Kapsamlı bellek yönetiminin dezavantajları

Gerçekten kapsam tabanlı bellek yönetimi (SBMM) veya benzeri de ray olduğu gibi, daha yaygın (karışıklığa?) C ++ topluluğu tarafından anılacaktır. Bildiğim kadarıyla, C ++ (ve C) dışında, günümüzde SBMM / RAII'yi ana bellek yönetim mekanizması yapan başka bir ana dil yoktur ve bunun yerine çöp toplama (GC) kullanmayı tercih ederler.

Bunu kafa karıştırıcı buluyorum, çünkü

1. SBMM programları daha belirleyici kılar (bir nesnenin ne zaman imha edildiğini tam olarak söyleyebilirsiniz);
2. GC'yi kullanan dillerde, genellikle GC'nin amacını kısmen yenen ve aynı zamanda hataya açık olan manuel kaynak yönetimi (örneğin, Java'daki dosyaları kapatma) yapmanız gerekir;
3. Yığın hafızası ayrıca (çok zarif, imo) kapsama bağlı olabilir (bkz std::shared_ptr. C ++).

SBMM neden daha yaygın kullanılmıyor? Dezavantajları nelerdir?

Bu belleğin, diğer tüm kaynaklardan bir araya geldiğinden daha yaygın (düzinelerce, yüzlerce hatta binlerce kez) olduğunu ileri sürerek başlayalım. Her değişken, nesne, nesne üyesi kendisine tahsis edilmiş ve daha sonra serbest bırakılan bir belleğe ihtiyaç duyar. Açtığınız her dosya için, dosyadan çıkartılan verileri depolamak için düzinelerce ila milyonlarca nesne oluşturursunuz. Her TCP akışı, akışa yazılmak üzere oluşturulan sınırsız sayıda geçici bayt dizesi ile birlikte gider. Burada aynı sayfada mıyız? Harika.

RAII'nin çalışması için (güneşin altındaki her kullanım için hazır akıllı işaretçileriniz olsa bile) mülkiyeti doğru yapmanız gerekir . Bu nesneye kimlerin sahip olması gerektiğini, kimin yapmaması gerektiğini ve sahipliğin A'dan B'ye devredilmesi gerektiğini analiz etmeniz gerekir. Elbette, her şey için ortak mülkiyeti kullanabilirsiniz , ancak daha sonra akıllı işaretçiler üzerinden bir GC taklit ediyor olacaksınız. Bu noktada , GC'yi dilde oluşturmak çok daha kolay ve daha hızlı hale gelir .

Çöp toplama sizi bu kaygıdan en çok kullanılan kaynak bellekten kurtarır. Tabii, yine de diğer kaynaklar için aynı kararı vermeniz gerekir, ancak bunlar çok daha az yaygındır (yukarıya bakın) ve karmaşık (örneğin paylaşılan) sahiplik de daha az yaygındır. Zihinsel yük önemli ölçüde azalır.

Şimdi, tüm değerlerin çöp toplanması için bazı olumsuz yönleri adlandırıyorsunuz. Ancak, her iki bellek güvenli GC entegre ve tek dile de ray ile değer türleri belkide o diğer yollarla bu tavizlere migitate daha iyidir, son derece zor?

Determinizm kaybı, pratikte o kadar da kötü değildir, çünkü sadece deterministik nesnenin ömrünü etkiler . Bir sonraki paragrafta açıklandığı gibi, çoğu kaynak (bellekten ayrı, bol miktarda ve tembel olarak geri dönüştürülebilen), bu dillerde ömür boyu nesneye bağlı değildir . Birkaç başka kullanım senaryosu da var, fakat deneyimlerime nadir rastlanırlar.

İkinci nokta, manuel kaynak yönetimi, günümüzde kapsam tabanlı temizlik yapan bir ifadeyle ele alınmaktadır, ancak bu temizliği nesne ömrü boyunca birleştirmemektedir (dolayısıyla GC ve bellek güvenliği ile etkileşime girmez). Bu usingC #, withPython'da try-with-Java ile son sürümleridir.

RAII ayrıca otomatik referans sayma bellek yönetiminden de gelir; örneğin Perl tarafından kullanıldığı gibi. Referans sayımının uygulanması kolay, deterministik ve oldukça performanslı olsa da, genel olarak kullanılmadığından dairesel referanslarla (sızıntıya neden olurlar) ilgilenemez.

Çöp-Toplanan diller olamaz doğrudan RAII kullanmak, ama çoğu zaman eşdeğer etkisi ile teklif sözdizimi yapmak. Java’da, with-ressource ifadesi var

try (BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader(path))) { ... }

otomatik .close()olarak blok çıkışındaki kaynağı çağırır . C # ifadesi ayrılırken çağrılmasına IDisposableizin veren bir arayüze sahiptir . Python ifadesine sahiptir:.Dispose()using (...) { ... }with

with open(filename) as f:
    ...

benzer şekilde çalışır. Bu konuda ilginç bir dönüş, Ruby'nin dosya açma yöntemi geri çağrı alır. Geri arama yapıldıktan sonra dosya kapatılır.

