Tìm hiểu các kỹ thuật dọn rác nhớ (Gabage collection)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Viện Công Nghệ Thông Tin & Truyền Thông
------o0o------

BÁO CÁO TIỂU LUẬN
NGUYÊN LÝ CÁC NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH
Đề bài: 05. Tìm hiểu các kỹ thuật dọn rác nhớ (Gabage collection)
Giảng viên: TS. Nguyễn Hữu Đức
Nhóm sinh viên thực hiện:
STT Mã học viên

Họ và tên

1

CB120113

Phạm Tất Thành (Trưởng nhóm)

2

CB120116

Nguyễn Xuân Thịnh

3

CB120097

Trần Văn Nậm

Lớp: 12BCNTT2
Hà nội 2012


Tiểu luận: Nguyên lý các ngôn ngữ lập trình
nhớ

Đề: 05. Tìm hiểu các kỹ thuật dọn rác

MỤC LỤC
A. Phần 1 – Giới thiệu........................................................................................3
1. Gabage collection là gì?.................................................................................3
2. Những nguyên tắc cơ bản.............................................................................3
3. Ưu nhược điểm của bộ dọn rác (GC)............................................................3
4. Một số kỹ thuật GC phổ biến........................................................................4
4.1. Tracing Gabage Collection......................................................................................................4
4.2. GC in Runtime Systems..........................................................................................................6

B. Phần 2 - Bộ đếm tham chiếu.........................................................................6
2. Đếm tham chiếu............................................................................................6
2.1. Phương pháp ban đầu............................................................................................................6

C. Phần 3 – Đánh dấu và giải phóng rác..........................................................11
3. Đánh dấu và giải phóng rác.........................................................................11
3.1. Các giải pháp truyền thống...................................................................................................11
3.2. Đánh dấu các đối tượng rác..................................................................................................11
3.3. Giải phóng bộ nhớ................................................................................................................12

Viện CNTT – Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Trang 2


Tiểu luận: Nguyên lý các ngôn ngữ lập trình
nhớ

Đề: 05. Tìm hiểu các kỹ thuật dọn rác

TÌM HIỂU CÁC KỸ THUẬT DỌN RÁC NHỚ

A. Phần 1 – Giới thiệu
1. Gabage collection là gì?
Trong khoa học máy tính, GC là dạng quản lý bộ nhớ tự động. GC giải
phóng bộ nhớ bị chiếm dụng bởi một biết hay đối tượng không còn được sử
dụng trong chương trình.
GC được John McCarthy đưa ra vào năm 1959 để giải quyết những vấn
đề của ngôn ngữ Lisp.
GC thường được mô tả đối lập với việc quản lý bộ nhớ chủ động
(manual), yêu cầu lập trình viên phải chỉ định những đối tượng bị hủy để trả
lại tài nguyên bộ nhớ cho hệ thống.
Tài nguyên của hệ thống còn có kết nối mạng, cơ sở dữ liệu, cửa sổ
tương tác của người dùng, tệp và thường không xử lý bằng GC.

2. Những nguyên tắc cơ bản
Tìm những đối tượng dữ liệu trong chương trình không được truy cập
trong tương lai. Lấy lại tài nguyên được sử dụng bởi những đối tượng đó
Rất nhiều ngôn ngữ sử dụng GC (ví dụ: Java, C# và hầu hết các ngôn
ngữ kịch bản). GC luôn luôn kết hợp chặt chẽ với cấp phát bộ nhớ.
GC thực hiện theo chu trình được định sắn, hoặc khi tài nguyên sắp bị
thiếu khi thực hiện.

