T5 memoria

Parte 1

Gestione della memoria

Linguaggi dinamici – A.A. 2009/2010
1

Introduzione
T Ciascun linguaggio di programmazione mette a
disposizione meccanismi per la gestione della
memoria (principale)
T Funzionalità ad alto livello di un gestore della
memoria:
T Allocazione di risorse
All i i
T Rilascio di risorse

2

Due diverse filosofie
T C: la gestione della memoria è troppo
importante per questo va lasciata al
programmatore
T Smalltalk: la gestione della memoria è troppo
importante per questo va lasciata al sistema

3

Gestione manuale della memoria
T Nei linguaggi di “vecchio stampo”, sono
messe a disposizione del programmatore le
funzioni di allocazione e deallocazione della
memoria, c e usa o le p
e o a, che usano e primitive de s ste a
t e del sistema
operativo sottostante
T C: malloc(), free()
T La gestione della memoria è interamente
lasciata al programmatore
T Gestione eccezionalmente veloce
T Gestione eccezionalmente soggetta ad errori di
G ti i l t tt d i
violazione di segmento

4

T Schema di gestione manuale della memoria
<Acquisizione della memoria>
T

T <Uso della memoria>

T <Rilascio della memoria>

T Esempio (C):
ptr = malloc(size);
<uso di memoria tramite ptr, *ptr>;
uso ptr ;
free(ptr);

5

T Vantaggi:
T La velocità delle operazioni di gestione è elevata (in
sostanza, è quella del kernel sottostante)
T I pattern di acquisizione/rilascio sono espliciti
T Svantaggi:
T Onere di programmazione non indifferente, legato
O i i diff t l t
all'uso della memoria
(aritmetica dei puntatori : segmentation fault,
fault
puntatore a memoria liberata : dangling reference)
T Gestione manuale non scala con le dimensioni del
programma (è molto facile dimenticarsi qualche
free() : memory leak)

6

Gestione automatica della memoria
T Nei linguaggi più moderni, una macchina
virtuale fornisce l'astrazione portabile di un
l astrazione
calcolatore
T La macchina virtuale implementa il proprio
gestore della memoria, che svolge le
operazioni di allocazione e deallocazione in
maniera automatica, a tempo di esecuzione
T Non esiste più il concetto di allocazione
N i t iù tt ll i
dinamica della memoria
T Il programmatore deve solo preoccuparsi di
dichiarare ed utilizzare variabili semplici o
complesse, mutevoli in tipo e dimensione
7

T Schema di gestione automatica della memoria
Dichiarazione di una variabile (semplice o
T

complessa)
T <U
<Uso d ll variabile>
della i bil >
T Esempio (Perl):
my @array = ();
push @array, 10;
push @array, “ciao”;

8

T Vantaggi:
T L uso
L'uso della memoria occupata dalle strutture dati è
controllato dall'interprete (assenza di violazioni di
segmento)
T La memoria viene prenotata quando serve
(
(dichiarazione di una variabile) e rilasciata quando
) q
non serve più (uscita da un blocco di codice) (è
molto più difficile avere memory leak)
T Svantaggi:
T La velocità delle operazioni di gestione è molto
p g
bassa (interviene l'interprete)
T I pattern di acquisizione/rilascio non sono espliciti

9

Parte 1

Garbage Collection
g

10

Definizione
T La garbage collection è una forma di gestione
automatica della memoria
T John McCarthy, LISP, 1959
T Un
U modulo software appartenente al run time
d l ft t t l ti
environment, detto garbage collector, si
preoccupa di effettuare (più o meno
ff tt ( iù
periodicamente) le seguenti operazioni:
T Individua variabili, strutture dati, oggetti che
sono usciti dallo scope attuale del programma e
non potranno mai più essere referenziati
t i iù f i ti
dall'applicazione
T Rilascia l memoria relativa a tali entità
Ril i la i l ti t li tità
11

