Referens Hisoblash Algoritmlari: Siklik Axlat Yig'ishni Amalga Oshirish

Referens hisoblash - bu xotiradagi har bir ob'ekt unga ishora qiluvchi referenslar sonini hisoblab boradigan xotirani boshqarish usuli. Ob'ektning referens hisobi nolga tushganda, bu boshqa ob'ektlar unga murojaat qilmaydi degan ma'noni anglatadi va ob'ektni xavfsiz ravishda ajratish mumkin. Ushbu yondashuv bir qator afzalliklarni taqdim etadi, ammo u, ayniqsa, siklik ma'lumotlar tuzilmalari bilan bog'liq muammolarga ham duch keladi. Ushbu maqola referens hisoblash, uning afzalliklari, cheklovlari va siklik axlat yig'ishni amalga oshirish strategiyalariga oid keng qamrovli ma'lumot beradi.

Referens Hisoblash nima?

Referens hisoblash - bu avtomatik xotirani boshqarish shakli. Axlat yig'uvchiga vaqti-vaqti bilan foydalanilmaydigan ob'ektlar uchun xotirani skanerlashga tayanish o'rniga, referens hisoblash xotira foydalanib bo'lmaydigan bo'lishi bilanoq uni qaytarib olishga qaratilgan. Xotiradagi har bir ob'ekt tegishli referens hisobiga ega bo'lib, u ushbu ob'ektga referenslar (ko'rsatkichlar, havolalar va hokazo) sonini ifodalaydi. Asosiy operatsiyalar quyidagilar:

• Referens Hisobini Oshirish: Ob'ektga yangi referens yaratilganda, ob'ektning referens hisobi oshiriladi.
• Referens Hisobini Kamaytirish: Ob'ektga referens olib tashlanganda yoki amal qilish doirasidan chiqqanda, ob'ektning referens hisobi kamaytiriladi.
• Ajratish: Ob'ektning referens hisobi nolga yetganda, bu ob'ekt endi dasturning boshqa qismi tomonidan referens qilinmaydi degan ma'noni anglatadi. Shu nuqtada ob'ekt ajratilishi va uning xotirasi qaytarib olinishi mumkin.

Misol: Python-da oddiy stsenariyni ko'rib chiqing (garchi Python asosan axlat yig'uvchini kuzatuvchi axlatdan foydalansa ham, u zudlik bilan tozalash uchun referens hisoblashdan ham foydalanadi):

obj1 = MyObject()
obj2 = obj1  # obj1 referens hisobini oshirish
del obj1  # MyObject referens hisobini kamaytirish; ob'ektga hali ham obj2 orqali kirish mumkin
del obj2  # MyObject referens hisobini kamaytirish; agar bu oxirgi referens bo'lsa, ob'ekt ajratiladi

Referens Hisoblashning Afzalliklari

Referens hisoblash, axlat yig'ishni kuzatish kabi xotirani boshqarishning boshqa usullariga nisbatan bir qator jozibador afzalliklarni taklif etadi:

• Darhol Qaytarish: Xotira ob'ekt foydalanib bo'lmaydigan bo'lishi bilanoq qaytariladi, bu xotira hajmini kamaytiradi va an'anaviy axlat yig'uvchilar bilan bog'liq uzoq tanaffuslardan qochadi. Bu deterministik xatti-harakat, ayniqsa, real vaqt tizimlarida yoki qat'iy ishlash talablari bo'lgan ilovalarda foydalidir.
• Oddiylik: Asosiy referens hisoblash algoritmini amalga oshirish nisbatan sodda, bu uni o'rnatilgan tizimlar yoki resurslari cheklangan muhitlar uchun mos qiladi.
• Referensning Mahallasi: Ob'ektni ajratish ko'pincha o'zi murojaat qiladigan boshqa ob'ektlarni ajratishga olib keladi, bu esa kesh ishlashini yaxshilaydi va xotira fragmentatsiyasini kamaytiradi.