3. Ưu nhược điểm của bộ dọn rác (GC)
Ưu điểm:
GC giải phóng lập trình viên từ việc phải chủ động hủy, giải phóng bộ nhớ.
Kết quả là một số lỗi đã được loại bỏ hoặc giảm thiểu đáng kể:

Viện CNTT – Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Trang 3


Tiểu luận: Nguyên lý các ngôn ngữ lập trình
nhớ

•

Đề: 05. Tìm hiểu các kỹ thuật dọn rác

Lỗi con trỏ, khi một phần bộ nhớ được giải phóng trong khi đó những

con trỏ khác vẫn trỏ tới nó
• Lỗi xảy ra khi chương trình cố gắng giải phóng vùng bộ nhớ đã được
giải phóng và thậm chí có thể đã được cấp phát một lần nữa.
• Một số loại rò rỉ bộ nhớ, chương trình không giải phóng bộ nhớ bị
chiếm đóng dẫn đến cạn kiệt tài nguyên .
• Một số lỗi khác được giải quyết bằng GC có thể có những tác động an
ninh.
Nhược điểm:
• GC tiêu thụ tài nguyên máy tính trong việc đưa ra quyết định giải phóng
bộ nhớ, thậm chí lập trình viên đã biết về những thông tin này. Đây

chính là hình phạt cho việc không xác định, quản lý thời gian sống của
của đối tượng trong chương trình, nó có thể dẫn đến giẩm hiệu suất của
chương trình. Việc tương tác với những bộ nhớ phân cấp có thể làm cho
chi phí này không thể chấp nhận được vì rất khó để dự đoán hay phát
hiện, thử nghiệm thường xuyên.
• Thời điểm để GC hoặt động có thể không đoán trước được.
• Không xác định được GC tương thích với RAII (bộ khởi tạo tài nguyên).

4. Một số kỹ thuật GC phổ biến
4.1. Tracing Gabage Collection
Là loại GC phổ biến nhất
Cơ chế hoạt động: Đầu tiên nó xác định những đối tượng có thể truy cập
hoặc có khả năng truy cập, sau đó loại bỏ tất cả những đối tượng còn lại.
Vậy thế nào là một đối tượng có thể truy cập:
Một đối tượng được gọi là có thể truy cập nếu nó tồn tại ít nhất một biến tham
chiếu tới nó trong chương trình, hoặc trực tiếp hoặc thông qua tham chiếu từ
đối tượng có thể truy cập khác. Chính xác hơn, đối tượng có thể truy cập
trong hai cách:

Viện CNTT – Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Trang 4


Tiểu luận: Nguyên lý các ngôn ngữ lập trình
nhớ

•

Đề: 05. Tìm hiểu các kỹ thuật dọn rác

Giả sử một tập các đối tượng có thể truy cập, được gọi là roots. Nó bao
gồm tất cả các đối tượng được tham chiếu từ bất kỳ đâu (các biến địa
phương và các tham số trong các hàm hiện tại đang được gọi) và toàn bộ

•

những biến toàn cục.
Bất kỳ tham chiếu từ đối tượng có thể truy cập, bản thân nó là có thể truy
cập. Có thể truy cập là bao đóng bắc cầu .
Strong and Weak References

•

GC chỉ có thể hủy những đối tượng không có tham chiếu đến chúng. Tuy
nhiên một vài chương trình yêu cầu Weak References, cái mà nên được
sử dụng càng lâu càng tốt đối tượng tồn tại, nhưng cũng không nên kéo
dài thời gian sống của nó. Một đối tượng sẽ bị hủy nếu nó không có tham
Strong References, thậm chí nó có tồn tại một số Weak References trỏ

•

đến nó.
Weak References không chỉ đơn thuần là con trỏ trỏ tới đối tượng cái mà
GC không quan tâm đến. Thuật ngữ này thường được dành riêng cho
những đối tượng tham chiếu đặc biệt, cái mà là an toàn ngay cả khi đối
tượng đã bị biến mất bởi vì chúng mất hiệu lực đến một giá trị an toàn.
Trong thực tế, Weak References được chia thành các loại nhỏ. Ví dụ

•

Java Virtual machine cung cấp 3 dạng Weak References:
+ Soft References
+ Phantom References
+ Regular weak References
Microsoft.NET cung cấp 2 dạng Weak References:
+ Namely long weak references
+ Soft weak references
Cấu trúc dữ liệu có thể cũng được nghĩ ra để có những tính năng theo dõi
Weak. Ví dụ, các bảng băm Weak là hữu ích, giống như các bảng băm
thông thường, một bảng băm weak duy trì mối liên hệ giữa các cặp đối
tượng, nơi mà mỗi cặp được hiểu là một chìa khóa và giá trị. Nhưng
bảng băm không thực sự duy trì một Strong references trên những đối
tượng. Một động thái đặc biệt được diễn ra khi khóa hay giá trị hay cả
hai trở thành rác.

