que llamó a ``fork(2)``)
-* Muy eficiente
-
-Algoritmo principal
-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-* Basado en el trabajo de Gustavo Rodriguez-Rivera y Vince Russo (*Non-intrusive
- Cloning Garbage Collector with Stock Operating System Support*)
-* Minimiza tiempo de pausa realizando fase de marcado **concurrente** vía
+Concurrencia
+~~~~~~~~~~~~
+* Algoritmo basado en el trabajo de Gustavo Rodriguez-Rivera y Vince Russo
+ (*Non-intrusive Cloning Garbage Collector with Stock Operating System
+ Support*)
+* Minimiza tiempo de pausa realizando fase de **marcado concurrente** vía
``fork(2)``
* Proceso padre sigue corriendo el programa
* Proceso hijo realiza fase de marcado
* Se comunican resultados vía memoria compartida
* Sincronización mínima (``fork(2)`` + ``waitpid(2)``)
-Problemas
-~~~~~~~~~
+Concurrencia - Problemas
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
* Hilo que disparó la recolección bloqueado hasta fin de recolección completa
(marcado concurrente inclusive)
* Otros hilos potencialmente bloqueados durante toda la recolección también
→ Tiempo de pausa en la práctica ~= tiempo total de recolección
-Eager allocation
-~~~~~~~~~~~~~~~~
-* Crea un nuevo *pool* de memoria antes de lanzar el marcado concurrente
-* Devuelve memoria del nuevo *pool* al programa mientras termina el marcado
+Concurrencia - Eager Allocation
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+* Pide más memoria al OS antes de lanzar el marcado concurrente
+* Devuelve memoria nueva al programa mientras termina el marcado
concurrente
* Permite al programa (**todos** sus hilos) seguir trabajando mientras se
realiza el marcado concurrente
↓ Tiempo de pausa real
-Early collection
-~~~~~~~~~~~~~~~~
+Concurrencia - Early Collection
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
* Dispara una recolección *preventiva* antes de que se agote la memoria
* Permite al programa (**todos** sus hilos) seguir trabajando mientras la
recolección *preventiva* está en progreso
↓ Tiempo de pausa real (no garantizado)
-
-Otras mejoras
---------------------------------------------------
-
-Precisión
-~~~~~~~~~
-Adaptación del trabajo de Vincent Lang y David Simcha:
-
-* Compilador genera información sobre ubicación de los punteros en un tipo
-
- * Indica si una *palabra* debe ser escaneada (uniones)
- * Indica si una palabra es un puntero
-
-* Se pasa esa información al recolector al momento de pedir memoria
-* Recolector original utiliza esa información
-
- * Almacena un puntero a la información al final del bloque
- * Utiliza la información para escanear solo palabras que son punteros (con
- seguridad o potencialmente)
-
-Optimizaciones y otras mejoras menores
-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+Otras Mejoras
+~~~~~~~~~~~~~
+* Marcado semi-preciso del *heap*
* Mejora del factor de ocupación del *heap*
* Caché de consultas críticas para acelerar cuellos de botella
* Reestructuración, modularización, simplificación y limpieza del código
* Pre-asignación de memoria
* Optimizaciones algorítmicas sobre búsquedas frecuentes
* Registro de pedidos de memoria y recolecciones realizadas
+* Configurabilidad (en *tiempo de inicialización*)
-Configurabilidad
-~~~~~~~~~~~~~~~~
-* Configurable en *tiempo de arranque*
-* Vía variable de entorno (``D_GC_OPTS``)
-* Viejas opciones convertidas
- * ``mem_stop``
- * ``sentinel``
-* Nuevas opciones
+Resultados
+==============================================================================
- * ``pre_alloc``
- * ``min_free``
- * ``malloc_stats_file``
- * ``collect_stats_file``
- * ``conservative``
- * ``fork``
- * ``eager_alloc``
- * ``early_collect``
+Resultados
+--------------------------------------------------
+Banco de Pruebas
+~~~~~~~~~~~~~~~~
+* Programas
+ * 7 *Micro-benchmarks*
+ * 5 *Olden Benchmark* (400-1000 *SLOC*)
+ * Dil (32K+ *SLOC*, 86 módulos, 300+ *clases*)
-Resultados
-==============================================================================
+* Métricas
-Banco de Pruebas
---------------------------------------------------
+ * Tiempo total de ejecución
+ * Tiempo máximo de *stop-the-world*
+ * Tiempo máximo de pausa real
+ * Cantidad máxima de memoria utilizada
-Diapositiva 1
-~~~~~~~~~~~~~
-Diapositiva 1
+Tiempo Máximo de Stop-The-World
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+.. image:: img/norm-hist-stw.pdf
+ :width: 12.5cm
-Diapositiva 2
-~~~~~~~~~~~~~
-Diapositiva 2
+Tiempo Máximo de Pausa Real
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+.. image:: img/norm-hist-pause.pdf
+ :width: 12.5cm
+Cantidad Máxima de Memoria Utilizada
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+.. image:: img/norm-hist-mem.pdf
+ :width: 12.5cm
-Tiempo de Stop-The-World
---------------------------------------------------
+Tiempo Total de Ejecución
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+.. image:: img/norm-hist-time.pdf
+ :width: 12.5cm
-Diapositiva 1
-~~~~~~~~~~~~~
-Diapositiva 1
-Diapositiva 2
-~~~~~~~~~~~~~
-Diapositiva 2
+Conclusión
+==============================================================================
-Tiempo de Pausa Real
+Conclusión
--------------------------------------------------
-Diapositiva 1
-~~~~~~~~~~~~~
-Diapositiva 1
+Resumen
+~~~~~~~
+* Objetivo principal
-Diapositiva 2
-~~~~~~~~~~~~~
-Diapositiva 2
+ Minimizar tiempo de pausa para programas reales
+ Tiempo de pausa de Dil:
-Tiempo de Ejecución
---------------------------------------------------
+ * *Stop-the-world* **160 veces menor** (1.66s → 0.01s)
+ * Pausa real **40 veces menor** (1.7s → 0.045s)
-Diapositiva 1
-~~~~~~~~~~~~~
-Diapositiva 1
+* Objetivo secundario
-Diapositiva 2
-~~~~~~~~~~~~~
-Diapositiva 2
+ No empeorar mucho el recolector actual en ningún aspecto
+ Utilización de memoria de Dil:
-Conclusión
-==============================================================================
+ **50% mayor** (213MiB → 307MiB)
-Conclusión
---------------------------------------------------
+ (mucho *overhead* por marcado preciso)
-Resumen
-~~~~~~~
-* Recolección de basura → Inagotable
-* D → Multi-paradigma → Desafío
-* Recolección de basura en D → Fértil
-* Mejoras propuestas → Efectivas
-* Resultados → Positivos: Esperados + Inesperados
+* Yapa
-Problemas, limitaciones y Puntos Pendientes
+ Tiempo total de ejecución de Dil:
+
+ Casi **3 veces menor** (55s → 20s)
+
+Problemas, Limitaciones y Puntos Pendientes
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-* Predicción de *early collection*
* Explosión de uso de memoria con *eager allocation*
+* Eficiencia del marcado preciso
+* Mejorar predicción de *early collection*
* Experimentar con ``clone(2)``
-* Eficiencia de marcado
Trabajos Relacionados
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
~~~~~~~~~~~~~~~~
* Organización de memoria
* Barrido
-* Precisión
+* \+ Precisión
* Concurrencia → *Lock* **global**
* Movimiento
~~~
¡Gracias!
+
.. vim: set et sw=4 sts=4 spell spelllang=es :
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