جمع آوری زباله با پشتیبانی سخت افزاری

جمع آوری زباله با پشتیبانی سخت افزاری

جمع آوری زباله با پشتیبانی سخت افزاری به روش‌هایی گفته می‌شود که در آن بخشی از فرایند مدیریت حافظه نه توسط نرم‌افزار، بلکه توسط سخت‌افزار انجام می‌شود. در این روش، پردازنده یا سیستم حافظه وظایفی مانند تخصیص شیء، ردیابی ارجاع‌ها یا مراحل نشانه‌گذاری و پاک‌سازی را سریع‌تر و کارآمدتر انجام می‌دهد. این فناوری بیشتر در سامانه‌های بی‌درنگ، سامانه‌های نهفته و محیط‌هایی با عملکرد بالا استفاده می‌شود؛ جایی که تأخیرهای ناشی از جمع‌آوری زباله نرم‌افزاری قابل‌قبول نیست.

تاریخچه

پژوهش‌های اولیه درباره این موضوع به دهه ۱۹۹۰ بازمی‌گردد و در آن زمان بیشتر به‌صورت شبیه‌سازی انجام می‌شد. در دهه ۲۰۰۰، پیشنهادهایی برای استفاده از سخت‌افزار در جمع‌آوری زباله مخصوص سامانه‌های نهفته و بی‌درنگ ارائه شد. نمونه‌های اولیه این ایده در برخی ماشین‌های Lisp قابل مشاهده بود. بعدها طرح‌هایی مانند «ماژول حافظه دارای جمع‌کننده زباله» یا پردازنده‌های Vega شرکت Azul معرفی شدند که سخت‌افزار ویژه‌ای برای کاهش تاخیر در جمع‌آوری زباله داشتند. با کند شدن روند پیشرفت پردازنده‌ها و افزایش استفاده از زبان‌های دارای جمع‌آورنده زباله، توجه به این حوزه دوباره افزایش یافت.

سازوکارها

پشتیبانی سخت‌افزاری ممکن است شامل دستورالعمل‌های اضافی برای تخصیص حافظه، رهگیری ارجاع‌ها یا اجرای سریع‌تر مراحل جمع‌آوری باشد. برخی معماری‌ها قابلیت نشانه‌گذاری با بیت‌مپ یا نشانه‌گذاری هم‌زمان را اضافه می‌کنند تا وقفه‌های برنامه‌ کمتر شود. در رایانش ابری نیز استفاده از سخت‌افزار برای شتاب‌دهی نقاط حساس جمع‌آوری زباله می‌تواند عملکرد را به‌طور قابل‌ توجهی افزایش دهد. همچنین طرح‌های نسل‌محور با کمک سخت‌افزار بهتر می‌توانند در سامانه‌های بی‌درنگ مورد استفاده قرار گیرند.

کاربردها

این فناوری بیشتر در ماشین‌های مجازی مربوط به رایانش ابری استفاده می‌شود و باعث کاهش سربار نرم‌افزاری می‌گردد. در زبان‌های تابعی که به جمع‌کننده‌های هم‌زمان نیاز دارند نیز پشتیبانی سخت‌افزاری می‌تواند به بهبود عملکرد کمک کند. علاوه بر این، شتاب‌دهنده‌های سخت‌افزاری برای اجرای جمع‌آوری زباله ردیابی در معماری‌های جدید پیشنهاد داده شده‌اند.

نمونه‌های اجرا شده

در طول سال‌ها چندین نمونه از سیستم‌ها یا پردازنده‌هایی که از این روش استفاده می‌کنند معرفی شده‌اند، مانند:

سیستم Symbolics 3600 در سال ۱۹۸۳ که از برچسب‌گذاری در سطح واژه و عملیات مخصوص فهرست‌ها استفاده می‌کرد.

طرح IBM Wortmann GC FPGA در سال ۲۰۱۴ که یک اسکن‌کننده حافظه در سطح سخت‌افزار ارائه داد.

پردازنده‌های Vega شرکت Azul که در سال ۲۰۱۰ به دستورهای ویژه و واحدهای هم‌زمان مجهز بودند.

ویژگی MTE در معماری Armv9-A در سال ۲۰۲۱ که از برچسب‌گذاری حافظه و اشاره‌گر استفاده می‌کند.

کارایی

در آزمایش‌های انجام‌شده، سپردن مرحله نشانه‌گذاری به سخت‌افزار توانسته زمان جمع‌آوری زباله را بین ۶۵ تا ۸۰ درصد کاهش دهد و زمان کلی اجرای برنامه را تا ۲۵ درصد کمتر کند. مطالعات مربوط به اجرای JVM در مراکز داده نشان داده‌اند که فناوری C4 روی سخت‌افزار Vega شرکت Azul توانسته است وقفه‌ها را به کمتر از یک میلی‌ثانیه برساند.

مزایا و چالش‌ها

پشتیبانی سخت‌افزاری جمع‌آوری زباله باعث افزایش کارایی، کاهش وقفه‌ها و بهبود عملکرد در سامانه‌های بی‌درنگ می‌شود. با این‌حال، نیاز داشتن به سخت‌افزار اختصاصی ممکن است مانع از گسترش استفاده آن در پردازنده‌های عمومی شود.

 منابع 

رده:مقاله‌های ایجادشده توسط ایجادگر
رده:زباله جمع‌کن (علوم رایانه)
رده:معماری رایانه
رده:حافظه رایانه