بازیافت حافظه (garbage collection) در زبان‌های برنامه‌نویسی به چه معنا است؟

Garbage collector در فرآیند جمع‌آوری زباله، اشیایی را که دیگر در برنامه استفاده نمی‌شوند، شناسایی و حذف می‌کند. این فرآیند به صورت خودکار انجام می‌شود و برنامه‌نویس نیازی به دستی حذف آن اشیاء ندارد. این عملیات نقش مهمی در بهینه‌سازی حافظه دارند و به کاهش احتمال بروز خطاهایی که ممکن است به دلیل کمبود حافظه به وجود آیند، کمک می‌کند.

garbage collection چگونه کار می‌کند؟

همان‌گونه که اشاره کردیم، Garbage collection یک فرآیند خودکار است که به منظور جمع‌آوری و حذف اشیا نامناسب از حافظه استفاده می‌شود. برای انجام این کار، یک سیستم GC به صورت مداوم حافظه برنامه را بررسی کرده و سعی می‌کند تا اشیایی که دیگر در برنامه استفاده نمی‌شوند را شناسایی و از حافظه حذف کند.

GC در این کار از یک الگوریتم خاص استفاده می‌کند. الگوریتم GC به دو دسته تقسیم می‌شود: دسته اول الگوریتم‌های مبتنی بر نسل و دسته دوم الگوریتم‌های مبتنی بر مارک و سوییپ هستند.

الگوریتم‌های مبتنی بر نسل، اشیا حافظه را به چند نسل تقسیم می‌کنند. اشیاء جدید در نسل جوان قرار می‌گیرند، و اشیایی که بعد از چندین دوره GC هنوز هم در حافظه باقی مانده‌اند، در نسل قدیمی جای می‌گیرند. این الگوریتم با توجه به اینکه بیشتر اشیا کوتاه مدت هستند و در نسل جوان قرار می‌گیرند، برای جمع‌آوری زباله، این نسل را بیشتر بررسی می‌کند.

در الگوریتم‌های مبتنی بر مارک و سوییپ، ابتدا سیستم GC تمامی اشیا را علامت‌گذاری می‌کند که در حافظه باقی مانده‌اند. سپس، تمامی اشیایی که علامت نخورده‌اند را حذف می‌کند. این الگوریتم برای بررسی حافظه‌های بزرگ و پیچیده‌تر مناسب است.

در هر صورت، GC به صورت خودکار انجام می‌شود و برنامه‌نویس نیازی به حذف دستی زباله ندارد. این عملیات بهینه‌سازی حافظه را انجام می‌دهد و به کاهش احتمال بروز خطاهایی که ممکن است به دلیل مشکلات در مدیریت حافظه به وجود آیند، کمک می‌کند.

مطلب پیشنهادی

چیستی و چرایی مدیریت خودکار حافظه

Garbage Collection در پایتون چیست و چگونه کار می‌کند؟

انواع روش‌های Garbage Collection

هنگامی که سیستم GC برای جمع‌آوری زباله از حافظه استفاده می‌شود چند روش مختلف برای حذف اشیای بدون استفاده را به کار می‌گیرد. برخی از اصلی‌ترین روش‌های مورد استفاده در این زمینه به شرح زیر هستند:

1. Mark-and-Sweep

در این روش، GC ابتدا تمامی اشیایی را که در حافظه باقی مانده‌اند، علامت می‌زند. سپس، اشیایی که علامت نخورده‌اند را به عنوان زباله شناخته و حذف می‌کند. این روش مناسب برای برنامه‌هایی است که حافظه‌ی بزرگی را مورد استفاده قرار می‌دهند.

2. Copying

در این روش، حافظه به دو بخش تقسیم می‌شود. در بخش اول، اشیاء زنده (وضعیت فعال دارند) قرار می‌گیرند و در بخش دوم، اشیا مرده (دیگر استفاده نمی‌شوند) قرار می‌گیرند. در هر دوره، بخشی از حافظه خالی می‌شود و اشیاء زنده به آن بخش منتقل می‌شوند. این روش به برای برنامه‌هایی که حافظه‌ی کمی را مورد استفاده قرار می‌دهند، عملکرد بالایی دارد.

