Понимание Управления Памятью В Современных Языках Программирования

Привет, Хабр! Представляю вашему вниманию перевод статьи « Демистификация управления памятью в современных языках программирования » Дипу К.

Сасидхарана.

В этой серии статей я хотел бы развеять мифы об управлении памятью в программном обеспечении (далее — ПО) и подробно рассмотреть возможности, предоставляемые современными языками программирования.

Надеюсь, что мои статьи помогут читателю заглянуть под капот этих языков и узнать для себя что-то новое.

Углубленное изучение концепций управления памятью позволяет писать более эффективное программное обеспечение, поскольку стиль и практика кодирования оказывают большое влияние на то, как память распределяется для нужд программы.

Часть 1. Введение в управление памятью

Эта тема очень важна в разработке программного обеспечения и в то же время вызывает затруднения или даже остается черным ящиком для многих программистов.

Для чего используется ОЗУ?

• загрузить свой собственный байт-код для выполнения;
• хранить значения переменных и структур данных, которые используются во время работы;
• загружать внешние модули, необходимые программе для выполнения задач.

Куча

Он организован по принципу «последним пришёл — первым ушёл» ( ЛИФО ).

Вы можете думать о стопке как о стопке книг — вам разрешено взаимодействовать только с самой верхней книгой: читать ее или положить на нее новую.

• Благодаря упомянутому принципу стек позволяет очень быстро выполнять операции с данными — все манипуляции производятся с «верхней книгой в стеке».

  Книга добавляется в самый верх, если данные нужно сохранить, или берется сверху, если данные нужно прочитать;

• есть ограничение в том, что данные, которые предполагается хранить в стеке, должны быть конечными и статичными — их размер должен быть известен на этапе компиляции;
• Память стека хранит стек вызовов — информацию о ходе выполнения цепочек вызовов функций в виде кадров стека.

  Каждый кадр стека представляет собой набор блоков данных, в которых хранится информация, необходимая для работы функции на определенном шаге — ее локальные переменные и аргументы, с которыми она была вызвана.

  Например, каждый раз, когда функция объявляет новую переменную, она добавляет ее в верхний блок стека.

  Затем, когда функция завершается, все блоки памяти в стеке, которые использовала функция, очищаются — другими словами, все блоки в ее кадре стека очищаются;

• Каждый поток в многопоточном приложении имеет доступ к собственному стеку;
• Управление стековой памятью простое и понятное; он выполняется операционной системой;
• В стеке обычно хранятся такие данные, как локальные переменные и указатели;
• При работе со стеком существует вероятность получения ошибок переполнения стека, так как его максимальный размер строго ограничен.

  Например, ошибка при построении граничного условия в рекурсивной функции наверняка приведет к переполнению стека;

• Большинство языков имеют ограничение на размер значений, которые могут храниться в стеке;

Здесь можно посмотреть в видео формате

Куча

Вы можете себе представить, что куча — это такая большая многоуровневая библиотека, в которой, следуя определенным инструкциям, можно найти нужную книгу.

• операции над кучей выполняются несколько медленнее, чем над стеком, так как требуют дополнительного шага поиска данных;
• в куче хранятся данные динамического размера, например список, в который можно добавлять произвольное количество элементов;
• куча является общей для всех потоков приложения;
• Из-за своей динамической природы управлять кучей непросто, и она ответственна за большинство всех проблем и ошибок, связанных с памятью.

  Способы решения этих проблем предоставляют языки программирования;

• Типичными структурами данных, хранящимися в куче, являются глобальные переменные (они должны быть доступны различным потокам приложения, а куча является общей для всех потоков), ссылочные типы, такие как строки или ассоциативные массивы, а также другие сложные структуры данных;
• При работе с кучей можно получить ошибки нехватки памяти, если приложение пытается использовать больше памяти, чем ему доступно;
• Размер значений, которые можно хранить в куче, ограничен только общим объемом памяти, который операционная система выделила для программы.

Почему важно эффективное управление памятью?

Если программа потребляет память, не освобождая ее, в конечном итоге она израсходует все доступные резервы и попытается исчерпать память.

Тогда он просто выйдет из строя сам по себе или, что более драматично, приведет к сбою операционной системы.

Поэтому не рекомендуется легкомысленно относиться к манипуляциям с памятью при разработке программного обеспечения.

Различные подходы

И хотя некоторые почтенные языки по-прежнему требуют ручного управления, большинство из них по-прежнему предоставляют более элегантные автоматизированные подходы.

Иногда в языке используется несколько подходов к управлению памятью, а иногда разработчик может даже выбрать, какой вариант будет более эффективным конкретно для его задач (хороший пример — С++ ).

Перейдем к краткому обзору различных подходов.

Ручное управление памятью

Выделение и освобождение памяти для создаваемых объектов остается полностью на усмотрении разработчика.

Примером такого языка является С .

Он предоставляет несколько методов ( маллок , перераспределить , каллок И бесплатно ) для управления памятью — разработчик должен использовать их для выделения и освобождения памяти в своей программе.

Такой подход требует большой осторожности и внимания.

Это также особенно сложно для новичков.

Уборщик мусора

Это один из самых популярных механизмов управления памятью в современных языках программирования.