Referens Hisoblashning Cheklovlari

Afzalliklariga qaramay, referens hisoblash ba'zi stsenariylarda uning amaliyligiga ta'sir qilishi mumkin bo'lgan bir qator cheklovlardan aziyat chekadi:

• Ortiqcha yuk: Referens hisoblarini oshirish va kamaytirish sezilarli ortiqcha yukni keltirib chiqarishi mumkin, ayniqsa tez-tez ob'ekt yaratiladigan va o'chiriladigan tizimlarda. Bu ortiqcha yuk ilovaning ishlashiga ta'sir qilishi mumkin.
• Dumaloq Referenslar: Asosiy referens hisoblashning eng muhim cheklovi uning dumaloq referenslarni boshqara olmasligidir. Agar ikkita yoki undan ortiq ob'ekt bir-biriga murojaat qilsa, ularning referens hisoblari nolga yetmaydi, hatto ular dasturning qolgan qismidan kirish imkoni bo'lmasa ham, xotira sizishiga olib keladi.
• Murakkablik: Referens hisoblashni to'g'ri amalga oshirish, ayniqsa ko'p tarmoqli muhitlarda, poyga sharoitlarining oldini olish va referens hisoblari aniq bo'lishini ta'minlash uchun ehtiyotkorlik bilan sinxronizatsiya qilishni talab qiladi. Bu amalga oshirishga murakkablik qo'shishi mumkin.

Dumaloq Referens Muammosi

Dumaloq referens muammosi sodda referens hisoblashning Axilles to'pig'idir. Ikkita A va B ob'ektlarini ko'rib chiqing, bunda A B ga murojaat qiladi va B A ga murojaat qiladi. Agar boshqa ob'ektlar A yoki B ga murojaat qilmasa ham, ularning referens hisoblari kamida bir bo'ladi, bu ularning ajratilishiga to'sqinlik qiladi. Bu xotira sizishini yaratadi, chunki A va B tomonidan egallangan xotira ajratilgan, ammo kirish imkoni bo'lmagan holda qoladi.

Misol: Python-da:

class Node:
    def __init__(self, data):
        self.data = data
        self.next = None

node1 = Node(1)
node2 = Node(2)

node1.next = node2
node2.next = node1  # Dumaloq referens yaratildi

del node1
del node2  # Xotira sizishi: tugunlarga endi kirish imkoni yo'q, lekin ularning referens hisoblari hali ham 1

`std::shared_ptr` kabi aqlli ko'rsatkichlardan foydalanadigan C++ kabi tillar ham ehtiyotkorlik bilan boshqarilmasa, bu xatti-harakatni namoyon qilishi mumkin. `shared_ptr` larning tsikllari ajratishga to'sqinlik qiladi.

Siklik Axlat Yig'ish Strategiyalari

Dumaloq referens muammosini hal qilish uchun referens hisoblash bilan birgalikda bir nechta siklik axlat yig'ish texnikasidan foydalanish mumkin. Ushbu usullar foydalanib bo'lmaydigan ob'ektlar tsikllarini aniqlash va sindirishga qaratilgan bo'lib, ularni ajratish imkonini beradi.

1. Belgilash va Tozalash Algoritmi

Belgilash va Tozalash algoritmi - bu referens hisoblash tizimlarida dumaloq referenslarni boshqarish uchun moslashtirilishi mumkin bo'lgan keng qo'llaniladigan axlat yig'ish texnikasi. U ikki bosqichni o'z ichiga oladi:

• Belgilash Bosqichi: Ildiz ob'ektlar to'plamidan (dasturdan to'g'ridan-to'g'ri kirish mumkin bo'lgan ob'ektlar) boshlab, algoritm ob'ekt grafi bo'ylab harakatlanib, barcha kirish mumkin bo'lgan ob'ektlarni belgilaydi.
• Tozalash Bosqichi: Belgilash bosqichidan so'ng algoritm butun xotira maydonini skanerlab, belgilanmagan ob'ektlarni aniqlaydi. Ushbu belgilanmagan ob'ektlar foydalanib bo'lmaydigan hisoblanadi va ajratiladi.

Referens hisoblash kontekstida Belgilash va Tozalash algoritmi foydalanib bo'lmaydigan ob'ektlar tsikllarini aniqlash uchun ishlatilishi mumkin. Algoritm vaqtincha barcha ob'ektlarning referens hisoblarini nolga o'rnatadi va keyin belgilash bosqichini amalga oshiradi. Agar ob'ektning referens hisobi belgilash bosqichidan keyin nolga teng bo'lib qolsa, bu ob'ekt hech qanday ildiz ob'ektidan kirish imkoni yo'q va foydalanib bo'lmaydigan tsiklning bir qismi degan ma'noni anglatadi.

Amalga oshirish Masalalari:

• Belgilash va Tozalash algoritmi vaqti-vaqti bilan yoki xotiradan foydalanish ma'lum bir chegaraga yetganda ishga tushirilishi mumkin.
• Cheksiz halqalardan qochish uchun belgilash bosqichida dumaloq referenslarni ehtiyotkorlik bilan boshqarish muhimdir.
• Algoritm ilova ishida, ayniqsa tozalash bosqichida tanaffuslar kiritishi mumkin.

