阅读:0       作者:严长生

无用单元收集(垃圾回收机制)

通过前几节对可利用空间表进行动态存储管理的介绍,运行机制可以概括为:当用户发出申请空间的请求后,系统向用户分配内存;用户运行结束释放存储空间后,系统回收内存。这两部操作都是在用户给出明确的指令后,系统对存储空间进行有效地分配和回收。

但是在实际使用过程中,有时会因为用户申请了空间,但是在使用完成后没有向系统发出释放的指令,导致存储空间既没有被使用也没有被回收,变为了无用单元或者会产生悬挂访问的问题。

什么是无用单元?简单来讲,无用单元是一块用户不再使用,但是系统无法回收的存储空间。例如在C语言中,用户可以通过 malloc 和 free 两个功能函数来动态申请和释放存储空间。当用户使用 malloc 申请的空间使用完成后,没有使用 free 函数进行释放,那么该空间就会成为无用单元

悬挂访问也很好理解:假设使用 malloc 申请了一块存储空间,有多个指针同时指向这块空间,当其中一个指针完成使命后,私自将该存储空间使用 free 释放掉,导致其他指针处于悬空状态,如果释放掉的空间被再分配后,再通过之前的指针访问,就会造成错误。数据结构中称这种访问为悬挂访问


图 1 含有共享子表的广义表

在含有共享子表的广义表中,也可能会产生无用单元。例如图 1 中,L1、L2 和 L3 分别为三个广义表的表头指针,L4 为 L1 和 L2 所共享,L3 是 L2 的子表,L5 为 L1、L2 和 L3 三个广义表所共享。

在图 1 的基础上,假设表 L1 不再使用,而 L2 和 L3 还在使用,若释放表 L1,L1 中的所有结点所占的存储空间都会被释放掉,L2 和 L3 中由于同样包含 L1 中的结点,两个表会被破坏,某些指针会产生悬挂访问的错误;

而如果 L1 表使用完成后不及时释放,L1 中独自占用的结点由于未被释放,系统也不会回收,就会成为无用单元。

解决存储空间可能成为无用单元或者产生悬挂访问的方法有两个:
  1. 每个申请的存储空间设置一个计数域,这个计数域记录的是指向该存储空间的指针数目,只有当计数域的值为 0 时,该存储空间才会被释放。
  2. 在程序运行时,所有的存储空间无论是处于使用还是空闲的状态,一律不回收,当系统中的可利用空间表为空时,将程序中断,对当前不在使用状态的存储空间一律回收,全部链接成一个新的可利用空间表后,程序继续执行。

第一种方法非常简单,下面主要介绍第二种方法的具体实现。

第二种方法中,在程序运行过程中很难找出此时哪些存储空间是空闲的。解决这个问题的办法是:找当前正在被占用的存储空间,只需要从当前正在工作的指针变量出发依次遍历,就可以找到当前正在被占用的存储空间,剩余的自然就是此时处于空闲状态的存储空间。

如果想使用第二种方式,可以分为两步进行:
  • 对所有当前正在使用的存储空间加上被占用的标记(对于广义表来说,可以在每个结点结构的基础上,添加一个 mark 的标志域。在初始状态下,所有的存储空间全部标志为 0,被占用时标记为 1);
  • 依次遍历所有的存储空间,将所有标记为 0 的存储空间链接成一个新的可利用空间表。

对正在被占用的存储空间进行标记的方法有三种:
  • 从当前正在工作的指针变量开始,采用递归算法依次将所有表中的存储结点中的标志域全部设置为 1;
  • 第一种方法中使用递归算法实现的遍历。而递归底层使用的栈的存储结构,所以也可以直接使用栈的方式进行遍历;
  • 以上两种方法都是使用栈结构来记录遍历时指针所走的路径,便于在后期可以沿原路返回。所以第三种方式就是使用其他的方法代替栈的作用。

递归和非递归方式在前面章节做过详细介绍,第三种实现方式中代替栈的方法是:添加三个指针,p 指针指向当前遍历的结点,t 指针永远指向 p 的父结点,q 指向 p 结点的表头或者表尾结点。在遍历过程遵循以下原则:

