การจัดการหน่วยความจำเป็นหนึ่งในแง่มุมที่ท้าทายที่สุดของการเขียนโปรแกรมระบบมาอย่างยาวนาน แม้ว่าแนวทาง malloc/free แบบดั้งเดิมจะให้บริการนักพัฒนามาหลายทศวรรษ แต่ก็มาพร้อมกับข้อเสียที่สำคัญซึ่งได้จุดประกายความสนใจใหม่ในกลยุทธ์การจัดสรรทางเลือก
ปัญหาของการจัดการหน่วยความจำแบบดั้งเดิม
แนวทางแบบเดิมของการจัดสรรและปลดปล่อยชิ้นส่วนหน่วยความจำแต่ละชิ้นสร้างปัญหาหลายประการที่รบกวนการพัฒนาซอฟต์แวร์สมัยใหม่ การรั่วไหลของหน่วยความจำ บั๊กประเภท use-after-free และข้อผิดพลาด double-free เป็นเพียงส่วนเล็กของปัญหาเท่านั้น นอกเหนือจากปัญหาด้านความปลอดภัยเหล่านี้ ลักษณะที่ละเอียดของการดำเนินการ malloc/free ยังนำมาซึ่งค่าใช้จ่ายด้านประสิทธิภาพที่สำคัญ
การจัดสรรแต่ละครั้งต้องการให้ระบบค้นหาบล็อกหน่วยความจำที่เหมาะสม จัดการข้อมูลเมตา และจัดการกับการกระจัดกระจาย กระบวนการนี้จะมีค่าใช้จ่ายเพิ่มขึ้นเมื่อแอปพลิเคชันขยายขนาด สถานการณ์จะแย่ลงเมื่อพิจารณาถึงประสิทธิภาพของแคช เนื่องจากการจัดสรรที่กระจัดกระจายทั่วหน่วยความจำอาจนำไปสู่ locality ที่แย่และประสิทธิภาพที่ลดลง
Arena Allocators เป็นทางออก
Arena allocators เสนอแนวทางที่แตกต่างโดยพื้นฐานด้วยการจัดกลุ่มการจัดสรรที่เกี่ยวข้องเข้าด้วยกัน แทนที่จะจัดการชิ้นส่วนหน่วยความจำแต่ละชิ้น นักพัฒนาจัดสรรบล็อกหน่วยความจำขนาดใหญ่ล่วงหน้าและแจกจ่ายชิ้นส่วนเล็กๆ จาก arena เหล่านี้ตามต้องการ เมื่ออายุการใช้งานของ arena สิ้นสุด บล็อกทั้งหมดจะถูกปลดปล่อยในการดำเนินการครั้งเดียว
กลยุทธ์นี้จัดแนวรูปแบบการจัดสรรหน่วยความจำให้สอดคล้องกับอายุการใช้งานของออบเจ็กต์ สร้างขอบเขตธรรมชาติสำหรับการจัดการทรัพยากร เว็บเซิร์ฟเวอร์ตัวอย่างเช่น อาจใช้ arena แบบต่อคำขอที่ทำความสะอาดการจัดสรรที่เกี่ยวข้องกับคำขอทั้งหมดโดยอัตโนมัติเมื่อการตอบสนองเสร็จสิ้น
การจัดสรร malloc/free แบบบริสุทธิ์มีแนวโน้มที่จะเกิดข้อผิดพลาดและมีค่าใช้จ่ายสูง มันละเอียดเกินไปในหลายกรณี ให้เราใช้ allocators / memory arenas ที่แยกจากกันและเป็นอิสระหลายตัวแทน
แนวทางนี้พิสูจน์ให้เห็นคุณค่าเป็นพิเศษในสถานการณ์ที่กลุ่มของออบเจ็กต์มีอายุการใช้งานที่คล้ายคลึงกัน เช่น การดำเนินการแยกวิเคราะห์ โครงสร้างข้อมูลชั่วคราว หรืองานประมวลผลแบบแบตช์
ประโยชน์หลักของ Arena Allocators :
- ขจัดการเรียกใช้ free() แบบรายตัว
- ปรับปรุงความใกล้เคียงของแคชผ่านการจัดสรรแบบต่อเนื่อง
- ลดการกระจัดกระจายของหน่วยความจำ
- ทำให้การจัดการข้อผิดพลาดง่ายขึ้น (การจัดสรรไม่ค่อยล้มเหลว)
- เปิดใช้งานการยกเลิกการจัดสรรแบบกลุ่มในการดำเนินการเดียว
- การจัดตำแหน่งตามธรรมชาติกับรูปแบบอายุการใช้งานของออบเจ็กต์
การใช้งานเฉพาะภาษา
ภาษาโปรแกรมมิ่งต่างๆ ได้รับการจัดสรร arena ด้วยระดับการรวมที่แตกต่างกัน Zig ได้ทำให้พารามิเตอร์ allocator เป็นส่วนหลักของปรัชญาการออกแบบ โดยต้องการให้ฟังก์ชันที่จัดสรรหน่วยความจำระบุอย่างชัดเจนว่าจะใช้ allocator ตัวไหน แนวทางนี้ให้ความยืดหยุ่นในขณะที่รักษาความหมายของความเป็นเจ้าของที่ชัดเจน