Uso
T Linguaggi con un garbage collector
T Java, C#, Smalltalk, Lisp,
Java C# Smalltalk Lisp Haskell
T Python, Ruby, Lua, Tcl
T Delphi (dynamic array, long string, variant,
interface)
T Linguaggi nati con una gestione manuale,
estendibili con un garbage collector:
T C, C++ (Boehm Garbage Collector)
T Linguaggi che fanno uso di tecniche
dinamiche alternative alla garbage collection:
T Perl,
Perl PHP
12

Tracing Garbage Collector
g g

13

Introduzione
T La stragrande maggioranza dei garbage
collector segue una strategia detta tracing
garbage collection
T Un tracing garbage collector esegue il
seguente flusso di operazioni
1)Determina quali oggetti sono raggiungibili (
1)D t i li tti i ibili (o
potenzialmente tali)
2)Scarta tutti gli altri oggetti (rilasciandone la
2)S t t tti li lt i tti ( il i d l
relativa memoria)
T Per
P oggetto si intende un qualunque tipo di
ii d l i
entità richiedente memoria principale (numero,
struttura d ti complessa, istanza di classe)
t tt dati l i t l )
14

Raggiungibilità di un oggetto
T Un oggetto è detto raggiungibile se esiste una
variabile che lo referenzia
T Il riferimento può essere diretto (una variabile
contiene l'oggetto)
l oggetto)
T Il riferimento può essere indiretto (una variabile
contiene un “puntatore” all'oggetto)
puntatore all oggetto)

15

T In altre parole, in un dato istante temporale, un
oggetto può essere raggiungibile solamente
nei seguenti due modi
T Raggiungibilità diretta
T Alcuni oggetti (detti radice) si assume siano
raggiungibili
T Tutti gli oggetti dello stack frame corrente

(variabili locali parametri della funzione
locali,
correntemente in esecuzione)
T Tutte le variabili globali

16

T In altre parole, in un dato istante temporale, un
oggetto può essere raggiungibile solamente
nei seguenti due modi
T Raggiungibilità indiretta
T Ogni oggetto riferito da un oggetto
raggiungibile direttamente è a sua volta un
è, volta,
oggetto raggiungibile
T La raggiungiblità è pertanto una chiusura
è, pertanto,
transitiva

17

Problemi legati alla raggiungibilità
T La raggiungibilità di un oggetto si può
intendere in due modi
T In senso sintattico (syntactic garbage):
T quali oggetti possono essere raggiunti o no per
li tti i ti
via dei vincoli sintattici del linguaggio
T Semplice (dal punto di vista teorico) da
S li (d l i i )d
verificare
T La raggiungibilità è intesa in senso sintattico
dalla stragrande maggioranza dei garbage
collector
ll t

18

Problemi legati alla raggiungibilità
T La raggiungibilità di un oggetto si può
intendere in due modi
T In senso semantico (semantic garbage):
T quali oggetti possono essere raggiunti o no per
li tti i ti
via del flusso del codice eseguito
T Richiede l
Ri hi d la soluzione dell'halting problem: d
l i d ll'h l i bl dato
un programma ed un ingresso, decidere se il
programma esegue per sempre o finisce
T Tale problema è indecidibile: non esiste un
algoritmo in grado di risolvere l'halting problem
l it i d i l l'h lti bl
per ciascun programma e per ciascun ingresso
T Euristiche i
E i ti h nei garbage collector di ricerca
b ll t i
19

Algoritmo Mark and Sweep
T Ciascun oggetto presente in memoria ha un
flag (tipicamente un bit) riservato per le
(tipicamente,
attività di garbage collection
T Il flag assume due distinti valori:
T 0: l'oggetto corrispondente non è stato ancora
riconosciuto come raggiungibile
T 1: l'oggetto corrispondente è stato riconosciuto
come raggiungibile
T Quando non è in esecuzione il garbage
collector, tale flag è sempre mantenuto al
ll l fl l
valore 0

