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1 Fontes Garbage Collection Compiladores II 1 Modern Compiler Implementation in java: capítulo 13 Artigos : Garbage Collection in an Uncooperative Environment de Boehm e Weiser (Software Practice and Experience 18, 9, September 1988) Uniprocessor Garbage Collection Techniques de Paul Wilson (Proceedings of the 1992 International Workshop on Memory Management) Performance documentation for Java HotSpot VM Outra fonte de informação sobre GC: 2 Introdução Alocação dinâmica x Estática Heap x {Stack, Segmento de dados, registradores} Garbage collection é a devolução de memória alocada dinamicamente que não será mais usada pelo programa Programador explicitamente devolve (free, delete) Automático, software que identifica se memória ainda está sendo utilizada e devolve caso não esteja Automatic Garbage Collection GC daqui em diante Um objeto é considerado lixo (garbage) se não for acessível pelo programa por nenhum de seus ponteiros Objetos vivos são preservados em memória (no heap) O objetivo do GC é achar lixo e colocar sua posição de memória disponível para reuso 3 4 1

2 Duas fases distintas Detecção do Lixo Detectar lixo Podemos usar o critério de liveness Um valor é considerado morto em um determindo ponto se não será usado novamente, detectado no CFG ou em data flow analysis GC usa critério de reachability definido em termos de um root set e reachability dado este conjunto inicial. (objetos alcançáveis) Devolver ao sistema Objetos do heap que não podem ser acessados através do root set podem ser devolvidos. Eles não afetam o resto do programa 5 Ambientes cooperativos Algumas linguagens usam alguma informação para indentificar objetos do heap (não necessariamente linguagens OO) Algum tipo de tag, como por exemplo um padrão de bits nas posições inferiores dos endereços (ponteiros), e.g. Lisp, java e SmallTalk Ambientes não cooperativos Algumas pistas permitem identificar ponteiros (e.g. C, C++) 6 Root Set Root Set É o conjunto inicial do qual podemos percorrer o heap para identificar os objetos alcançáveis Variáveis ativas Globais Locais dos registros de ativação Variáveis alocadas em registradores 7 (figura adaptada do artigo Uniprocessor Garbage Collection Techniques ) 8 2

3 Interação entre o GC e o programa Stop the world O fluxo de execução é intercalado entre o programa e o GC O GC executa as duas fases: detecta e coleta Incremental Também intercalado, mas o GC não precisa ir até o fim de seu ciclo e sim dividí-lo em etapas Concorrente O GC e o programa são processos ou threads separados (i.e. em uniprocessamento é equivalente a um dos dois anteriores) Estratégias de GC Mark and sweep Copying collection Generational 9 10 Cada objeto tem um contador associado Este contador é atualizado a medida que o objeto é utilizado Cópia do ponteiroincrementa contador Remoção de uma referênciadecrementa contador

4 Memória referente ao objeto pode ser devolvida se o contador chegar a zero. O objeto é examinado, se houverem referências dentro dele. Os contadores desta referências devem ser decrementados

5 O processo é naturalmente incremental Estritamente incremental quando os contadores são incrementados Transitivo quando o objeto é removido Mas pode ser feito incremental, removendo-se apenas alguns nodos por vez Intercalando execução do GC e do programa Em teoria, uma boa solução para sistemas de tempo-real Pequeno problema Um campo de contador por objeto Grandes problemas Ciclos Eficiência ciclos - ciclos

6 - Eficiência Instruções extras, para dois ponteiros p 1 e p 2, e instrução p 1 p 2 c p 1.count c c 1 p 1.count c If c=0 goto PutOnFreeList(p 1 ) p 1 p 2 c p 2.count c c + 1 p 2.count c Mark and Sweep Mark O root set é usado para percorrer todo o heap Busca por Profundidade (Depth) Abrangência (Breadth) Cada objeto encontrado no caminho é marcado, por um bit no próprio objeto ou em um estrutura geral Mark and Sweep Removendo ref. Mark and Sweep Começar Mark

7 Mark and Sweep Mark completo Mark and Sweep Sweep Percorre todo heap verificando se objetos são marcados ou não Os objetos não-marcados são devolvidos e podem ser reutilizados Mark and Sweep Após Sweep Mark and Sweep - Problemas Tamanho do Heap Busca por profundidade recursiva pode ser muito cara, um registro de ativação para elemento no caminho de tam. H Solução: usar pilha explícita, ainda grande mas agora H endereços e não registros de ativação Ainda não muito boa, é um problema Outra solução: pointer reversal usa o próprio heap para guardar informações do stack