Viện CNTT – Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Trang 5


Tiểu luận: Nguyên lý các ngôn ngữ lập trình
nhớ

Đề: 05. Tìm hiểu các kỹ thuật dọn rác

4.2. GC in Runtime Systems
Trong các hệ thống thời gian thực, cái phải đáp ứng cho những sự kiện trong
thời gian ràng buộc, Bộ GC phải không được dừng thực hiện một vài phút,
một vài giây hoặc thậm chí là mili giây tùy thuộc vào nhiệm vụ của ứng dụng.

Bộ thu phân phối công việc của mình và cho phép ứng dụng đang chạy. Nó
được thực hiện xen kẽ với chương trình thực hiện. Loại GC này được gọi là
gia tăng bộ nhớ.
Như đã biết, bộ đếm tham chiếu có thể dễ dàng sửa đổi để được gia tăng. Tuy
nhiên hiệu quả của nó là không đủ trong nhiều trường hợp. Do đó bộ sao chép
và tạo đã được thực hiện gia tăng.
Sự khác nhau giữa các chương trình đang chạy song song với bộ thu gom phải
thay đổi biểu đồ của các đối tượng truy cập trong khi bộ thu gom đang làm
việc trên một phần của đồ thị khác. Cái mà được xem như là điều chỉnh xử lý
đồng thời cấu trúc dữ liệu.
The Tricolor marking scheme
Vấn đề của đánh dấu song song có thể được mô tả với sơ đồ đánh dấu 3 màu
ảo. Bộ theo dõi có thể được mô tả như biểu đồ tịnh tiến của đối tượng sống và
màu của chúng. Khởi tạo ban đầu, tất cả các đối tượng có màu trắng, và khi
kết thúc quá trình sống, đối tượng nên được đặt là màu đen.
Trong lớp xử lý đánh dấu, màu được thực hiện trực tiếp bởi đánh dấu những
bit. Bit của những đối tượng được truy cập là là tập hợp.

B. Phần 2 - Bộ đếm tham chiếu
2. Đếm tham chiếu
2.1. Phương pháp ban đầu
Giống như mô tả trong [Coll60] và [Weiz63], một trường thêm, gọi là đếm
tham chiếu, đã được giới thiệu tới từng đối tượng, trường này cho biết số lần
đối tượng được tham chiếu, trường này phải được cập nhật mỗi khi một con
Viện CNTT – Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Trang 6


Tiểu luận: Nguyên lý các ngôn ngữ lập trình

nhớ

Đề: 05. Tìm hiểu các kỹ thuật dọn rác

trỏ đến đối tượng được tạo ra hoặc bị hủy bỏ, khi bộ đếm bằng không thì đối
tượng không hoạt động và có thể dọn. Nếu nó là một cấu trúc thì toàn bộ
những trường của nó được kiểm tra và đếm tham chiếu.

(Hình 1. Phân loại các kỹ thuật dọn rác nhớ)

Viện CNTT – Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Trang 7


Tiểu luận: Nguyên lý các ngôn ngữ lập trình
nhớ

Đề: 05. Tìm hiểu các kỹ thuật dọn rác

Việc giảm giá trị của đối tượng tham chiếu.Thông thường, khi một tham
chiếu duy nhất cấu trúc lớn được giải phóng, tất cả các tính toán tham chiếu
của các đối tượng trong cấu trúc đó trở thành số không và tất cả các đối tượng
được thu hồi.
Theo lý thuyết, đếm tham chiếu phải đủ lớn để nắm giữ số tham chiếu có thể
bằng nhiều nhất là số lượng các ô nhớ. Do đó, việc bộ đếm phải là lớn như
một con trỏ.
Ưu điểm chính của kỹ thuật này là thời gian dọn rác nhớ được phân phối và
không chỉ dừng lại việc thực hiện các chương trình cho một số lượng đáng kể
thời gian, đó cũng là một hạn chế cơ bản về hệ thống thời gian thực và tương