2. Tsiklni Aniqlash Algoritmlari

Bir nechta ixtisoslashtirilgan algoritmlar ob'ekt grafiklarida tsikllarni aniqlash uchun maxsus ishlab chiqilgan. Ushbu algoritmlar referens hisoblash tizimlarida foydalanib bo'lmaydigan ob'ektlar tsikllarini aniqlash uchun ishlatilishi mumkin.

a) Tarjanning Kuchli Bog'langan Komponentlar Algoritmi

Tarjan algoritmi - bu yo'naltirilgan grafdagi kuchli bog'langan komponentlarni (SCC) aniqlaydigan graf bo'ylab harakatlanish algoritmidir. SCC - bu har bir uchdan boshqa har bir uchga kirish mumkin bo'lgan subgrafdir. Axlat yig'ish kontekstida SCC ob'ektlar tsikllarini ifodalashi mumkin.

U qanday ishlaydi:

• Algoritm ob'ekt grafining chuqurlikda birinchi qidiruvini (DFS) amalga oshiradi.
• DFS davomida har bir ob'ektga noyob indeks va pastki havola qiymati beriladi.
• Pastki havola qiymati joriy ob'ektdan kirish mumkin bo'lgan har qanday ob'ektning eng kichik indeksini ifodalaydi.
• DFS allaqachon stekda bo'lgan ob'ektga duch kelganda, u joriy ob'ektning pastki havola qiymatini yangilaydi.
• DFS SCC ni qayta ishlashni tugatganda, u SCC dagi barcha ob'ektlarni stekdan chiqaradi va ularni tsiklning bir qismi sifatida aniqlaydi.

b) Yo'lga Asoslangan Kuchli Komponent Algoritmi

Yo'lga Asoslangan Kuchli Komponent algoritmi (PBSCA) - bu yo'naltirilgan grafdagi SCC larni aniqlash uchun yana bir algoritm. U odatda Tarjan algoritmiga qaraganda amalda samaraliroq, ayniqsa siyrak grafiklar uchun.

U qanday ishlaydi:

• Algoritm DFS davomida tashrif buyurilgan ob'ektlar stekini saqlaydi.
• Har bir ob'ekt uchun u ildiz ob'ektdan joriy ob'ektga olib boradigan yo'lni saqlaydi.
• Algoritm allaqachon stekda bo'lgan ob'ektga duch kelganda, u joriy ob'ektga yo'lni stekdagi ob'ektga yo'l bilan taqqoslaydi.
• Agar joriy ob'ektga yo'l stekdagi ob'ektga yo'lning prefiksi bo'lsa, bu joriy ob'ekt tsiklning bir qismi degan ma'noni anglatadi.

3. Kechiktirilgan Referens Hisoblash

Kechiktirilgan referens hisoblash bu operatsiyalarni keyinga qoldirib, referens hisoblarini oshirish va kamaytirish xarajatlarini kamaytirishga qaratilgan. Bunga referens hisobi o'zgarishlarini buferlash va ularni partiyalarda qo'llash orqali erishish mumkin.

Texnikalar:

• Tarmoqli Mahalliy Buferlar: Har bir tarmoq referens hisobi o'zgarishlarini saqlash uchun mahalliy buferni saqlaydi. Ushbu o'zgarishlar global referens hisoblariga vaqti-vaqti bilan yoki bufer to'lganda qo'llaniladi.
• Yozuv To'siqlari: Yozuv to'siqlari ob'ekt maydonlariga yozuvlarni to'xtatish uchun ishlatiladi. Yozuv operatsiyasi yangi referensni yaratganda, yozuv to'sig'i yozuvni to'xtatadi va referens hisobini oshirishni kechiktiradi.

Kechiktirilgan referens hisoblash xarajatlarni kamaytirishi mumkin bo'lsa-da, u xotirani qaytarib olishni ham kechiktirishi mumkin, bu esa xotiradan foydalanishni oshirishi mumkin.

4. Qisman Belgilash va Tozalash

Butun xotira maydonida to'liq Belgilash va Tozalashni amalga oshirish o'rniga, xotiraning kichikroq qismida, masalan, ma'lum bir ob'ektdan yoki ob'ektlar guruhidan kirish mumkin bo'lgan ob'ektlarda qisman Belgilash va Tozalashni amalga oshirish mumkin. Bu axlat yig'ish bilan bog'liq tanaffus vaqtlarini qisqartirishi mumkin.