File.open(name, mode) do |f|
    ...
end

Node.js aynı stratejiyi kullandığını düşünüyorum.

Bence çöp toplama işleminin en ikna edici avantajı, besteciliğe izin vermesidir . Bellek yönetiminin doğruluğu çöp toplanan ortamda yerel bir özelliktir. Her bölüme ayrı ayrı bakabilir ve belleğin sızıp sızmayacağını belirleyebilirsiniz. Herhangi bir sayıda hafızaya uygun parçayı birleştirin; doğru kalırlar.

Referans saymaya güveniyorsanız, bu özelliği kaybedersiniz. Başvurunuzun bellek sızıntısı yapıp yapamayacağı, referans sayma ile tüm uygulamanın global bir özelliği haline gelir. Parçalar arasındaki her yeni etkileşim, yanlış mülkiyeti kullanma ve hafıza yönetimini bozma olanağına sahiptir.

Farklı dillerde programların tasarımı üzerinde çok görünür bir etkiye sahiptir. GC dillerinde programlar biraz daha fazla etkileşime sahip nesnelerin çorbaları olma eğilimindeyken, GC'siz dillerde ise aralarında kesin olarak kontrol edilen ve sınırlı etkileşimlere sahip yapısal parçaları tercih etme eğilimindedir.

Kapaklar hemen hemen tüm modern dillerin vazgeçilmez bir özelliğidir. GC ile uygulama yapmak çok kolaydır ve RAII ile hak kazanmak çok zor (imkansız olmasa da), çünkü temel özelliklerinden biri değişkenlerinizin ömrünü soyutlamanıza izin vermeleridir!

C ++ sadece herkesin ondan 40 yıl sonra onları aldı ve birçok akıllı insan tarafından doğru bir şekilde çalışılması çok çalıştı. Buna karşılık, programlama dillerini tasarlama ve uygulamada sıfır bilgisi olan insanlar tarafından tasarlanan ve uygulanan birçok kodlama dili vardır.

1. SBMM programları daha belirleyici kılar (bir nesnenin ne zaman imha edildiğini tam olarak söyleyebilirsiniz);

Çoğu programcı için işletim sistemi determinist değildir, bellek ayırıcıları determinist değildir ve yazdıkları programların çoğu eşzamanlıdır ve bu nedenle, kendiliğinden determinist değildir. Bir yıkıcıya, kapsamın hemen sonunda, biraz önce veya biraz sonra değil, tam olarak sonunda çağrılan kısıtlamayı eklemek, programcıların büyük çoğunluğu için önemli bir pratik fayda değildir.

2. GC'yi kullanan dillerde, genellikle GC'nin amacını kısmen yenen ve aynı zamanda hataya açık olan manuel kaynak yönetimi (örneğin, Java'daki dosyaları kapatma) yapmanız gerekir;

usingC # ve useF # bölümüne bakınız .

3. Yığın hafızası ayrıca (çok zarif bir şekilde imo) kapsamına bağlı olabilir (C ++ 'daki std :: shared_ptr dosyasına bakın).

Başka bir deyişle, genel amaçlı bir çözüm olan yığını alabilir ve yalnızca ciddi şekilde sınırlayıcı olan belirli bir durumda çalışmak üzere değiştirebilirsiniz. Bu elbette doğrudur, ancak işe yaramaz.

SBMM neden daha yaygın kullanılmıyor? Dezavantajları nelerdir?

SBMM yapabileceklerinizi sınırlandırır:

1. SBMM birinci sınıf sözlüksel kapanışlarla yukarı yönlü sorun yaratır, bu nedenle kapakların popüler olması ve C # gibi dillerde kullanımı kolaydır, ancak C ++ 'ta nadir ve zor. Programlamada işlevsel yapıların kullanımına yönelik genel bir eğilim olduğuna dikkat edin.

2. SBMM yıkıcılar gerektirir ve bir fonksiyonun dönebilmesi için daha fazla iş ekleyerek kuyruk çağrılarını engeller. Kuyruk çağrıları, genişletilebilir durum makineleri için faydalıdır ve .NET gibi şeyler tarafından sağlanır.

3. Bazı veri yapılarının ve algoritmalarının SBMM kullanarak gerçekleştirilmesi oldukça zordur. Temel olarak, döngülerin doğal olarak gerçekleştiği her yerde. En belirgin şekilde grafik algoritmaları. Kendi GC'nizi yazıyorsunuz.

4. Eşzamanlı programlama daha zordur çünkü kontrol akışı ve bu nedenle, nesne yaşamları burada doğal olarak deterministik değildir. Mesaj geçiş sistemlerinde pratik çözümler, mesajların derin kopyalanması ve aşırı uzun ömürlerin kullanılması eğilimindedir.