tác. Các ô không hoạt động có thể được lưu trữ trong một ngăn xếp ngầm
thực hiện như là một danh sách liên kết. Bản thân các ô trống có thể lưu trữ
các con trỏ. Phân bố lại không thích hợp vì chuyển quá sự cải thiện của toàn
bộ cấu trúc dữ liệu. Giữ một danh sách rỗng nhưng đối tượng nhưng chưa xử
lý có thể phân phối thu hồi đệ quy.
Những lợi thế lớn khác của phương pháp này là tính địa phương.Trong khi
các thuật toán khác quét toàn bộ bộ nhớ, thì bộ đếm tham chiếu làm việc với
các đối tượng tại địa phương.Trong một hệ thống sử dụng bộ nhớ ảo hoặc môi
trường phân trang hoặc thậm chí chạy trên máy tính gần đây bằng cách sử
dụng những bộ nhớ cache, việc sử dụng tính địa phương của bộ nhớ là rất
quan trọng. Số lượng lớn các lỗi trang được gọi là khi dữ liệu cần thiết không
phải là trong bộ nhớ nhanh nhất thì có thể làm chậm đáng kể hệ thống. (Tính
năng này cũng có thể là một bất lợi vì các đối tượng sống không được phân
tán trong toàn bộ bộ nhớ.)
Tuy nhiên, phương pháp này có một số nhược điểm. Đầu tiên, thêm không
gian cần thiết cho nhiều những máy tính chiếm số lượng đáng kể của bộ nhớ.
Thứ hai, việc cập nhật thường xuyên của các máy tính làm cho một chi phí về
thời gian thực hiện, chi phí là tỷ lệ thuận với số lượng công việc được thực
Viện CNTT – Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Trang 8


Tiểu luận: Nguyên lý các ngôn ngữ lập trình
nhớ

Đề: 05. Tìm hiểu các kỹ thuật dọn rác

hiện bởi các chương trình đang chạy. Thứ ba, phương pháp này là không thể
đòi lại các cấu trúc vòng. Cuối cùng, nó có thể được nhận xét rằng đếm tham

chiếu tập trung vào các đối tượng trở thành rác nhớ trong khi các phương
pháp khác đi qua các đồ thị của các đối tượng sống. Các số liệu thống kê cho
thấy số lượng các đối tượng sống luôn luôn là ít hơn đáng kể so với số lượng
các đối tượng rác nhớ.
Kích thước của các bộ đếm có thể là nhỏ hơn so với một con trỏ. Sau khi số
tham chiếu có thể lưu trữ tối đa đạt được, bộ đếm không được tăng lên hoặc
giảm đi.Trong trường hợp đó, các đối tượng tham chiếu nhiều lần không thể
được cải thiện khi chúng trở thành rác thải. Tuy nhiên, các số liệu thống kê
cho thấy hầu hết các đối tượng được tham chiếu chỉ một lần. Thực tế này có
thể được đưa vào xem xét trong bộ đếm tham chiếu, phương pháp đếm kích
thức từng bit một được thực hiện trong [Chi87] (xem [Ina90]). Nó chỉ có thể
lấy lại rác nhớ của các đối tượng tham chiếu duy nhất. Deutsch và Bobrow sử
dụng bảng băm cho các hệ thống LISP để xử lý các đối tượng tham chiếu duy
nhất có hiệu quả, xem Bob75, Deu76, [Coh81].
Các chi phí thời gian bao gồm hai loại chi phí. Một chi phí là thường xuyên
cập nhật bộ đếm bất cứ khi nào một con trỏ trỏ đến đối tượng được tạo ra
hoặc bị hủy bỏ. Đối số đi qua tại thủ tục kích hoạt tạo ra biến ngắn ngủi, được
đặt trên các ngăn xếp của hệ thống. Trong những trường hợp này, số lượng bộ
đếm tham chiếu được tăng lên và giảm đi trong một khoảng thời gian rất
ngắn, chi phí này có thể được loại bỏ bằng cách xử lý đặc biệt của các biến
địa phương.
Một chi phí khác không thể được loại bỏ. Khi một đối tượng được lấy lại,
thông thường, điều này liên quan đến việc liên kết các đối tượng được giải
phóng vào một hoặc nhiều "danh sách trống”.
Bộ đếm tham chiếu là không thể phát hiện "rác mạch vòng" một số đối tượng
tham chiếu với nhau, nhưng chúng không thể truy cập bởi các chương
Viện CNTT – Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Trang 9