3. Reference Counting

در این روش، به هر شی یک شمارنده تخصیص داده می‌شود که تعداد ارجاعات به آن را شمارش می‌کند. هرگاه تعداد ارجاع به یک شی صفر شد، شی به عنوان زباله شناخته می‌شود و از حافظه حذف می‌شود. این روش عمدتا برای زبان‌های برنامه‌نویسی با مدیریت حافظه خودکار مناسب است.

4. Incremental

در این روش، جمع‌آوری زباله به صورت مرحله‌ای و در زمان‌های مشخصی انجام می‌شود. روش فوق در ارتباط با برنامه‌هایی که حافظه‌ی بزرگی را مورد استفاده قرار داده‌اند، مناسب است، زیرا به صورت پیوسته عملیات ارزیابی حافظه را انجام می‌دهد.

چه نوع برنامه‌هایی از روش Mark-and-Sweep استفاده می‌کنند؟

روش Mark-and-Sweep یکی از رایج‌ترین و پرکاربردترین روش‌های جمع‌آوری زباله است. این روش در برنامه‌هایی که حافظه قابل توجهی را به شکل پیچیده مورد استفاده قرار می‌دهند و همچنین برای زبان‌هایی که از مدیریت خودکار حافظه پشتیبانی می‌کنند، کاربرد دارد.

برنامه‌هایی که روش فوق عملکرد قابل قبولی در ارتباط با آن‌ها دارد، برنامه‌های گرافیکی، برنامه‌های سیستمی، برنامه‌های وب، بازی‌ها و غیره هستند. برای مثال، مرورگرهای وب معمولا از این روش برای مدیریت حافظه استفاده می‌کنند. همچنین، برنامه‌هایی که با زبان‌های برنامه‌نویسی مثل پایتون نوشته شده‌اند و از مدیریت خودکار حافظه پشتیبانی می‌کنند، نیز معمولا از این روش استفاده می‌کنند.

استفاده از روش Mark-and-Sweep در برنامه‌هایی که حافظه‌ی بزرگی دارند، به کاهش مصرف حافظه و بهبود عملکرد برنامه‌ی کاربردی منجر می‌شود. همچنین، این روش به طور خودکار به برنامه‌نویس کمک می‌کند تا از خطاهای مربوط به مدیریت حافظه، مانند تخصیص حافظه اضافی و یا عدم آزادسازی حافظه پس از استفاده، جلوگیری کند.

آیا روش Incremental برای برنامه‌هایی با حجم حافظه کم مناسب است؟

روش افزایشی (Incremental) یکی از روش‌های جمع‌آوری زباله است که البته برای برنامه‌هایی با حجم حافظه کم، چندان مناسب نیست. به همین دلیل، روش فوق برای برنامه‌هایی که دارای حجم حافظه بزرگی هستند و نیاز به جمع‌آوری زباله در زمان‌های مشخص دارند، مناسب است.

در روش افزایشی، جمع‌آوری زباله به صورت پیوسته و در زمان‌های مشخصی انجام می‌شود. این روش عمدتا برای کاهش زمانی که برای جمع‌آوری زباله نیاز است، به کار می‌رود. با این حال، این روش باعث افزایش هزینه‌های پردازشی می‌شود، زیرا پردازش برنامه در طول جمع‌آوری زباله ممکن است به طور موقت متوقف شود. بنابراین، در برنامه‌هایی که دارای حجم حافظه کمی هستند، استفاده از این روش ممکن است باعث کاهش عملکرد برنامه شود.

در کل، برای انتخاب روش GC مناسب، نیاز است تا نیازهای برنامه و خصوصیات آن را مورد بررسی قرار داد و سپس روشی را انتخاب کرد که بهترین عملکرد را برای برنامه به همراه دارد.

آیا روش دیگری برای جمع‌آوری زباله در برنامه‌های با حجم حافظه کم وجود دارد؟

روش دیگری که برای جمع‌آوری زباله در برنامه‌های با حجم حافظه کم مورد استفاده قرار می‌گیرد، روش شمارش مرجع (Reference Counting) است.

در روش شمارش مرجع، به هر شی یک شمارنده تخصیص داده می‌شود که تعداد ارجاعات به آن را شمارش می‌کند. هرگاه تعداد ارجاع به یک شیء صفر شد، شیء به عنوان زباله شناخته می‌شود و از حافظه حذف می‌شود. این روش برای برنامه‌هایی که دارای حجم حافظه کمی هستند، مناسب است، زیرا به طور موثری حافظه‌ی مورد استفاده را آزاد می‌کند.

