Departamento de Informática Universidade Federal de Pernambuco

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Garbage Collection Rafael Dueire Lins Departamento de Informática Universidade Federal de Pernambuco

Gerenciamento Estático
Mais simples. Utilizado na versão original de FORTRAN. A cada vez que um procedimento é chamado utilizam-se as mesmas posições de memória. Alocação decidida em tempo-de-compilação.

Alocação Estática: Organização da Memória
Programa Principal Subrotina A Subrotina B Subrotina C

Alocação Estática: Chamada a Procedimentos
... z = DSucc (3) w = DSucc (2) Programa Principal DSucc DSucc(n) temp1 = n + n return temp1 Subrotina B Subrotina C

... z = DSucc(3) w = DSucc(2) Programa Principal DSucc DSucc(3) temp1 = 6 return temp1 Subrotina B Subrotina C

... z = 6 w = DSucc(2) Programa Principal DSucc DSucc(3) temp1 = 6 return temp1 Subrotina B Subrotina C

... z = 6 w = DSucc(2) Programa Principal DSucc DSucc(2) temp1 = 4 return temp1 Subrotina B Subrotina C

... z = 6 w = 4 Programa Principal DSucc DSucc(2) temp1 = 4 return temp1 Subrotina B Subrotina C

Alocação em Pilha Surgiu com Algol
Possibilidade de procedimentos recursivos. fac n = n * fac ( n - 1 ) , n > 0 = , otherwise Se ProcA chama ProcB, ProcA nunca termina antes do ProcB. Gerenciamento simples.

Alocação em Pilha fac 2 é re-escrito como fac 2 => 2 * fac ( 2 - 1)
=> 2 * (1 * 1) => 2 * 1 => 2

Alocação em Pilha: Organização da Memória
Pilha de Registros de Ativação Programa Principal Subrotina A Subrotina B Subrotina A Memória de Trabalho Subrotina A Subrotina C

Garbage Collection: Alocação Dinâmica de Memória
Listas: quebra da disciplina de pilha. Uma rotina chamada pode gerar uma estrutura de dados que viva após o término da sua chamada. IPL-5 foi a primeira linguagem a ter listas como tipo primitivos. A falta de um GC foi a causa do seu insucesso. LISP (J.McCarthy ) foi a primeira linguagem a ter GC.

Garbage Collection: Organização da Memória
Pilha de Registros de Ativação Programa Principal Subrotina A Subrotina B Subrotina C Subrotina A raiz 2 raiz 1 Memória de Trabalho Heap Lixo

Garbage Collection: Mark-Scan (J.McCarthy 1960)
Free-list 1.Todas as célulasestão na free-list Heap

1.Todas as célulasestão na free-list. 2.O processo do usuário usa células Raiz Free-list Heap

1.Todas as célulasestão na free-list. 2.O processo do usuário usa células. 3.A reescrita do grafo gera lixo. Raiz Free-list Heap

3.A reescrita do grafo gera lixo. 4.A free-list fica vazia. Raiz Heap Free-list

3.A reescrita do grafo gera lixo. 4.A free-list fica vazia. 5.Suspenso o processo do usuário. 6.Fá-se a marcação. Raiz Heap Free-list

6.Fá-se a marcação. 7.Fá-se a varredura, retornando as células de lixo a free-list. 8.Retoma-se o processo do usúario Raiz Free-list Heap

Tempo de suspensão do processo do usuário: Grafo_em_uso + Tamanho_da_Heap Imprevisibilidade do tempo de suspensão. Necessita de 1-bit para a marcação.

Reference Counting (Collins 1960)
Desenvolvido para LISP. Evita a suspensão do processo de usuário. Efetuado em pequenos passos intercalados com as transformações ao grafo. Exige a inclusão de um contador por célula.

NEW: tira uma célula da free-list e conecta-a ao grafo. Free-list B 1 Root C 1 A 2 New(A.esq)

NEW: tira uma célula da free-list e conecta-a ao grafo. B 1 Root C 1 1 1 A 2 1 Free-list New(A.esq) 1

COPY: copia um ponteiro. Root Copy(C.dir, A->B) C 1 2 A Free-list B 1 1 1 1 1

COPY: copia um ponteiro. Root Copy(C.dir, A->B) C 1 2 A Free-list B 2 1 1 1 1

DELETE: retira um ponteiro. Root C 1 Delete(A->B) 2 A Free-list B 1 1 1 2 1

DELETE: retira um ponteiro. Root C 1 Delete(A->B); Delete(Sons_B) 2 A Free-list B 1 1 1 2 1