Amalga oshirish:

• Algoritm gumon qilinayotgan ob'ektlar to'plamidan boshlanadi (tsiklning bir qismi bo'lishi mumkin bo'lgan ob'ektlar).
• U ushbu ob'ektlardan kirish mumkin bo'lgan ob'ekt grafi bo'ylab harakatlanib, barcha kirish mumkin bo'lgan ob'ektlarni belgilaydi.
• Keyin u belgilangan mintaqani tozalaydi va har qanday belgilanmagan ob'ektlarni ajratadi.

Turli Tillarida Siklik Axlat Yig'ishni Amalga Oshirish

Siklik axlat yig'ishni amalga oshirish dasturlash tiliga va asosiy xotirani boshqarish tizimiga qarab farq qilishi mumkin. Mana ba'zi misollar:

Python

Python xotirani boshqarish uchun referens hisoblash va axlat yig'uvchi kuzatuvchi birikmasidan foydalanadi. Referens hisoblash komponenti ob'ektlarni zudlik bilan ajratishni boshqaradi, axlat yig'uvchi kuzatuvchi esa foydalanib bo'lmaydigan ob'ektlar tsikllarini aniqlaydi va sindiradi.

Python-dagi axlat yig'uvchi `gc` modulida amalga oshiriladi. Axlat yig'ishni qo'lda ishga tushirish uchun `gc.collect()` funktsiyasidan foydalanishingiz mumkin. Axlat yig'uvchi muntazam ravishda avtomatik ravishda ham ishlaydi.

Misol:

import gc

class Node:
    def __init__(self, data):
        self.data = data
        self.next = None

node1 = Node(1)
node2 = Node(2)

node1.next = node2
node2.next = node1  # Dumaloq referens yaratildi

del node1
del node2

gc.collect()  # Tsiklni sindirish uchun axlat yig'ishni majburiy qilish

C++

C++ da o'rnatilgan axlat yig'ish yo'q. Xotirani boshqarish odatda `new` va `delete` yordamida yoki aqlli ko'rsatkichlardan foydalangan holda qo'lda amalga oshiriladi.

C++ da siklik axlat yig'ishni amalga oshirish uchun siz aqlli ko'rsatkichlardan tsiklni aniqlash bilan foydalanishingiz mumkin. Yondashuvlardan biri tsikllarni sindirish uchun `std::weak_ptr` dan foydalanishdir. `weak_ptr` - bu o'zi ishora qilgan ob'ektning referens hisobini oshirmaydigan aqlli ko'rsatkich. Bu ob'ektlarni ajratishga to'sqinlik qilmasdan ob'ektlar tsikllarini yaratishga imkon beradi.

Misol:

#include 
#include 

class Node {
public:
    int data;
    std::shared_ptr next;
    std::weak_ptr prev;  // Tsikllarni sindirish uchun weak_ptr dan foydalaning

    Node(int data) : data(data) {}
    ~Node() { std::cout << "Node destroyed with data: " << data << std::endl; }
};

int main() {
    std::shared_ptr node1 = std::make_shared(1);
    std::shared_ptr node2 = std::make_shared(2);

    node1->next = node2;
    node2->prev = node1; // Tsikl yaratildi, lekin prev weak_ptr

    node2.reset();
    node1.reset(); // Tugunlar endi yo'q qilinadi

    return 0;
}

Ushbu misolda `node2` `node1` ga `weak_ptr` ni ushlab turadi. `node1` va `node2` ikkalasi ham amal qilish doirasidan chiqqanda, ularning umumiy ko'rsatkichlari yo'q qilinadi va ob'ektlar ajratiladi, chunki zaif ko'rsatkich referens hisobiga hissa qo'shmaydi.

Java

Java ichki tomondan kuzatuvchi va referens hisoblashning ba'zi bir shaklini boshqaradigan avtomatik axlat yig'uvchidan foydalanadi. Axlat yig'uvchi foydalanib bo'lmaydigan ob'ektlarni, shu jumladan dumaloq referenslarga aloqador bo'lganlarni aniqlash va qaytarib olish uchun javobgardir. Odatda Java-da siklik axlat yig'ishni aniq amalga oshirishingiz shart emas.

