Групповая сборка мусора в системах реального времени

ГРУППОВАЯ СБОРКА МУСОРА В СИСТЕМАХ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

М.В. Данилов

Многие современные системы программирования используют механизм сборки мусора. Применение этого механизма обеспечивает преимущества, которые, в частности, делают желательным его использование в системах реального времени (СРВ). Одним из препятствий использования сборки мусора в СРВ является низкая эффективность планирования приложения реального времени из-за продолжительного блокирования высокоприоритетных задач сборщиком мусора.

В данной статье рассматривается групповая сборка мусора - новый подход к организации сборки мусора в СРВ, позволяющий в ряде случаев в несколько раз сократить продолжительность интервалов блокирования прикладных задач.

Динамическое управление памятью. В системах с динамическим управлением памятью блоки памяти для размещения динамически формируемых программных объектов выделяются из специально зарезервированных в системе ресурсов: динамических областей памяти (ДОП). По завершении работы с динамическим объектом выделенная под него память возвращается системе и тем самым становится доступной для дальнейшего использования. Свойства системы с динамическим управлением памятью во многом определяют способ возвращения динамической памяти.

Многие системы программирования предоставляют приложениям средства только явного возвращения динамической памяти. Это означает, что прикладная программа в некоторой точке выполнения должна явно, посредством соответствующего вызова, вернуть системе освободившийся блок памяти. Требование явного возвращения памяти влечет много проблем, таких как увеличение объема кода приложения и внесение ограничений в его структуру. Кроме того, такой подход часто приводит к ошибкам типа утечки памяти и обращения к несуществующим объектам.

Подобные проблемы отсутствуют в системах с автоматическим возвращением динамической памяти. В системах, реализующих этот механизм, локализация объектов, не используемых приложениями, и возвращение занимаемых ими ресурсов производится автоматически, то есть на системном уровне. Автоматическое возвращение памяти зачастую имеет меньшие накладные расходы, чем явное [1].

Ненужные, неиспользуемые более объекты называются мусором, соответственно, системная задача, осуществляющая поиск мусора и возвращение памяти, называется сборщиком мусора, а реализуемый ею процесс - сборкой мусора (СМ).

Этапы СМ. Процесс СМ можно условно разбить на два этапа: обнаружение мусора и возвращение занимаемой им памяти. Техника возвращения памяти варьируется в различных алгоритмах СМ, в то время

как способ обнаружения мусора является общим для большинства современных алгоритмов. Алгоритм обнаружения мусора обычно определяется в терминах корневого множества (КМ) и графа достижимости объектов.

В момент начала СМ считается, что все элементы КМ используются прикладными задачами. КМ обычно составляют глобальные и статические переменные, локальные переменные, расположенные в стековом пространстве, и объекты, находящиеся в регистрах процессора. Далее в пошаговом режиме строится граф достижимости объектов ДОП из КМ. После построения графа принимается, что все входящие в него динамические объекты используются прикладными задачами. Прочие объекты считаются мусором.

Возвращение занимаемой мусором памяти часто заключается только в том, что она помечается как свободная и пригодная для повторного использования. Однако существует ряд перемещающих алгоритмов СМ. Алгоритмы СМ этого класса предусматривают перемещение расположенных в ДОП объектов, что позволяет предотвратить фрагментацию свободной памяти.

Неделимые и инкрементальные алгоритмы СМ. Простейшие алгоритмы СМ неделимы (эгор-апЛ-со11есг) - весь цикл СМ представляет собой процедуру, исключающую выполнение прикладных задач. Неделимые алгоритмы отличает максимальная простота и производительность. Низкие накладные расходы на сборщиков мусора данного класса определяются отсутствием переключений контекста между системной и прикладными задачами. Кроме того, на протяжении всего времени работы сборщика мусора граф достижимости динамических объектов не подвергается изменениям, то есть не возникает необходимости осуществлять какую-либо синхронизацию действий сборщика мусора и прикладных задач. Неделимые алгоритмы подходят для использования в пакетных системах, для которых важна производительность и отсутствуют требования своевременности реакции на внешние события.

