8.4. Алгоритмы распределения динамической памяти

Менеджер кучи — это компонент исполняющей системы, который выделяет и освобождает память. Это делается посредством поддержки списка свободных блоков. Когда сделан запрос на выделение памяти, она ищется в этом списке, а при освобождении блок снова подсоединяется к списку свободных блоков. Разработчик исполняющей системы должен рассмотреть много вариантов и принять проектные решения, в частности по порядку обработки блоков, их структуре, порядку поиска и т. д.

.

С распределением динамической области памяти связана проблема фраг­ментации. На рисунке 8.6 показана ситуация, когда сначала были выделены пять блоков памяти, а затем второй и четвертый освобождены. Теперь, хотя доступны 1000 байтов, невозможно выделить больше 600 байтов, потому что память раздроблена на небольшие блоки. Даже когда третий блок освободит­ся, памяти будет достаточно только при условии, что менеджер кучи «умеет» сливать смежные свободные блоки.

В добавление к слияниям менеджер кучи может предупреждать фрагмен­тацию, отыскивая блок подходящего размера, а не просто первый доступный, или выделяя большие блоки из одной области динамической памяти, а не­большие блоки — из другой. Существует очевидный компромисс между слож­ностью менеджера и издержками времени выполнения.

Программист должен знать используемые алгоритмы управления динами­ческой памятью и писать программу с учетом этих знаний.

Другая возможность ослабить зависимость от алгоритмов работы менед­жера кучи — это завести кэш освобождаемых блоков. Когда блок освобожда­ется, он просто подсоединяется к кэшу. Когда необходимо выделить блок, сначала проверяется кэш; это позволяет избежать издержек и фрагментации, возникающих при обращениях к менеджеру кучи.

В Ada есть средство, которое позволяет программисту задать несколько куч разного размера, по одной для каждого типа указателя. Это позволяет предот­вратить фрагментацию, но повышает вероятность того, что в одной куче па­мять будет исчерпана, в то время как в других останется много свободных бло­ков.

Виртуальная память

Есть один случай, когда распределение динамической памяти совершенно надежно — это когда используется виртуальная память. В системе с виртуаль­ной памятью программисту предоставляется настолько большое адресное пространство, что переполнение памяти фактически невозможно. Операци­онная система берет на себя распределение логического адресного простран­ства в физической памяти, когда в этом возникает необходимость. Когда фи­зическая память исчерпана, блоки памяти, называемые страницами, вытал­киваются на диск.

С помощью виртуальной памяти менеджер кучи может продолжать выде­ление динамической памяти почти бесконечно, не сталкиваясь с проблемой фрагментации. Единственный риск — это связанная с виртуальной памятью ситуация пробуксовки (thrashing), которая происходит, когда код и данные, требуемые для фазы вычисления, занимают так много страниц, что в памяти для них не хватает места. На подкачку страниц тратится так много времени, что вычисление почти не продвигается.

Сборка мусора

Последняя проблема, связанная с динамической памятью, — образование му­сора (garbage), например:

int *ptr1 = new int; // Выделить первый блок

ptr2 = ptrl; // Второй блок теперь недоступен

После оператора присваивания второй блок памяти доступен через любой из указателей, но нет никакого способа обратиться к первому блоку (см. рис. 8.7). Это может и не быть ошибкой, потому что память, к которой нельзя об­ратиться, (называемая мусором) не может вам помешать. Однако, если про­должается утечка памяти, т. е. образуется мусор, в конечном счете программа выйдет из строя из-за недостатка памяти. Чрезвычайно трудно локализовать причину утечки памяти, потому что нет прямой связи между причиной и симптомом (недостатком памяти).

Очевидное решение состоит в том, чтобы не создавать мусор, прежде все­го тщательно заботясь об освобождении каждого блока до того, как он станет недоступен. Кроме того, исполняющая система языка программирования мо­жет содержать сборщик мусора (garbage collector). Задача сборщика мусора со­стоит в том, чтобы «повторно использовать» мусор, идентифицируя недоступ­ные блоки памяти и возвращая их менеджеру динамической памяти. Сущест­вует два основных алгоритма сборки мусора: один из них для каждого блока

ведет счетчик текущего числа указателей, ссылающихся на этот блок, и авто­матически освобождает блок, когда счетчик доходит до нуля. Другой алгоритм отмечает все доступные блоки и затем собирает немаркированные (и, следо­вательно, недоступные) блоки. Первый алгоритм проблематичен, потому что группа блоков, каждый из которых является мусором, могут указывать друг на друга так, что счетчик никогда не сможет уменьшиться до нуля. Второй алго­ритм требует прерывания вычислений на длительные периоды времени, что­бы маркировку и сбор можно было выполнить без влияния вычислений. Это, конечно, недопустимо в интерактивных системах.

Сборка мусора традиционно выполняется в таких языках, как Lisp и Icon, которые создают большое число временных структур данных, быст­ро становящихся мусором. Проведены обширные исследования по сборке мусора; особое внимание в них уделено параллельным и пошаговым мето­дам, которые не будут нарушать интерактивные вычисления или вычисле­ния в реальном масштабе времени. Eiffel — один из немногих процедур­ных языков, которые включают сборщики мусора в свои исполняющие системы.