Tiểu luận: Nguyên lý các ngôn ngữ lập trình
nhớ

Đề: 05. Tìm hiểu các kỹ thuật dọn rác

trình.Ví dụ, biểu đồ cấu trúc dữ liệu hoặc cây với các nút có chứa chu kỳ chứa
con trỏ quay lui đến chu kỳ chứa nút cha. Xem hình 2, chu kỳ phức tạp đôi
khi được hình thành bởi việc sử dụng các cấu trúc dữ liệu lai kết hợp một số
cấu trúc dữ liệu đơn giản nếu như một chương trình tạo ra nhiều vòng. Mặc
dù, có một số giải pháp để phục hồi các cấu trúc vòng (xem ví dụ [Les92]),
chúng thực sự không hiệu quả.

(Hình 2: Bài toán với các cấu trúc vòng)
Ngay cả nếu kích thước của các bộ đếm là nhỏ thì các đối tượng tham chiếu
nhiều lần vẫn còn trong bộ nhớ trong thời gian thực hiện toàn bộ chương
trình.
Vì vậy, bộ đếm tham chiếu dọn rác thường bao gồm một loại dọn khác được
thực hiện khi bộ nhớ đầy và phương pháp đầu tiên không đủ không gian rảnh.
Trong những năm gần đây, chi phí của đếm tham chiếu và sự thất bại của nó
với các cấu trúc tròn làm cho nó không hấp dẫn với hầu hết người thực
hiện.Các phương pháp đánh dấu thu hồi thường hiệu quả và đáng tin cậy hơn.

Viện CNTT – Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Trang 10


Tiểu luận: Nguyên lý các ngôn ngữ lập trình
nhớ

Đề: 05. Tìm hiểu các kỹ thuật dọn rác

C. Phần 3 – Đánh dấu và giải phóng rác
3. Đánh dấu và giải phóng rác
3.1. Các giải pháp truyền thống
Thu dọn rác được thực hiện trong 2 pha. Pha đầu, đánh dấu các đối tượng có
thể truy cập; Pha thứ hai, thực hiện quét toàn bộ bộ nhớ và các đốitượng đã
đánh dấu được tập hợp lại trong một vùng nhớ liền nhau.
3.2. Đánh dấu các đối tượng rác
Có một số các đối tượng được truy cập tức thời trong chương trình, như các
biến toàn cục, biết địa phương và các thanh ghi hệ thống. Chúng được gọi là
“tập gốc” và chứa những tham chiếu đến các đối tượng trong bộ nhớ. Nếu
một cấu trúc dữ liệu có thể truy cập đến các đối tượng khác tham chiếu qua
những trường của cấu trúc dữ liệu cho phép truy cập. Thủ tục đánh dấu được
định nghĩa đệ quy như sau:
Proceduremark(p); { p is a reference, i.e. a pointer to a data object }
begin
integeri;
ifnot_marked(p) then
begin
mark_data(p);
ifstructure(p) then
begin
fori := 1 tonumber_of_fields(p) domark( field(p,i) );
end
end
endmark;
Giải thích:
- Hàm number_of_fields(p) tính số trường dữ liệu của cấu trúc dữ liệu mà p (p

là một tham chiếu tới đối tượng dữ liệu) tham chiếu tới. Các trường này được
kiểm tra đệ quy. Hàm field(p,i) thực hiện cho một tham chiếu tới trường dữ
liệu thứ i của cấu trúc dữ liệu tham chiếu bởi p.
- Thủ tục này có thể được cài đặt không đệ quy bằng cách sử dụng một ngăn
xếp. Các ô của ngăn xếp trỏ tới các tham chiếu cần kiểm tra. Khi một cấu trúc
Viện CNTT – Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Trang 11