В системах, где приостановка выполнения всех задач на время выполнения полного цикла СМ недопустима, используют инкрементные алгоритмы. Работа инкрементных сборщиков мусора представляет собой не одну неделимую операцию, а последовательность небольших по времени квантов, чередующихся с выполнением прикладных задач. При этом возникает проблема, состоящая в том, что между двумя соседними квантами работы сборщика мусора прикладные задачи могут производить изменения в графе достижимости динамических объектов. Поэтому необходимо предусматривать возможность сохранения информации о подобных изменениях с последующей коррекцией внутренних структур дан-

36

ных. Для согласования работы приложений и сборщика мусора необходимо выполнять синхронизирующие операции, роль таких операций выполняют барьеры [2]. Барьеры представляют собой дополнительные инструкции к выполняемым прикладными задачами операциям над указателями. Еще один источник издержек - появляющийся мусор (floating garbage). Суть проблемы заключается в том, что некоторые объекты, уже помеченные инкрементным сборщиком мусора как используемые, становятся недостижимыми вследствие действий приложения. Таким образом, за счет увеличения накладных расходов на СМ инкрементные алгоритмы значительно расширяют область применения систем с автоматическим возвращением памяти.

СМ в СРВ. Критерий эффективности механизма СМ во многом определяется спецификой требований к прикладным программам. Так, для большинства вычислительных систем под эффективностью понимают высокую производительность. В СРВ производительность является необходимой составляющей эффективности, но не достаточной. Не менее важна степень влияния СМ на время выполнения прикладных задач. Алгоритм СМ для СРВ должен гарантировать только небольшие и ограниченные задержки выполнения прикладных задач.

В СРВ обычно используется вытесняющее планирование, основанное на фиксированных приоритетах задач. В этом случае сборщик мусора можно представить задачей с максимальным приоритетом, на время работы которой блокируется выполнение всех прикладных задач [3]. Как правило, в СРВ используются инкрементные алгоритмы СМ. Проблема со сборщиками мусора реального времени определяется относительностью понятия небольшой задержки. Что для ряда приложений является приемлемым, то для приложений другого класса недопустимо. Хорошим критерием применимости алгоритма СМ в конкретной системе является успешный исход анализа выполнимости.

С точки зрения анализа выполнимости поведение каждой i-й задачи характеризуется тремя параметрами: Т - период задачи, Ci - время выполнения задачи и Di - относительный срок выполнения задачи. Приоритет прикладной задачи выбирается с учетом значений этих параметров. Сборщик мусора -задача с максимальным приоритетом - также характеризуется периодом (TGC) и временем выполнения (CGC). Анализ выполнимости заключается в нахождении времени отклика (R) прикладных задач реального времени. Время отклика вычисляется по формуле:

Ri = Cj + z

jEhp

Cj+

Ri

Tg

GC,

где Ьр(1) - множество задач с приоритетами большими, чем приоритет 1-й задачи.

Приложение считается выполнимым, если время отклика каждой задачи не превышает относительного срока выполнения. Как видно из формулы, желательно, чтобы сборщик мусора запускался как можно реже и каждый раз работал как можно меньше.

Важным показателем качества алгоритма СМ для СРВ является время, необходимое для сканирования КМ. Проблема заключается в том, что элементы КМ - наиболее часто используемые объекты, и использование барьеров при доступе к ним приводит к неоправданно большим накладным расходам. Поэтому операция сканирования КМ обычно выполняется как атомарная, что часто является основным ограничением на уменьшение продолжительности (времени выполнения) кванта работы сборщика мусора.

СМ оказывает большое влияние на реактивность системы и время выполнения высокоприоритетных задач [4,5]. Работа с графом достижимости требует синхронизации со всеми прикладными задачами. В этом случае тело сборщика мусора представляет собой одну сплошную критическую секцию. По этой причине сборщику мусора назначается максимальный приоритет. Однако назначению сборщику мусора временных параметров, соответствующих максимальному приоритету, часто мешает ряд ограничений, например, время сканирования КМ. При этом проявляется инверсия приоритетов [6], которая значительно снижает эффективность планирования. Однако продолжительность инверсии приоритетов неоправданно велика. Действительно, выполнение высокоприоритетной задачи откладывается, в том числе и на время СМ, создаваемого низкоприоритетной задачей, в общем случае не имеющей к высокоприоритетной никакого отношения.

СМ, основанная на приоритетах. Назначение сборщику мусора максимального приоритета фактически означает применение синхронизирующего протокола невытесняемых критических секций (ПНКС). Согласно этому протоколу на время работы с разделяемым ресурсом задача объявляется невы-тесняемой, что равносильно назначению ей максимального приоритета. Достоинство ПНКС заключается в его простоте, недостаток - в большой продолжительности инверсии приоритетов. Значительно меньшую продолжительность инверсии приоритетов обеспечивают более гибкие протоколы синхронизации, основанные на понятии порогового приоритета [7], например, протокол превентивного наследования приоритетов (ППНП).