با این حال، مشکلاتی نیز در ارتباط با روش فوق وجود دارد. به عنوان مثال، در صورتی که دو شی به هم ارجاع داشته باشند (یعنی یک دایره ارجاع)، این روش قادر به شناسایی و حذف این دایره ارجاع نخواهد بود. همچنین، این روش باعث مصرف بیشتر حافظه می‌شود، زیرا برای هر شی نیاز به تخصیص یک شمارنده دارد.

آیا می‌توان چند روش GC را در یک برنامه به صورت ترکیبی استفاده کرد؟

بله، در برخی موارد می‌توان از چند روش GC در یک برنامه به صورت ترکیبی استفاده کرد. این روش به عنوان Hybrid GC شناخته می‌شود.

در روش Hybrid GC، بخش‌های مختلف برنامه با استفاده از روش‌های GC مختلف، مدیریت می‌شوند. به عنوان مثال، بخش‌هایی از برنامه که دارای حجم حافظه بزرگی هستند، می‌توانند با استفاده از روش Mark-and-Sweep مدیریت شوند. بخش‌های دیگری که دارای حجم حافظه کمتری هستند، می‌توانند با استفاده از روش Reference Counting مدیریت شوند. به این ترتیب، با استفاده از ترکیب این دو روش، می‌توان عملکرد بهینه‌تر و مصرف مناسب‌تر حافظه را در برنامه به دست آورد.

با این حال، استفاده از Hybrid GC نیازمند دقت و هوشمندی در طراحی و پیاده‌سازی برنامه است. زیرا ترکیب روش‌های مختلف GC ممکن است باعث ایجاد مشکلاتی مانند هم‌زمانی‌های ناخواسته در جمع‌آوری زباله شود. بنابراین، برای استفاده از Hybrid GC، نیاز به آزمایش‌های دقیق و تست‌های کامل دارید.

آیا همه زبان‌های برنامه‌نویسی از GC استفاده می‌کنند؟

خیر. در واقع، برخی زبان‌های برنامه‌نویسی مانند C و سی‌پلاس‌پلاس از GC پشتیبانی نمی‌کنند و برنامه‌نویسان باید به طور دستی مدیریت حافظه را انجام دهند.

به عنوان مثال، در زبان C، برنامه‌نویس باید به طور دستی حافظه‌ای را که تخصیص داده شده است، آزاد کند. این کار با استفاده از توابع مانند malloc و free انجام می‌شود. در زبان سی‌پلاس‌پلاس، همچنین از مفهوم destructors برای آزادسازی حافظه به طور دستی استفاده می‌شود.

به علاوه، برخی زبان‌های برنامه‌نویسی مانند Rust از یک سیستم مدیریت حافظه قدرتمند استفاده می‌کنند که به طور خودکار حافظه را مدیریت می‌کند، اما به روش معمول GC این‌کار را انجام نمی‌دهند.

بنابراین، استفاده از GC نه تنها به برنامه‌نویسان کمک می‌کند تا به طور مجزا مدیریت حافظه را انجام ندهند، بلکه به طور عمومی به بهبود عملکرد برنامه و کاهش خطاهای حافظه مربوط است.

چه زبان‌هایی از garbage collection پشتیبانی می‌کنند؟

بسیاری از زبان‌های برنامه‌نویسی امروزی از garbage collection  پشتیبانی می‌کنند. برخی از این زبان‌ها عبارتند از:

1. Java: زبان برنامه‌نویسی Java نسخه 1.1 به بعد از GC استفاده می‌کند. در جاوا، GC به صورت خودکار به صورت دوره‌ای فراخوانی می‌شود.
2.  سی‌شارپ: زبان برنامه‌نویسی سی‌شارپ نیز از GC پشتیبانی می‌کند. در سی‌شارپ، GC به صورت خودکار و در هنگام ایجاد شی جدید فراخوانی می‌شود.
3.  Python: زبان برنامه‌نویسی Python نیز از GC پشتیبانی می‌کند. در پایتون GC به صورت خودکار فراخوانی می‌شود و می‌توان به‌صورت دستی نیز فراخوانی شود.
4.  Ruby: زبان برنامه‌نویسی Ruby نیز از GC پشتیبانی می‌کند. در روبی، GC به صورت خودکار و در هنگام ایجاد شیء جدید فراخوانی می‌شود.
5.  JavaScript: در زبان برنامه‌نویسی جاوااسکریپت GC به صورت خودکار فراخوانی می‌شود.
6.  PHP: زبان برنامه‌نویسی PHP نیز نیز به صورت خودکار و در هنگام ایجاد شیء جدید GC را فراخوانی می‌کند.
7.  Swift: زبان برنامه‌نویسی سوئیفت نیز GC را به صورت خودکار و در هنگام ایجاد شیء جدید فراخوانی می‌کند.