20

Algoritmo Mark and Sweep
T Prima fase dell'algoritmo
T Si individua ciascun oggetto raggiungibile
direttamente o indirettamente
T Si i
imposta il relativo flag al valore 1
t l ti fl l l
T Seconda fase dell'algoritmo
T Si esaminano tutti gli oggetti presenti in
memoria
T Gli oggetti con flag pari a 0 si considerano non
raggiungibili, e la relativa memoria viene
liberata
T g
Terza fase dell'algoritmo
T Viene azzerato il flag degli oggetti superstiti
21

Manchevolezze dell'algoritmo
T L'interprete si deve interrompere durante
l esecuzione dell algoritmo
l'esecuzione dell'algoritmo di garbage
collection
T I programmi in esecuzione si “congelano” in
congelano
maniera imprevedibile
T La scrittura di applicazioni a bassa latenza e
real-time è impossibile
T L'intero insieme degli oggetti deve essere
esaminato una volta linearmente
T L'insieme degli oggetti sopravvissuti deve
L'i i d li i i id
essere esaminato una volta linearmente

22

Algoritmo Tri-colour Marking
T L'insieme degli oggetti presenti in memoria
viene partizionato in tre sottoinsiemi
T White set:
T Oggetti candidati alla rimozione
O tti did ti ll i i
T Black set:
T Oggetti che non hanno (dimostrabilmente)
riferimenti ad altri oggetti nel white set
T Gray set:
T Oggetti che non sono nel white o nel black set
(non si è ancora scoperto se hanno o no
riferimenti al white set)
)
23

T Prima fase dell'algoritmo
T L'insieme degli oggetti presenti in memoria
viene partizionato in tre sottoinsiemi
T White t Oggetti candidati alla rimozione (ad
Whit set: O tti did ti ll i i ( d
es. sono usciti dallo scope); alla fine
dell algoritmo
dell'algoritmo saranno tutti distrutti
T Black set: Oggetti non candidati alla rimozione
che non hanno riferimenti diretti ad oggetti nel
white set (all'inizio il black set è vuoto)
T Grey set: Oggetti che non sono nel white o nel
black set

24

T Seconda fase dell'algoritmo
T Si sceglie un oggetto O dal grey set
T L'oggetto O non è un candidato alla rimozione,
pertanto va salvato spostandolo nel black set
t t l t t d l l bl k t
T Si identificano tutti gli oggetti R1, ..., Rk
referenziati direttamente da O
f i ti di tt t d
T Si considerano gli oggetti W1, ..., Wj del
sottoinsieme R1, ..., Rk appartenenti al white set
tt i i t ti l hit t
T W1, ..., Wj sarebbero da eliminare, ma sono
riferenziati da un oggetto che non si può
rimuovere (O); essi vanno spostati nel grey set

25

T Terza fase dell'algoritmo
T Si ripete la seconda fase fino a quando il grey
set non si svuota
T Quarta fase d ll' l
Q t f dell'algoritmo
it
T Gli oggetti nel white set sono dimostrabilmente:
T candidati alla rimozione

T non collegati ad un oggetto da salvare

(quindi, non raggiungibili da parte di un
oggetto ancora utilizzato dal programma)
T La memoria relativa agli oggetti nel white set
può essere rilasciata

26

Vantaggi dell'algoritmo
T L'algoritmo Tri-colour Marking può essere
eseguito senza richiedere l interruzione
l'interruzione
completa dell'interprete
T Il run time mantiene continuamente i tre
insiemi black, white, grey
T Le i
L prime tre fasi dell'algoritmo di garbage
t f i d ll' l it b
collection vengono eseguite contestualmente
all'allocazione ed alla modifica di oggetti
ll' ll i d ll difi tti
T La quarta fase viene invocata quando il grey
set si svuota
T Non viene mai scandito l'intero insieme degli g
oggetti, bensì solo il white set
27

Generational Garbage
Collector

28

Introduzione
T Uno studio empirico mostra che, per diverse
tipologie di programmi, gli oggetti creati più di
programmi
recente hanno la maggiore probabilità di
d e ta e ag u g b
diventare irragiungibili nell'immediato futuro
e ed ato utu o
T Gli oggetti hanno una mortalità infantile
elevata
T Tale osservazione può essere presa come una
vera e propria ipotesi di lavoro: l'ipotesi
generazionale