Biroq, axlat yig'uvchi qanday ishlashini tushunish sizga yanada samarali kod yozishga yordam beradi. Siz axlat yig'ish faoliyatini kuzatish va potentsial xotira sizishini aniqlash uchun profaylerlar kabi vositalardan foydalanishingiz mumkin.

JavaScript

JavaScript xotirani boshqarish uchun axlat yig'ishga (ko'pincha belgilash va tozalash algoritmi) tayanadi. Referens hisoblash mexanizm ob'ektlarni kuzatib borishi usulining bir qismi bo'lsa-da, ishlab chiquvchilar axlat yig'ishni to'g'ridan-to'g'ri boshqarmaydi. Mexanizm tsikllarni aniqlash uchun javobgardir.

Biroq, axlat yig'ish tsikllarini sekinlashtirishi mumkin bo'lgan beixtiyor katta ob'ekt grafiklarini yaratishga e'tibor bering. Kerak bo'lmaganda ob'ektlarga referenslarni sindirish mexanizmga xotirani yanada samarali qaytarib olishga yordam beradi.

Referens Hisoblash va Siklik Axlat Yig'ish uchun Eng Yaxshi Amaliyotlar

• Dumaloq Referenslarni Kamaytirish: Dumaloq referenslarni yaratishni kamaytirish uchun ma'lumotlar tuzilmalarini loyihalashtiring. Tsikllardan butunlay qochish uchun muqobil ma'lumotlar tuzilmalarini yoki texnikalaridan foydalanishni ko'rib chiqing.
• Zaif Referenslardan Foydalanish: Zaif referenslarni qo'llab-quvvatlaydigan tillarda ulardan tsikllarni sindirish uchun foydalaning. Zaif referenslar o'zi ishora qilgan ob'ektning referens hisobini oshirmaydi, bu ob'ektga tsiklning bir qismi bo'lsa ham ajratilishiga imkon beradi.
• Tsiklni Aniqlashni Amalga Oshirish: Agar siz o'rnatilgan tsiklni aniqlashsiz tilda referens hisoblashdan foydalanayotgan bo'lsangiz, foydalanib bo'lmaydigan ob'ektlar tsikllarini aniqlash va sindirish uchun tsiklni aniqlash algoritmini amalga oshiring.
• Xotiradan Foydalanishni Kuzatib Boring: Potentsial xotira sizishini aniqlash uchun xotiradan foydalanishni kuzatib boring. To'g'ri ajratilmayotgan ob'ektlarni aniqlash uchun profiling vositalaridan foydalaning.
• Referens Hisoblash Operatsiyalarini Optimallashtirish: Xarajatlarni kamaytirish uchun referens hisoblash operatsiyalarini optimallashtiring. Ishlashni yaxshilash uchun kechiktirilgan referens hisoblash yoki yozuv to'siqlari kabi texnikalardan foydalanishni ko'rib chiqing.
• Savdolashuvlarni Ko'rib Chiqing: Referens hisoblash va xotirani boshqarishning boshqa usullari o'rtasidagi savdolashuvlarni baholang. Referens hisoblash barcha ilovalar uchun eng yaxshi tanlov bo'lmasligi mumkin. Qaror qabul qilishda referens hisoblashning murakkabligi, xarajatlari va cheklovlarini ko'rib chiqing.

Xulosa

Referens hisoblash - bu zudlik bilan qaytarib olish va oddiylikni taklif qiladigan qimmatli xotirani boshqarish usuli. Biroq, uning dumaloq referenslarni boshqara olmasligi muhim cheklovdir. Belgilash va Tozalash yoki tsiklni aniqlash algoritmlari kabi siklik axlat yig'ish texnikalarini amalga oshirish orqali siz ushbu cheklovni bartaraf etishingiz va xotira sizishi xavfisiz referens hisoblashning afzalliklaridan foydalanishingiz mumkin. Referens hisoblash bilan bog'liq savdolashuvlarni va eng yaxshi amaliyotlarni tushunish mustahkam va samarali dasturiy ta'minot tizimlarini yaratish uchun juda muhimdir. Ilovangizning o'ziga xos talablarini ehtiyotkorlik bilan ko'rib chiqing va ehtiyojlaringizga eng mos keladigan xotirani boshqarish strategiyasini tanlang, dumaloq referenslar muammolarini bartaraf etish uchun zarur bo'lganda siklik axlat yig'ishni qo'shing. Xotiradan samarali foydalanishni ta'minlash va potentsial xotira sizishining oldini olish uchun kodingizni profilinglash va optimallashtirishni unutmang.