مزایای Garbage collection

Garbage collection  مزایایی مختلفی در اختیار برنامه‌نویسان قرار می‌دهد که برخی از آن‌ها به شرح زیر هستند:

1.  افزایش بهره‌وری: GC به برنامه‌نویسان اجازه می‌دهد فارغ از مدیریت حافظه بر روی منطق برنامه خود تمرکز کنند. رویکرد فوق به برنامه‌نویسان امکان می‌دهد با تمرکز برروی منطق برنامه، بهره‌وری بیشتری را داشته باشند.
2.  کاهش خطاهای حافظه: با استفاده از GC، برنامه‌نویسان نیازی به مدیریت دستی حافظه ندارند و به همین دلیل، احتمال وقوع خطاهای حافظه کاهش می‌یابد.
3.  کاهش زمان توسعه: با استفاده از GC، برنامه‌نویسان نیازی به صرف زمان برای مدیریت حافظه ندارند و به همین دلیل، زمان توسعه برنامه‌ها کاهش می‌یابد.
4.  افزایش امنیت: با استفاده از GC، احتمال وقوع خطاهای حافظه و امنیتی کاهش می‌یابد. به دلیل اینکه GC به طور مداوم حافظه را بررسی می‌کند و اشیا زباله را حذف می‌کند که نقش مهمی در افشای اطلاعات حساس دارد.
5.  کاهش هزینه توسعه: با استفاده از GC، برنامه‌نویسان نیازی به تجهیزات سخت‌افزاری قدرتمند برای مدیریت حافظه ندارند، در نتیجه هزینه توسعه و پشتیبانی کاهش می‌یابد.

به طور کلی، GC به برنامه‌نویسان کمک می‌کند تا فارغ از مدیریت حافظه، بر روی منطق برنامه خود تمرکز کنند که افزایش بهره‌وری، کاهش خطاهای حافظه و امنیتی، کاهش هزینه توسعه و کاهش زمان توسعه برنامه‌ها را به همراه دارد.

معایب Garbage collection

در شرایطی که Garbage collection مزایای قابل توجهی در اختیار برنامه‌نویسان قرار می‌دهد، اما دارای معایبی است که برخی از آن‌ها به شرح زیر هستند:

1.  کندی: GC به طور مداوم حافظه را بررسی می‌کند تا اشیا بدون استفاده را حذف می‌کند، که ممکن است به تاخیر در اجرای برنامه منجر شود. به‌طوری‌که، برای برخی برنامه‌هایی که نیاز به عملکرد سریع دارند، استفاده از GC مناسب نیست.
2.  مصرف منابع سیستم: GC برای حذف اشیا بدون استفاده از حافظه، نیاز به منابع سیستمی دارد. این حرف به معنای این است که برای برخی سیستم‌ها، GC ممکن است باعث مصرف منابع سیستم بیش از حد شود.
3.  ناپیوستگی حافظه: GC به برنامه‌نویسان اجازه نمی‌دهد تا به طور دقیق بر روند مدیریت حافظه نظارت داشته باشند و خود تعیین کنند کدام اشیا در حافظه باقی بمانند و کدام اشیا از حافظه حذف شوند. همین مسئله ممکن است باعث ناپیوستگی حافظه شود که در برخی موارد افزایش زمان پاسخگویی برنامه را به همراه دارد.
4.  مشکلات مربوط به میان‌افزارها: در برخی موارد، GC ممکن است با میان‌افزارهایی که برنامه‌های دیگری را اجرا می‌کنند، تداخل داشته باشد و ممکن است باعث بروز مشکلاتی در سیستم شود.

به طور کلی، استفاده از GC برای مدیریت حافظه دارای مزایا و معایبی است که برنامه‌نویسان باید در نظر داشته باشند. در صورتی که برای برنامه‌ی خود به سرعت و مصرف کمتر منابع نیاز دارید، استفاده از GC ممکن است مناسب نباشد.