Garbage Collector: conceitos e algoritmos

UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO

Garbage Collector


Roteiro da Apresentação
• Conceitos Básicos
• O que é o Garbage Collector
• Analisando o Código
• Execução do Garbage Collector
• Exemplos
• Algoritmos para Coleta de Lixo:
o Mark and Sweep Algorithm
o Reference Counting Algorithm
o Copying Algorithm
• Referências.


Conceitos Básicos
Existem três estratégias para se alocar memória:

o Estática: áreas de memória são alocadas antes do
início do programa;

o Linear: memória alocada em fila ou em pilha;

o Dinâmica: permite liberdade de criação e remoção
em ordem arbitrária;

3


• Java utiliza alocação dinâmica (heap) para objetos
e alocação linear (pilha) para procedimentos
sequenciais;

• Programadores não têm a responsabilidade e nem
a possibilidade de gerenciar a memória do sistema;

• A alocação e liberação de memória dinâmica é
realizada automaticamente usando algoritmos;

4


Então, por que se preocupar com
memória em Java?

5


• Mas algoritmos são configurados para situações
típicas:

o Determinadas aplicações podem requerer
ajustes;

o Saber o quanto, quando, onde ajustar requer
conhecimentos elementares;

6


A medida que vamos fazendo
alocações na heap o espaço vai se
tornando cada vez mais escasso.
Fazendo uma analogia seria como
um quarto repleto de coisas dispostas de
qualquer forma onde não se há mais
espaço para se guardar novos objetos...

7


Qualquer semelhança a algum ambiente conhecido é mera coincidência! 8


Neste caso é necessário
chamar alguém que entende
melhor do assunto para poder
nos ajudar nesta tarefa árdua e
complicada, que é organizar
tudo!
9


O Garbage Collector é
a nossa faxineira
querida de cada dia!

10


Garbage Collector
• Garbage Collector é o nome de uma rotina básica
de alguns sistemas, que serve para recuperar o
espaço de memória que havia sido alocado para
uso por alguma aplicação [1];

• Esse espaço de memória posteriormente ficou em
desuso pela aplicação [1];

• A alocação dos objetos é decidida em tempo de
compilação e estes são alocados no Heap [2] [3];11


É papel dessa rotina
identiﬁcar e reaproveitar os
espaços de memória que não
são mais utilizados!

12


Exemplo
Para facilitar a compreensão do
assunto vamos considerar um esquema de
alocação dinâmica de espaço de memória,
uma lista ligada como mostra a próxima
figura.

13


Esquema de Alocação de
Memória Dinâmica
Início

...

14


Analisando o código:
Vamos analisar o trecho de código
abaixo e saber o que acontece quando a
instrução new é invocada:

Public class Empresa {

Cliente novoCliente = new Cliente();

}
15


Quando a instrução new é invocada as
seguintes tarefas são realizadas:

• „ alcula-se o total de memória necessária;
C

• „ heap é examinado;
O

• Se tiver espaço, o construtor é invocado.

• Antes de retornar a referência, avança
com o ponteiro next object pointer [3].
16


E se não houver
espaço suficiente no
heap?

17


Quando, ao processar a instrução
new, no heap não houver memória
suficiente, se executa o Garbage
Collector [3].

18


Execução do Garbage Collector
• Uma unidade de espaço é considerada ativa ou
útil quando ela pode ser acessada ou atingida [1].
Início

...

19


• Caso uma unidade de espaço não possa ser
acessada, então ela é deﬁnida como inativa ou
lixo [1];

• Unidades podem se tornar lixo quando ponteiros
são redirecionados tornando-as inacessíveis [1],
como veremos na próxima figura:

20


Lista 1

...

Lista 2

...

21


Lista 1

...

Lista 2 Lixo

...

22


Lista 1

...

Lista 2

...

23


Lista 1

...

Lixo!
Lista 2
Lixo!

...

24


• Durante o processo de garbage collector, os
objetos no heap são investigados, para isso
é construído um grafo de objetos, como
ilustra a próxima figura:

25


Exemplo 01
Heap G E Y H S V B M W Q

Grafo E Q Y

G M W H

B V S
26


Exemplo 01
Heap G E Y H S V B M W Q

Grafo E Q Y

G LIXO!
M W H

B V S LIXO!
27


Exemplo 01
Heap Compactado

G E Y H V B W Q

Next Object Pointer
28


Exemplo 02

Heap A M T P L K J E Q S V Y G
R U X I O H Z D C F N W B

29


Grafo
Exemplo 02
A B P T
D C O Q
K
E L M Y
F J N W
Z
G I S V
H U R X
30


Exemplo 02
Grafo
LIXO!
A B P T
D C O Q
K
E L M Y LIXO!

F J N W
Z
G I LIXO! S V
LIXO! H U R X
31


Exemplo 02

Heap A M T L K J E Q V G R U X
Compactado I O Z D C F N W B

Next Object
Pointer

32


• Há várias implementações de algoritmos de coleta
de lixo, cada um com suas vantagens e
desvantagens [4];

• O comportamento desse algoritmo é o principal
gargalo na maior parte das aplicações de vida
longa [4];

• Conhecer os detalhes do funcionamento do
algoritmo de coleta de lixo é importante [4];

33


Influência da coleta de lixo nas próximas
alocações [4]:

• A remoção de objetos deixa buracos no heap;

• Para alocar novos objetos, é preciso procurar nas
listas de espaços vazios (free lists) um que caiba
o próximo objeto;

• Alguns algoritmos compactam o heap, movendo
os objetos para o início do heap e atualizando os
ponteiros.
34


Algoritmos para Coleta de Lixo:
• Mark and Sweep Algorithm: rastreia objetos do
heap, marca o que não é lixo e depois varre o lixo.