นักพัฒนา Rust สามารถใช้ประโยชน์จากการจัดสรร arena ผ่านไลบรารีเช่น Bumpalo ในขณะที่ยังคงได้รับประโยชน์จากการรับประกันความปลอดภัยของภาษา การผสมผสานระหว่างการติดตาม lifetime ของ Rust กับการจัดสรร arena สร้างโอกาสสำหรับการปรับปรุงทั้งประสิทธิภาพและความปลอดภัย
แม้แต่ใน C , arena allocators สามารถลดความซับซ้อนของการจัดการหน่วยความจำโดยการขจัดความจำเป็นในการติดตามการจัดสรรแต่ละรายการ อย่างไรก็ตาม พวกมันไม่ได้แก้ไขปัญหาพื้นฐานของการจัดการหน่วยความจำด้วยตนเองในภาษาที่ไม่ปลอดภัย
การสนับสนุนภาษาโปรแกรมสำหรับ Arena Allocation:
- Zig: ระบบพารามิเตอร์ allocator ที่มีอยู่แล้วในตัว
- Rust: ไลบรารีอย่าง Bumpalo ที่มาพร้อมการรับประกันความปลอดภัย
- C: การใช้งานแบบแมนนวลที่มีความซับซ้อนลดลง
- PHP: โมเดลการจัดสรรหน่วยความจำแบบ per-request (รูปแบบ arena pattern โดยปริยาย)
ข้อพิจารณาเชิงปฏิบัติและการแลกเปลี่ยน
Arena allocators ทำงานได้ดีที่สุดเมื่อรูปแบบการจัดสรรสอดคล้องกับขอบเขต lifetime ที่ชัดเจน พวกมันเป็นเลิศในสถานการณ์เช่นการประมวลผลคำขอ ขั้นตอนการคอมไพล์ หรือการประมวลผลเฟรมเกมที่มีจุดทำความสะอาดตามธรรมชาติ
อย่างไรก็ตาม พวกมันไม่สามารถนำไปใช้ได้ในทุกกรณี แอปพลิเคชันที่มีอายุการใช้งานยาวนานพร้อมความสัมพันธ์ของออบเจ็กต์ที่ซับซ้อนอาจไม่ได้รับประโยชน์จากการจัดสรร arena แนวทางนี้ยังต้องการการพิจารณาอย่างรอบคอบเกี่ยวกับรูปแบบการใช้หน่วยความจำ เนื่องจาก arena จะยึดหน่วยความจำไว้จนกว่า arena ทั้งหมดจะถูกปลดปล่อย
ความปลอดภัยของเธรดเป็นข้อพิจารณาอีกประการหนึ่ง Arena แบบ thread-local แยกการจัดสรรตามเธรดโดยธรรมชาติ ซึ่งอาจปรับปรุงทั้งประสิทธิภาพและความปลอดภัย อย่างไรก็ตาม การแบ่งปันออบเจ็กต์ที่จัดสรรจาก arena ระหว่างเธรดต้องการการประสานงานเพิ่มเติม
รูปแบบการใช้งานพื้นฐานของ Arena Allocator:
typedef struct arena_t {
void*data;
size_t size;
size_t offset;
} arena_t;
void* arena_allocate(arena_t*arena, size_t size) {
void* ptr = arena->data + arena->offset;
arena->offset += size;
return ptr;
}
บทสรุป
Arena allocators เป็นตัวแทนของจุดกึ่งกลางที่เป็นจริงระหว่างการจัดการหน่วยความจำด้วยตนเองอย่างเต็มรูปแบบและการเก็บขยะ พวกมันเสนอประโยชน์ด้านประสิทธิภาพที่สำคัญและสามารถทำให้การทำความสะอาดทรัพยากรง่ายขึ้นในบริบทที่เหมาะสม แม้ว่าจะไม่ใช่ทางออกสากล แต่พวกมันให้เครื่องมือที่มีค่าสำหรับนักพัฒนาที่ต้องจัดการกับรูปแบบการจัดสรรที่คาดเดาได้และขอบเขต lifetime ที่ชัดเจน
เมื่อระบบซอฟต์แวร์ยังคงต้องการประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือที่ดีขึ้น กลยุทธ์การจัดสรร arena น่าจะได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางมากขึ้นในภาษาโปรแกรมมิ่งและโดเมนต่างๆ