Суть протокола ППНП заключается в том, что каждому ресурсу ставится в соответствие некий параметр - пороговый приоритет ресурса. Пороговый приоритет ресурса равен высшему приоритету задачи из числа задач, использующих этот ресурс. Приоритет задачи, занимающей ресурс, повышается (на все время выполнения критической секции) до уровня порогового приоритета данного ресурса. Применительно к предмету рассмотрения это означает, что для большей эффективности работы системы в каждый момент времени приоритет сборщика мусора должен определяться пороговым приоритетом собираемого мусора. Действительно, динамический объект потенциально может быть достижим из элементов КМ, принадлежащих различным задачам, при этом некоторые объекты ДОП являются разделяемыми ресурсами.

37

СМ в соответствии с протоколом превентивного наследования - вариант экстремальный. С одной стороны, он обеспечивает высокую эффективность планирования многозадачного приложения, с другой стороны, объем информации, необходимой для определения приоритета сборщика мусора, очень велик. Каждый динамический объект рассматривается как потенциально разделяемый ресурс, то есть каждому объекту или группе объектов должен ставиться в соответствие пороговый приоритет. Последнее обстоятельство также обязывает выполнять достаточно трудоемкий анализ кодов прикладных задач с целью определения круга задач, потенциально имеющих доступ к динамическим объектам.

В связи с большими накладными расходами следует признать СМ в соответствии с ППНП подходом с ограниченным кругом применения. Предлагаемый ниже протокол защиты разделяемых ресурсов, использующий дополнительную информацию о структуре многозадачного приложения реального времени, позволяет уменьшить продолжительность инверсии приоритетов при сохранении объема информации на приемлемом уровне.

Группы логически связанных задач. Приложение реального времени традиционно представляется в виде множества задач ТЦт^т^..,"^}. Его также можно рассматривать как множество групп задач G={g1,g2,...,gm}, где каждая группа суть множество логически связанных задач реального времени [8]. Причем группы не пересекаются, каждая задача может входить в состав только одной группы, а задачи из разных групп независимы.

Требования групп к аппаратным ресурсам системы определяют затраты процессорного времени, необходимого для решения каждой задачи в отдельности, и требования к оперативной памяти. Причем требования к памяти формулируются скорее для группы в целом, чем для каждой задачи в отдельности. Задачи могут совместно использовать динамические структуры данных. Поэтому рассмотрение требований прикладных задач к объему памяти в отдельности может привести к пессимистической оценке общего количества памяти, необходимой для корректной работы приложения в целом.

Протокол локально невытесняемых критических секций (ПЛНКС). Суть предлагаемого протокола заключается в том, что задача, занимающая разделяемый ресурс, становится невытесняемой локально, то есть невытесняемой прикладными задачами, входящими в одну с ней группу. Необходимый эффект может быть достигнут за счет введения нового параметра - локального порогового приоритета группы (ё), численно равного высшему приоритету задачи, входящей в эту группу:

ceilg = maxpri¡.

¡Её

Приоритет задачи, занимающей ресурс, повышается (на все время выполнения критической секции) до уровня локального порогового приоритета группы, элементом которой она является.

По своим характеристикам, таким как эффективность планирования и накладные расходы на реали-

зацию, ПЛНКС занимает промежуточное положение между оригинальным ПНКС и ППНП. ПЛНКС обеспечивает меньшую эффективность планирования, чем ППНП. Однако он также позволяет значительно уменьшить эффект инверсии приоритетов, при этом накладные расходы на организацию СМ остаются на уровне, приемлемом для большинства приложений.

Групповая СМ. Суть предлагаемого подхода к реализации СМ в СРВ характеризуется двумя основными положениями. Во-первых, процедура СМ выполняется для каждой группы в отдельности. Во-вторых, приоритет сборщика мусора устанавливается равным се!1в+1, где сеИв - локальный пороговый приоритет соответствующей группы. При этом прикладные задачи на приоритетной шкале раздвигаются, освобождая приоритетные уровни для сборщика мусора.

Число задач, выполняющих СМ (число сборщиков мусора), определяется количеством групп в системе. Каждый !-й сборщик мусора характеризуется периодом (Т1сс) и временем выполнения (С1сс). При такой постановке задачи формула для вычисления времени отклика прикладной задачи приобретает вид:

И! = С + Е

.¡ЕЬрО)

с. + Е И! "

тГ .¡ЕЬрО) TGC

с.с.