8 Mark and Sweep - Problemas Fragmentação Espaços de memória livres e usados intercalados Localidade de Referência Os espaços alocados ficam espalhados pelo heap, ruim para gerência de memória virtual e diminuição de cache-hits Boehm Collector Mark and Sweep Stop the world Utilizado em ambientes não cooperativos Pode ser usado com C/C++ Pode ser usado em conjunto com malloc, free, etc Boehm Collector Usa alguns pressupostos Área de heap é bem conhecida, limites superior e inferior Endereços de memória tem tamanho fixo, 32 bits em geral A maioria das estruturas de dados requer algum tipo de marcação de início, e.g. fila, árvores, grafos todos tem alguma forma de indicar onde a estrutura começa Nem todas as estruturas são assim, por exemplo listas infinitas em linguagens funcionais Boehm Collector Aloca Chunks de tamanho fixo Sempre 4 kbytes Começando em endereços múltiplos de 4kbytes Objetos menores são alocados utilizando uma lista de livres. Os objetos do mesmo tamanho são mantidos em listas comuns, uma para cada tamanho Se houver um bloco livre do tamanho do objeto em uma destas listas o processo é trivial Se não houver, um novo chunk é alocado e dividido em partes de tamanho fixo

9 Boehm Collector Boehm Collector A fase de Sweep devolve apenas chunks vazios, sendo que estes são unidos se forem encontrados livres em áreas contíguas Em cada chunk existe um cabeçalho com: Tamanho dos objetos naquele chunk Um ponteiro para a lista de chunks Área de mark bits Boehm Collector Aspecto não-cooperativo Cada endereço no root set pode ser verificado: Se contém valor menor ou maior que a área de heap então não é um ponteiro Caso contrário: os bits altos, descartado os 12 bits de desolcamento dentro do chunk devem apontar para um chunk Por fim, os 12 bits de deslocamento dentro do chunk devem ser múltiplos do tamanho do objeto deste. Copying Collection Idéia: alocar em um stack não é problemático, sempre no topo. Por que não fazer isso com o heap? Divide a área do heap em dois espaços fromspace tospace Durante a execução do programa, somente uma das áreas está sendo utilizada

10 Copying Collection Copying Collection Se não houver área livre no espaço atual o programa para e a coleta inicia. Todos dados vivos são copiados para o outro espaço (tospace) a partir do espaço atual (fromspace) Quando a cópia acabar o espaço para onde os dados foram copiados passa a ser to espaço atual de trabalho Copying Collection Copying Collection O processo de cópia é por breadth (abrangência), piora a localidade de referência um ponteiro em fromspace pode apontar para: fromspace, neste caso ele aponta para uma estrutura ainda não copiada, o que será feito em seguida tospace, é um outro link para uma estrutura já copiada (forwarding), o valor deve ser ajustado Para fora do heap, neste caso nada deve ser feito

11 Generational Collection Generational Collection JVM 1.5 Observação: Objetos novos tendem a desparecer logo Objetos antigos, que sobreviveu a várias iterações do GC, tendem a existir durante todo programa O Heap é dividido em gerações: G0, G1, G2,.. Problema: Identificar referências entre objetos de gerações diferentes Generational Collection JVM 1.5 Vários parâmetros para tuning Usados para otimizar GC O Heap é dividido em duas grandes áreas para cada programa: Young generation Tenured generation Existe também uma área no heap alocado para o programa para guardar meta-objetos, i.e. referentes ao programa mas manipulados pela JVM. É a área permanente Generational Collection JVM

12 Generational Collection JVM 1.5 Generational Collection JVM 1.5 As áreas young e tenured são subdivididas Objetos são criados no espaço Eden da área young Objetos de young que sobrevivem à iterações do GC são promovidos Objetos que sobrevivem à muitas iterações são movidos para área de tenure Existem subdivisões nestas áreas, incluíndo uma área virtual não fisicamente alocada que serve para aumento destas áreas Generational Collection JVM 1.5 Existem dois espaços survivor na área de young Servem para copying collection de eden para survivor e de survivor para survivor Quando passarem por várias iterações em survivor são copiados para área tenured Generational Collection JVM 1.5 Vários parâmetros para tuning da JVM Tamanhos dos espaços, Tamanho virtual de cada um dos espaços Proporção entre eden e survivor Default: coletores stop-the-world (seriais) Existem também 3 opções de coletores incrementais e paralelo/concorrentes

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