DELETE: retira um ponteiro. Root Delete(A->B); Delete(Sons_B); Free(B). C 1 2 Free-list A B 1 1 1 1 1

Cyclic Reference Counting McBeth 1963
Deleção de ponteiro a cíclo: Root A 2 Delete(Root->A) 1 B

Cyclic Reference Counting McBeth 1963
Space-leak. Root A 1 Delete(Root->A) 1 B

Cyclic Reference Counting Brownbridge 1985
Algoritmo errado!!!! Root 2 2 2 A B C

Cyclic Reference Counting Martinez-Wachenchauzer-Lins
Algoritmo geral!! Root 2 2 2 A B C Delete(Root->A)

Age em RF > 1 (sharing) Root 1 2 2 A B C Delete(Root->A) Mark_red(A)

Mark-Scan local Root 1 A B C Delete(Root->A) Mark_red(A) Scan_green(A)

Busca referências externas. Root 1 A B C Delete(Root->A) Mark_red(A) Scan_green(A)

Encontrada referência externa. Root 1 A B C Delete(Root->A) Mark_red(A) Scan_green(A)

Sub-grafo em uso. Root 1 A B C Delete(Root->A) Mark_red(A) Scan_green(C)

Referências atualizadas. Root 1 2 A B C Delete(Root->A) Mark_red(A) Scan_green(C)

Busca de lixo reciclável! Root 1 2 2 A B C Delete(Root->A) Mark_red(A) Scan_green(A) Collect_blue(A) Publicado em: Information Processing Letters 1990

Lazy Cyclic Reference Counting Lins
Mark-Scan postergado. Root 2 2 2 A B C Delete(Root->A)

Mark-Scan postergado. Root Pilha 1 2 2 A B C Delete(Root->A) Publicado em: Information Processing Letters 1992

Mark-Scan só é chamado se necessário!! Root Pilha 1 2 2 A B C Delete(Root->A)

Garbage Collection: Cópia (Fenichel-Yochelson 1969)
A Heap é dividida em dois semi-espaços de igual tamanho. Quando o semi-espaço em uso fica esgotado cópia-se o grafo-em-uso para o outro semi-espaço deixando o lixo para trás.

heap_1 heap_2 raiz hp

raiz heap_1 heap_2 hp

A cópia é recursiva. Há suspensão do processo de usuário. Eficiente em máquinas com memória virtual. Não necessita de espaço extra na célula para marcação.

Complexidade computacional proporcional ao grafo-em-uso. Degrada com a ocupância. Compacta os dados sem custo extra. Adequado para células de tamanho variável.

Garbage Collection: Cópia (Cheney 1970)
Algoritmo mais amplamente usado. Não utiliza recursividade ou qualquer outra estrutura de dados extra para “lembrar” o caminho da cópia. Utiliza dois apontadores.

Garbage Collection: Cópia (Cheney 1970)
raiz heap_1 cp hp heap_2

Garbage Collection: Cópia
O algoritmo de Fenichel-Yochelson faz uma varredura no grafo em profundidade (depth-first). O algoritmo de Cheney varre o grafo breadth-first. Experimentalmente encontra-se que a varredura depth-first traz maior localidade entre as células. Há versões de Cheney depth-first.

Garbage Collection: Cópia Generacional.
Otimiza o algoritmo de cópia. Células novas morrem cedo. Células velhas vivem muito. Segrega as células por idade: várias heaps utilizadas. Evidência experimental.

Raiz Heap 0 Celulas Velhas Heap 1 Celulas Novas Heap 2

Minor Garbage Collection: Heaps mais novas. Mais freqüênte. Major Garbage Collection: Equivalente ao algoritmo original de cópia. Heap mais velha. Problema do algoritmo: ponteiros intergeneracionais sobretudo célula_mais_nova -> célula_mais_velha

Parallel Garbage Collection: Cópia - Appel-Ellis-Li (1988)
Baseado em Baker. Usa informação do Sistema Operacional para bloquear páginas de memória. Faltando espaço: Suspende todos os threads do mutador. O coletor varre os objetos ainda não varridos.

Parallel Garbage Collection: Cópia - Appel-Ellis-Li (1988)
Faltando espaço: Troca os semi-espaços. Copia os objetos acessíveis para to-space. Proteje as páginas ainda não copiadas. Re-inicia os threads de mutadores. Algoritmo eficiente.

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