Tiểu luận: Nguyên lý các ngôn ngữ lập trình
nhớ

Đề: 05. Tìm hiểu các kỹ thuật dọn rác

dữ liệu được đánh dấu, các trường dữ liệu của nó tham chiếu tới các cấu trúc
chưa đánh dấu sẽ được đẩy vào ngăn xếp. Thủ tục đánh dấu sử dụng tham
chiếu đến đỉnh của ngăn xếp –chứa “tập gốc” bắt đầu thực hiện đánh dấu. Thủ
tục thực hiện cho đến khi ngăn xếp rỗng. Đây là phương thức có tốc độ nhanh
nhưng về lý thuyết thì kích thước ngăn xếp phải tương ứng với kích thước của
bộ nhớ. Nếu bộ nhớ chưa N cấu trúc và tất cả chúng đếu được truy cập từ một
phần tử thuộc “tập gốc”, thì kích thước của ngăn xếp tăng lên gần bằng N.
- Để trách vấn đề ngăn xếp cần kích thước lớn, Knuth sử dụng một ngăn xếp có
kích thước h cố định. Knuth lưu các tham chiếu theo kiểu vòng – tính chỉ số
của phần tử trong ngăn xếp bằng phép mod h. Khi chỉ số của tham chiếu tính
ra lớn hơn h, thì lại bắt đầu lại từ chỉ số 0 và ghi đè lên các thông tin trước đó.
Bởi vậy, ngăn xếp chỉ gọi lại h mục dữ liệu truy cập gần nhất và không xử lý
tới các mục còn lại. Tất nhiên, ngăn xếp có thể rỗng trước khi toàn bộ việc
thực hiện đánh dấu hoàn thành. Khi điều này xảy ra, bộ nhớ được quết từ địa
chỉ thấp nhất, tìm kiếm các đối tượng được đánh dấu mà nội dung của các đối

tượng này tham chiếu tới các đối tượng chưa đánh dấu. Nếu như một đối
tượng được tìm thấy, việc đánh dấu tiếp tục như trước khi tìm thấy và lại thực
hiện cho đến khi ngăn xếp rỗng hoặc khi hoàn thành tác vụ. Không phải toàn
bộ bộ nhớ được quét qua nếu thủ tục ghi được ít nhất các tham chiếu bị mất.
- Tác vụ có thể được hoàn thành mà không sử dụng ngăn xếp. Chú ý, lời gọi
thủ tục đệ quy bao hàm việc sử dụng ngăn xếp không tường minh và bộ nhớ
có thể bị đầy trong quá trình thực hiện đánh dấu.
3.3. Giải phóng bộ nhớ
- Quét các đối tượng dữ liệu rác
Phương thức đơn giản nhất cho việc giải phóng các đối tượng dữ liệu là kết
hợp các ô không đánh dấu vào một hay nhiều danh sách đối tượng rác.
+
Việc này có thể thực hiện được bằng cách giữ một danh sách cho mỗi
đối tượng có kích thước phổ biến được sử dụng trong chương trình. Các danh
sách này được gọi là các danh sách thuần nhất (H-list). Ngoài ra, danh sách
đối tượng rác khác, M-list, chứ các ô của các đối tượng có kích thước khác
Viện CNTT – Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Trang 12


Tiểu luận: Nguyên lý các ngôn ngữ lập trình
nhớ

Đề: 05. Tìm hiểu các kỹ thuật dọn rác

nhau và được sắp xếp theo địa chỉ của chúng. Nếu thực hiện điều này, các ô
được thu hồi được liên kết đến các danh sách H-list hoặc M-list tương ứng.
+
Các yêu cầu định vị bộ nhớ được thỏa mãn dựa vào H-list, nếu danh