Процедура сбора мусора обычно запускается через заранее определенные интервалы времени, а иногда выполняется одновременно с ресурсоемкими процессами, что приводит к задержкам в работе приложения.

JVM ( Джава / Скала / классный / Котлин ), JavaScript , Питон , С# , Голанг , OCaml И Рубин — это примеры популярных языков, использующих сборку мусора.

• Сборщик мусора на основе алгоритма тегирования (Mark & Sweep): это алгоритм, который работает в два этапа: сначала он помечает в памяти объекты, на которые имеются ссылки, а затем освобождает память от объектов, не получивших меток.

  Этот подход используется, например, в JVM, C#, Ruby, JavaScript и Golang. JVM имеет на выбор несколько различных алгоритмов сборки мусора, а механизмы JavaScript, такие как V8, используют алгоритм маркировки в дополнение к подсчету ссылок.

  Такой сборщик мусора может быть включен в C и C++ как внешняя библиотека.

  
  
  
  
  Визуализация алгоритма тегирования: объекты, связанные ссылками, тегируются, а затем удаляются недоступные.

• Сборщик мусора с подсчетом ссылок : для каждого объекта в куче ведется счетчик обращений к нему — если счетчик достигает нуля, то память освобождается.

  Этот алгоритм в чистом виде не способен корректно обрабатывать циклические обращения объекта к самому себе.

  Сборщик мусора с подсчетом ссылок, а также дополнительные приемы для обнаружения и обработки циклических ссылок используются, например.

  PHP , Перл И Питон .

  Этот алгоритм сборки мусора также можно использовать в С++ ;

Получение ресурса — это инициализация (RAII)

Память выделяется в конструкторе и освобождается в деструкторе.

Впервые этот подход был реализован в С++ , а также используется в Ада И Ржавчина .

Автоматический подсчет ссылок (ARC)

Когда счетчик ссылок достигает нуля, память освобождается в рамках обычного потока выполнения программы.

Автоматический подсчет ссылок по-прежнему не обрабатывает циклические ссылки и требует от разработчика использования специальных ключевых слов для дополнительной обработки таких ситуаций.

АРК это одна из особенностей переводчика Кланг , поэтому присутствует в языках Цель-C И Быстрый .

Автоматический подсчет ссылок также доступен для использования в Ржавчина и новые стандарты С++ С помощью умные указатели .

Владение

Когда владелец покидает зону исполнения, память тут же освобождается.

Можно сказать, что это что-то вроде подсчета ссылок на этапе компиляции.

Этот подход используется в Ржавчина мне также не удалось найти какой-либо другой язык, использующий аналогичный механизм.

Каждый язык программирования использует свои реализации этих подходов и алгоритмов, оптимизированных для различных задач.

В следующих частях мы подробнее рассмотрим решения по управлению памятью на популярных языках.

Читайте также другие части серии:

• > Часть 1. Введение в управление памятью
• Часть 2. Управление памятью в JVM (Java, Kotlin, Scala, Groovy)
• Часть 3. Управление памятью в V8 (JavaScript/WebAssembly)
• Часть 4. Управление памятью в Go (в разработке)
• Часть 5: Управление памятью в Rust (в разработке)
• Часть 6. Управление памятью в Python (в разработке)
• Часть 7. Управление памятью в C++ (в разработке)
• Часть 8. Управление памятью в C# (в разработке)

Ссылки

• http://homepages.inf.ed.ac.uk
• https://javarevisited.blogspot.com
• http://net-informations.com
• https://gribblelab.org
• https://medium.com/computed-comparisons
• https://en.wikipedia.org/wiki/Garbage*collection*(computer_science)
• https://en.wikipedia.org/wiki/Automatic_Reference_Counting
• https://blog.sessionstack.com

Вы можете подписаться на автора статьи по адресу Твиттер и дальше LinkedIn .

Иллюстрации: Визуализация стека выполнена с использованием репетитор по Python .

Иллюстрация понятия собственности: Линк Кларк, команда Rust под Лицензия Creative Commons с указанием авторства, версия 3.0 .

Отдельное спасибо за корректуру перевода.

Александр Максимовский И Катерина Шибакова Теги: #программирование #информатика #управление памятью #утечки памяти

• Что Следует Учитывать При Выборе Принтеров Для Печати Удостоверений Личности

  19 Oct, 24

• Как Получить Дешевое Свадебное Платье Со Скидкой

  19 Oct, 24

• Курсы Powerpoint На 2 Года

  19 Oct, 24

• Современный Автопром - 02. Очень Кратко Об Ос

  19 Oct, 24

• Api Браузера Для Регистрации На Сайте И Осуществления Мгновенных Платежей

  19 Oct, 24

• Восстановление Онлайн-Функций Microsoft Money. Аутентификация Учетной Записи

  19 Oct, 24

• Альтернатива Рейтингам. Размышления.

  19 Oct, 24

• Секретный Чип В Наушниках Ipod Shuffle

  19 Oct, 24

• 2-Е Заседание Петербургской Группы Defcon-Россия

  19 Oct, 24

• Freedocs — Бесплатный Редактор Баз Нормативно-Технической Документации

  19 Oct, 24