29

Generazioni
T Gli oggetti nell'heap vengono divisi in zone di
memoria distinte, dette generazioni
distinte
T Generazioni diverse contengono oggetti con
diversa “vecchiaia”
vecchiaia
T New Generation: oggetti nuovi
T Eden: oggetti appena creati
T Survivor Space 1 e 2: oggetti sopravvissuti ad
alcune garbage collection “minori”
T Old generation: oggetti più vecchi
g gg p
T Perm: oggetti permanenti usati dalla VM
(definizioni di classi e metodi)
30

Generazioni

31

Minor collection
T Quando la generazione New tende a riempirsi,
viene invocata una minor collection
T Gli oggetti raggiungibili dell'Eden vengono
copiati nel Survivor Space 1
T L'Eden si svuota e può essere nuovamente
utilizzato per allocazioni di nuovi oggetti
tili t ll i i i tti
T Nelle minor collection successive, gli oggetti
raggiungibili dell'Eden e del Survivor Space 1
vengono copiati nel Survivor Space 2
T Dopo alcune minor collection, gli oggetti sono
considerati anziani (tenured) e vengono
( ) g
spostati nella generazione Old
32

Minor collection

33

Major collection
T Quando la generazione Old si riempie, viene
invocata una major collection
T Primo passo: il garbage collector scandisce
l intero
l'intero heap alla ricerca di oggetti non
raggiungibili
T Secondo passo: t tti gli oggetti non
S d tutti li tti
raggiungibili vengono rimossi, e la memoria
corrispondente liberata
i d t lib t

34

Major collection

35

Alternative al GC:
Reference Counting

36

Algoritmo Reference Counting
T Alcuni linguaggi dinamici adottano alternative
più snelle di un garbage collector classico
T La più interessante di tali alternative è il
reference counting
T Perl, PHP
T A ciascun oggetto viene associato un
contatore degli oggetti che lo stanno
referenziando
T Quando il contatore vale 0, nessuno sta
,
referenziando l'oggetto, che può essere
distrutto
37

Vantaggi dell'algoritmo
T L'algoritmo di reference counting è molto più
veloce di un qualunque algoritmo di garbage
collection
T Ci si può letteralmente dimenticare di chiudere
i descrittori dei file
T Quando si esce da un blocco di codice, il
Q d i d bl di
reference count della variabile va a 0
T La
L variabile d
i bil descrittore viene i
itt i immediatamente
di t t
distrutta
T Con un garbage collector, l'operazione non è
C b ll t l' i
necessariamente immediata

38

Svantaggi dell'algoritmo
T È necessario mantenere e gestire un contatore
in ogni oggetto
T L'algoritmo di reference counting presenta il
problema dei riferimenti circolari
T Si considerino due oggetti A e B che puntano
l'uno all'altro
T Sia A che B hanno due riferimenti:
T Quello della variabile che li contiene
T Quello dell'oggetto che punta a loro
gg p

39

Riferimento circolare

ref A
f ref B
f
ref B

ref A

40

Svantaggi dell'algoritmo
T Quando uno dei due oggetti (ad esempio, A)
esce dal suo scope
T Non è più accessibile tramite la sua variabile
T la
l sua memoria non può essere liberata, dal
i ò lib t d l
momento che un altro oggetto la sta
referenziando
T L'effetto esterno è quello di un memory leak
(consumo memoria, ma non ho la variabile)
( i h l i bil )
T Devo cancellare A e B per liberare memoria

41

Riferimenti deboli
T Una soluzione a tale problema consiste
nell adozione
nell'adozione dei riferimenti deboli (weak
reference)
T Modulo Scalar::Utils (Perl)
T I riferimenti circolari sono esplicitamente
marcati come deboli (dal programmatore o
dall'interprete), e non sono considerati
dall'algoritmo di reference counting
T Quando l'oggetto esce dal suo scope, può
essere didistrutto
T Caveat: tutti I link all'oggetto diventano nulli!
42

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