sách này không rỗng. Nếu không thì một ô nhớ phù hợp được lấy từ M-list
(nếu được). Nếu ô nhớ có kích thức lớn hơn kích thước mong muốn, nó được
chia vào 2 ô nhỏ hơn và không bắt buộc mỗi ô nhớ nhỏ này phải liên kết tới 1
trong các danh sách đối tượng rác. Nếu yêu cầu định vị bộ nhớ không thỏa
mãn, trước hết việc dồn các ô thành một khối được thực hiện để di chuyển các
ô nhớ từ H-list sang M-list và sau đó kết hợp chúng sát lại với các ô nhớ rác.
Nếu khối các ô này không đủ, một sự dồn ô nhớ thực sự sẽ được thực hiện
trên các ô nhớrác.
+
Các thuật toán quét có 3 nhược điểm chính. Thứ nhất, việc xử lý của
các ô nhớ có kích thước khác nhau là nặng nề và làm phân mảnh bộ nhớ. Thứ
hai, chi phí tỉ lệ với kích thước toàn bộ bộ nhớ bởi vì tất cả các đối tượng
đang hoạt động đều phải đánh dấu và tất cả rác phải được thu dọn. Vấn đề thứ
3 rất đáng quan tâm đó là phương pháp này không di chuyển các đối tượng –
đây có thể xem như một ưu điểm của phương pháp bởi vì việc thực hiện
không cần phải cập nhật lại con trỏ - vì vậy, các đối tượng định vị sau được
đặt rải rác với các đối tượng trước. Việc chèn đối tượng rải rác này có thể
không phù hợp cho một hệ thống sử dụng bộ nhớ ảo.
+ Tuy nhiên, các vấn đề trên không phải lúc nào cũng có hại như ta nghĩ.
Theo thống kê, các đối tượng thường được tạo trong các cụm và thường được
kích hoạt ở cùng một thời điểm. Thuật toán thông minh hơn sử dụng các bit
đánh dấu có thể tăng tốc độ các giải thuật quét. Việc sử dụng phép ánh xạ bit
để đánh dấu các bít có thể kiểm tra 32 bit với một phép toán số nguyên 32 bit.
Khi các đối tượng có khuynh hướng tồn tại lâu hơn trong các cụm, thì điều
này làm giảm đáng kể hàng số tỉ lệ chi phí và kích thước bộ nhớ. Việc sử
dụng phép ánh xạ bit cũng làm giảm chi phí định vị bộ nhớ bằng cách cho
phép định vị nhanh từ các vùng chưa đánh dấu kề nhau thay vì sử dụng các
danh sách các đối tượng rác.
- Giải phóng các đối tượng rác
Viện CNTT – Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Trang 13


Tiểu luận: Nguyên lý các ngôn ngữ lập trình
nhớ

+

Đề: 05. Tìm hiểu các kỹ thuật dọn rác

Các bộ giải phóng dữ liệu kiểu sliding là quan trọng trong các cài đặt

tuần tự của của ngôn ngữ Prolog bởi vì phần lớn các dữ liệu có thể được giải
phóng hoặc được sử dụng lại khi quay lui. Tuy nhiên việc cài đặt hiệu quả yêu
cầu thứ tự thời gian của các đối tượng không được lẫn lộn.
+
Haddon và Waite đã đề xuất một bộ thu dữ liệu kiểu sliding. Họ thực
hiện 2 lần quét toàn bộ bộ nhớ (chú ý rằng pha đánh dấu thực hiện kĩ hơn).
Mục tiêu của lần quét đầu tiên là thực hiện thu hồi và tạo một bảng “break
table” là bảng sử dụng cho lần quét thứ 2 để điều chỉnh lại các tham chiếu.
“Break table” chứa địa chỉ khởi đầu và kích thước của mỗi “hole” – một
chuỗi các ô nhớ chưa đánh dấu. Việc xây dựng “break table” có thể thực hiện
không cần thêm bộ nhớ bởi vì nó có thể xây dựng trên các “hole”. Có thể
chứng minh được không gian sẵn có trong ở các “hole” đủ để lưu “break
table”. Tuy nhiên, “break table” phải được xử lý động, cuộn qua các “hole” đã
có dữ liệu với dữ liệu mới. Kết thúc lần quét đầu tiên các đối tượng hoạt động
được tập hợp vào cuối bộ nhớ. Bảng “break table” giữ các phần bộ nhớ đã
được giải phóng. Bảng này sau đó được sắp xếp để tăng tốc việc điều chỉnh
con trỏ ở lần quét thứ 2. Việc điều chỉnh con trỏ bao gồm việc kiểm tra mỗi