5. SBMM, kaynak kodunda kapsamlarının sonuna kadar, gerekenden daha uzun ve gerekenden daha uzun olabilen nesneleri canlı tutar. Bu, yüzen çöp miktarını arttırır (geri dönüştürülmeyi bekleyen ulaşılamaz nesneler). Buna karşılık, çöp toplama izleri, nesnelere yapılan son referansın kaybolmasından kısa bir süre sonra serbest nesnelere yönelir. Bkz. Bellek yönetimi mitleri: hızlılık .

SBMM öylesine sınırlayıcı ki, programcıların ömür boyu yuvalanamayan durumlar için kaçış yoluna ihtiyacı var. C ++ 'da shared_ptrbir kaçış yolu sunar, ancak çöp toplanmasından yaklaşık 10 kat daha yavaş olabilir . Bu yüzden GC yerine SBMM kullanmak çoğu insanı çoğu zaman yanlış adımlara sokar. Ancak, bunun faydasız olduğu söylenemez. SBMM, kaynakların sınırlı olduğu sistemler ve gömülü programlama bağlamında hala değerlidir.

FWIW, Forth ve Ada'ya göz atmak ve Nicolas Wirth'in çalışmalarını okumak isteyebilirsiniz.

Tabii ki TIOBE gibi bazı popülerlik endekslerine bakıldığında, elbette, ama sanırım bu tür bir soru sormak için bunu kullanmak doğru olur), ilk önce ilk 20'nin ~% 50'sinin "betik dilleri" veya "SQL lehçeleri" olduğunu görüyorsunuz. "Kullanım kolaylığı" ve soyutlama araçlarının deterministik davranıştan çok daha fazla öneme sahip olduğu ". Kalan "derlenmiş" dillerden, SBMM'li dillerin yaklaşık% 50'si ve ~% 50'siz dilleri vardır. Bu nedenle, kodlama dillerini hesaplamalarınızdan çıkarırken, varsayımınızın yanlış olduğunu, derlenmiş diller arasında SBMM'li olanların olmayanlar kadar popüler olduğunu söyleyebilirim.

Henüz kimsenin bahsetmediği bir GC sisteminin en büyük avantajı, bir GC sistemindeki bir referansın, var olduğu sürece kimliğini koruyacağının garanti edilmesidir . Referansın kopyaları varken bir nesne IDisposable.Dispose(.NET) veya AutoCloseable.Close(Java) çağırırsa , bu kopyalar aynı nesneye başvurmaya devam eder. Nesne artık hiçbir şey için faydalı olmayacak, ancak onu kullanma girişimleri, nesnenin kendisi tarafından kontrol edilebilen öngörülebilir davranışa sahip olacak. Buna karşılık, C ++ 'da, deletebir nesne kod çağırır ve daha sonra onu kullanmaya çalışırsa, sistemin tüm durumu tamamen tanımsız hale gelir.

Unutulmaması gereken bir diğer önemli husus, kapsam tabanlı hafıza yönetiminin açıkça tanımlanmış mülkiyeti olan nesneler için çok iyi çalışmasıdır. Tanımlanmış mülkiyeti olmayan nesnelerle çok daha az işe yarar ve bazen düpedüz düpedüz çalışır. Genelde, değişken nesnelerin sahiplerine sahip olması gerekir; değişmez nesnelere ihtiyaç duymaz, ancak bir kırışıklık vardır: herhangi bir referansa maruz kalmayacağından emin olarak, kodun değişmez verileri tutmak için değiştirilebilen türlerin bir örneğini kullanması çok yaygındır. örneği değiştirebilecek kod. Böyle bir senaryoda, değişken sınıf örnekleri birden fazla değişmez nesne arasında paylaşılabilir ve dolayısıyla net bir mülkiyeti yoktur.

Öncelikle, RAII'nin SBMM'ye eşit olduğunu anlamak çok önemlidir. veya hatta SBRM'ye. RAII'nin en önemli (ve en az bilinen ya da en çok takdir edilen) niteliklerinden biri, 'kaynak olmayı' kompozisyona geçiş niteliğinde olmayan bir özellik haline getirmesidir.

Aşağıdaki blog yazısı, RAII'nin bu önemli yönünü tartışmakta ve deterministik olmayan GC kullanan GCed dillerinde kaynak yönetimi ile karşılaştırmaktadır.

http://minorfs.wordpress.com/2011/04/29/why-garbage-collection-is-anti-productive/

RAII'nin çoğunlukla C ++ 'da kullanılmasına rağmen, Python (sonunda VM tabanlı olmayan sürüm) RAII'nin GC ile birlikte kullanılmasına olanak veren yıkıcı ve deterministik GC'ye sahip olduğunu not etmek önemlidir. Öyle olsaydı iki dünyanın da en iyisi.