当 q 指针指向 p 的表头结点时,可能出现 3 种情况:
  • p 结点的表头结点只是一个元素结点,没有表头或者表尾,这时只需要对该表头结点打上标记后即 q 指向 p 的表尾;
  • p 结点的表头结点是空表或者是已经做过标记的子表,这时直接令 q 指针指向 p 结点的表尾即可;
  • p 结点的表头是未添加标记的子表,这时就需要遍历子表,令 p 指向 q,q 指向 q 的表头结点。同时 t 指针相应地往下移动,但是在移动之前需要记录 t 指针的移动轨迹。记录的方法就是令 p 结点的 hp 域指向 t,同时设置 tag 值为 0。

当 q 指针指向 p 的表尾结点时,可能出现 2 种情况:
  • p 指针的表尾是未加标记的子表,就需要遍历该子表,和之前的类似,令 p 指针和 t 指针做相应的移动,在移动之前记录 t 指针的移动路径,方法是:用 p 结点的 tp 域指向 t 结点,然后在 t 指向 p,p 指向 q。
  • p 指针的表尾如果是空表或者已经做过标记的结点,这时 p 结点和 t 结点都回退到上一个位置。

由于 t 结点的回退路径分别记录在结点的 hp 域或者 tp 域中,在回退时需要根据 tag 的值来判断:如果 tag 值为 0 ,t 结点通过指向自身 hp 域的结点进行回退;反之,t 结点通过指向其 tp 域的结点进行回退。


图 2 待遍历的广义表

例如,图 2 中为一个待遍历的广义表,其中每个结点的结构如图 3 所示:


图 3 广义表中各结点的结构

在遍历如图 2 中的广义表时,从广义表的 a 结点开始,则 p 指针指向结点 a,同时 a 结点中 mark 域设置为 1,表示已经遍历过,t 指针为 nil,q 指针指向 a 结点的表头结点,初始状态如图 4 所示:


图 4 遍历广义表的初始状态

由于 q 指针指向的结点 b 的 tag 值为 1,表示该结点为表结构,所以此时 p 指向 q,q 指向结点 c,同时 t 指针下移,在 t 指针指向结点 a 之前,a 结点中的 hp 域指向 t,同时 a 结点中 tag 值设为 0。效果如图 5 所示:


图 5 遍历广义表(2)
 
通过 q 指针指向的结点 c 的 tag=1,判断该结点为表结点,同样 p 指针指向 c,q 指针指向 d,同时 t 指针继续下移,在 t 指针指向 结点 b 之前,b 结点的 tag 值更改为 0,同时 hp 域指向结点 a,效果图如图 6 所示:


图 6 遍历广义表(3)

通过 q 指针指向的结点 d 的 tag=0,所以,该结点为原子结点,此时根据遵循的原则,只需要将 q 指针指向的结点 d 的 mark 域标记为 1,然后让 q 指针直接指向 p 指针指向结点的表尾结点,效果图如图 7 所示:


图 7 遍历广义表(4)
 
当 q 指针指向 p 指针的表尾结点时,同时 q 指针为空,这种情况的下一步操作为 p 指针和 t 指针全部上移动,即 p 指针指向结点 b,同时 t 指针根据 b 结点的 hp 域回退到结点 a。同时由于结点 b 的tag 值为 0,证明之前遍历的是表头,所以还需要遍历 b 结点的表尾结点,同时将结点 b 的 tag 值改为 1。效果图如图 8 所示:


图 8 遍历广义表(5)
 
由于 q 指针指向的 e 结点为表结点,根据 q 指针指向的 e 结点是 p 指针指向的 b 结点的表尾结点,所以所做的操作为:p 指针和 t 指针在下移之前,令 p 指针指向的结点 b 的 tp 域指向结点 a,然后给 t 赋值 p,p 赋值 q。q 指向 q 的表头结点 f。效果如图 9 所示:


图 9 遍历广义表(6)

由于 q 指针指向的结点 f 为原子结点,所以直接 q 指针的 mark 域设为 1 后,直接令 q 指针指向 p 指针指向的 e 结点的表尾结点。效果如图 10 所示:


图 10 遍历广义表(7)
 
由于 p 指针指向的 e 结点的表尾结点为空,所以 p 指针和 t 指针都回退。由于 p 指针指向的结点 b 的 tag 值为 1,表明表尾已经遍历完成,所以 t 指针和 p 指针继续上移,最终遍历完成。

总结

无用单元的收集可以采用以上 3 中算法中任何一种。无论使用哪种算法,无用单元收集本身都是很费时间的,所以无用单元的收集不适用于实时处理的情况中使用。