• Reference Counting Algorithm: mantém, em cada
objeto, uma contagem das referências para ele; coleta
os objetos que têm contagem zero;

• Copying Algorithm: divide o heap em duas partes;
cria objetos em uma parte do heap e deixa outra parte
vazia; recolhe o que não é lixo e copia para a área
limpa, depois esvazia a área suja.
35


Mark and Sweep Algorithm
• O método Mark and Sweep, foi criado em 1960 por J.
McCarthy [2];

• Esse método é geral e funciona sempre, isto é, todo lixo é
sempre identiﬁcado e recolhido;

• Usa um bit adicional por elemento para servir de marca;

• O método consiste de duas fases: uma fase de marcação
seguida de uma fase de varredura e recolhimento [1].

36


Fase de Marcação (Mark)

• A partir de ponteiros externos conhecidos,
todos os elementos das estruturas de dados
acessíveis são marcados [1];

• Para isso é necessário algum algoritmo para
percorrer essas estruturas para ajudar no
percurso e na marcação [1];

37


Fase da Varredura (Sweep)

• O espaço das posições em que estão
implementadas as estruturas de dados,
bem como a lista dos elementos livres, é
varrido ou percorrido sequencialmente [1];

38


Quando cada elemento é examinado, é
tomada uma das duas ações [1]:

• Se o elemento é marcado, simplesmente
desmarca esse elemento e nada mais é
feito com o elemento;

• Se o elemento não é marcado, então por
deﬁnição ele é lixo e é recolhido.

39


• Vantagens:

o Não precisa de algoritmo complicados;

o Pode ser mais rápido que Contagem de
Referências.

40


• Desvantagens:

o Interrompe a aplicação principal;

o Fragmentação pode aumentar a frequência em
que o Garbage Collector ocorre;

o Precisa visitar todos os objetos alcançáveis na
fase de marcação e varrer o heap inteiro.

41


Reference Counting Algorithm
• O método Reference Counting foi criado por
Collins em 1960 [2];

• Tem a vantagem de identiﬁcar o lixo e procede
seu recolhimento assim que o lixo surgir [1];

• Usa um contador por elemento para servir de
contagem de referências [1];

42


• O contador de referências indica a
quantidade de ponteiros ou referências a
esse elemento [1].

• Este contador deve ser sempre mantido
atualizado. [1].

43


• Quando o contador de referências de um
elemento atinge o valor zero, o elemento é
lixo por deﬁnição;

• O elemento é então recolhido ao espaço
livre.

44


• Vantagens:

o Rápido: não precisa varrer o heap inteiro;

o Pode executar em paralelo com a
aplicação.

45


• Desvantagens:

o Custo de processamento alto;

o Incapacidade de avaliar estruturas
cíclicas.

• Soluções:

o Algoritmo de Coleta de Ciclos.
46


Copying Algorithm
• O método Copying Algorithm, foi criado por
Chenney em 1970 [4];

• O método de Cópia divide o heap em duas
áreas iguais chamadas de origem (from
space) e destino (to space) [4];

47


O Algoritmo funciona da seguinte maneira
[4]:

1. Objetos são alocados na área “from”;

2. Quando o coletor de lixo é executado, ele
navega pela corrente de referências e copia os
objetos alcançáveis para a área “to”;

3. Quando a cópia é completada, os espaços “to”
e “from” trocam de papel;
48


Heap Origem: From Heap Destino: To

J
F
G
B
E
U
P
Z
Q
W
49


Heap Origem: From Heap Destino: To

J J
F G
G U
B Z
E Q
U W
P
Z
Q
W
50


Heap Destino: To Heap Origem: From

J J
F G
G U
B Z
E Q
U W
P
Z
Q
W
51


Vantagens:

o A cópia ocorre de forma rápida;

o Não precisa visitar o heap inteiro;

o Não fragmenta a memória do heap.

52


Desvantagens:

o Aplicação precisa parar;

o Dobra a necessidade de memória do
heap;

o Uso ineficiente de memória.

53


Sugestão de Vídeo Sobre o Assunto:
Link:
http://mais.uol.com.br/view/ee0dmzfst8i2/garbagecollector040262D0B93346
?types=A

54


Referências
[1] SONG, S. W. Coletor de Lixo (Garbage Collector). Universidade
de são Paulo – IME/USP, 2008. Apostila.

[2] LINS, R. D. Garbage Collection. Universidade Federal de
Pernambuco. Apostila.

[3] LEITE, N. Garbage Collection. ISEL/LEIC – Semestre de Inverno.
Disponível em: http://www.deetc.isel.ipl.pt/programacao/ave/ . 2008-
2009. Apostila.

[4] ROCHA, H. Gerência de Memória em Java – Parte I: Arquitetura
da JVM e Algoritmos de Coleta de Lixo. Disponível em:
http://www.argonavis.com.br/. 2005. Apostila.

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