con trỏ, dùng “break table” (sử dụng tìm kiếm nhị phân trong bảng đã sắp
xếp) để tính vị trí mới của ô dữ liệu và thay đổi con trỏ cho phù hợp. Giải
thuật này bị cho là chậm bởi vì việc sử dụng các “hole” và tìm kiếm nhị phân
cho mỗi tham chiếm.
+ Knuth đề xuất giải thuật thu hồi rác khác sử dụng tuyến tính 3 (hoặc nhiều
hơn) lần quét toàn bộ bộ nhớ. Trong lần quét đầu tiên các “hole” được liên kết
tạo thành một danh sách các đối tượng rác. Hai trường được rành riêng trong
mỗi “hole” để lưu kích thước của nó và một con trỏ để trỏ tới “hole” kế tiếp.
(Lần quét tiếp theo có thể kết hợp các “hole” thành một “hole” đơn, lớn hơn
một “hole”. Lần quét thứ 2 điều chỉnh các tham chiếu bằng cách sắp xếp lại
các con trỏ và tính toán các địa chỉ mới. Với con trỏ p, bộ thu rác tìm “hole”
thứ i, có địa chỉ ai và ai-1< p < ai . Trong lần quét thứ 3, bộ thu rác sẽ quét và di
chuyển các ô nhớ có thể truy cập vào một vùng để thực hiện giải phóng rác.
Viện CNTT – Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Trang 14


Tiểu luận: Nguyên lý các ngôn ngữ lập trình
nhớ

Đề: 05. Tìm hiểu các kỹ thuật dọn rác

+ Morris đề xuất một kiểu giải phóng giác kiểu sliding khác. Việc giải phóng
thực hiện trong thời gian tuyến tính (tỉ lệ với dung lượng bộ nhớ) và yêu cầu
thêm 1 bit cho một con trỏ. Một ô nhớ được liên kết với các ô nhớ trỏ tới nó,
và được gọi là "relocation chain" – “di dời dây chuyền”.

Chuỗi chứa giá trị của ô nhớ (ô nhớ cuối dùng ô nhớ đầu làm ô đầu danh
sách) và các con trỏ. Bit bổ sung ở trong các ô nhớ xác định chúng được

“relocated” – di chuyển. Hai lần quét được thực hiện, lần thứ nhất quét từ
cuối bộ nhớ tới đầu bộ nhớ (từ địa chỉ cao nhất tới địa chỉ thấp nhất) trong khi
lần quét thứ 2 thì ngược lại.
Trong lần quét đầu tiên sẽ thực hiện cập nhật tất cả các tham chiếu trỏ
tới cá địa chỉ thấp hơn trong bộ nhớ và liên kết thích hợp di dời chúng.

Viện CNTT – Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Trang 15


Tiểu luận: Nguyên lý các ngôn ngữ lập trình
nhớ

Đề: 05. Tìm hiểu các kỹ thuật dọn rác

Địa chỉ mới có thể đã được tính toán khi thực hiện việc kiểm tra đánh đấu ô
nhớ. Các đối tượng dữ liệu hoạt động sẽ được tập hợp trong phần địa chỉ thấp
của bộ nhớ, vì vậy:
[Địa chỉ mới của ô nhớ] = [Địa chỉ thấp nhất] + [tổng số ô nhớ đã đánh dấu] –
[số ô nhớ đã đánh dấu trong pha này].
Kết thúc lần quét đầu tất cả các con trỏ trước được cập nhật theo địa chỉ mới
của ô nhớ trỏ tới.
Trong lần quét thứ 2, bắt đầu tại ô nhớ đầu tiên và kết thúc tại ô nhớ
cuối cùng của bộ nhớ. Con trỏ chuyển tiếp (trỏ tới một địa chỉ cao hơn) được
cập nhật trong lần quét này và đánh dấu các ô nhớ là bây giờ đã được di
chuyển tới vị trí mới.

Viện CNTT – Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Trang 16