В случае, когда сборщики мусора имеют не максимальный приоритет в системе, для них также становится актуальным анализ выполнимости. При этом относительный срок выполнения сборщика мусора принимается равным его периоду. Тогда

RGC:

+ Е

.¡еЬр(0

с. +

Е

.¡еЬр(0

TGC

с^.

Предлагаемый подход обеспечивает повышение эффективности планирования СМ для СРВ. За счет незначительного увеличения объема информации о структуре многозадачного приложения и соответствующего увеличения накладных расходов достигается уменьшение продолжительности инверсии приоритетов. Действительно, как видно из формулы (4), выполнение высокоприоритетной задачи откладывается теперь только на время, необходимое для СМ, созданного задачами, входящими в состав групп, чей локальный пороговый приоритет больше приоритета данной задачи. Активная работа прочих задач с объектами, расположенными в ДОП, теперь не влияет на время отклика высокоприоритетной задачи.

Разбиение приложения на группы логически связанных задач определяет разбиение КМ на подмножества, сканировать которые можно независимо. Возможность разбиения процесса сканирования КМ без установки барьеров на его элементы значительно расширяет область, в рамках которой производится выбор временных параметров сборщика мусора.

Рассмотрим на примере, как использование групповой СМ позволяет добиться выполнимости многозадачного приложения реального времени, невыполнимого в случае назначения сборщику мусора максимального приоритета.

38

Приложение реаль- Таблица 1

ного времени представ- Исходные параметры ляет собой две группы приложения,

и &), состоящие из традиционный подход трех задач (Ть Т2, Т3). Временные параметры задач приведены в таблице 1. Группы g1 и йг вносят разный вклад во время выполнения

сборщика мусора 1 и 2 соответственно, причем квант сборщика мусора не может быть уменьшен из-за требования неделимости операции сканирования КМ. Распределение приоритетов и расчет времени отклика задач (см. табл. 2) показывают, что в случае назначения сборщику мусора максимального приоритета прикладная задача не укладывается в установленные сроки выполнения (Б<Ю.

В соответствии с групповой СМ необходимо выделить две задачи для СМ, по одной на каждую группу (см. табл. 3). Сборщик мусора группы (ОС!) получает максимальный приоритет. Сборщику мусора группы (ОС2) назначается приоритет в соответствии с локальным пороговым приоритетом второй группы, на приоритетной шкале ОС2 будет располагаться между задачами Т1 и Т3 (см. табл. 4). Расчет времени отклика показывает, что все задачи, включая сборщики мусора, выполняются в установленные сроки.

В дополнение к повышению эффективности планирования переход к групповой СМ также способствует повышению надежности и гибкости системы.

Повышение надежности. В системах, в которых величина кванта СМ определяется временем сканирования КМ, особенно важным становится получение точного значения времени сканирования в худшем случае, которое определяется максимально возможным размером КМ. Если в ходе работы системы какая-либо задача превысит свой лимит на раз-

мер КМ, это может привести к увеличению времени сканирования КМ сверх запланированного значения и, как следствие, к нарушению временных ограничений других задач. Переход к СМ для каждой группы в отдельности позволяет снизить область распространения ошибок такого рода за счет разделения времени сканирования КМ и разнесения процесса СМ по различным приоритетным уровням.

В ряде случаев целесообразным является выделение отдельной ДОП для каждой группы. Суммарный размер множества ДОП не будет превышать размера единой, так как требования к памяти различных групп задач независимы по определению. Необходимость поддерживать несколько ДОП одновременно [9] может окупиться повышением отказоустойчивости всей системы. Действительно, соблюдение всех сроков выполнения прикладных задач гарантируется только в том случае, если на этапе разработки системы требования к оперативной памяти были сформулированы реалистично, без оптимизма. Если в ходе работы системы с одной ДОП какая-либо задача превысит свой лимит на используемый объем памяти, это может привести к нехватке памяти для всех задач в системе. Дефицит динамически выделяемой памяти может привести к нарушению временных ограничений прикладных задач. Разделение одной ДОП на несколько ограничивает область распространения ошибок такого рода пределами одной группы.

Повышение гибкости. Идея раздельной СМ открывает еще одну полезную возможность - для разных частей приложения можно собирать мусор по-разному, то есть с использованием различных алгоритмов. Эта возможность актуальна для неоднородных приложений реального времени. Допустим, что к задачам реального времени добавлена фоновая задача без временных ограничений и с требованием большого количества вычислительных ресурсов. Использование единой инкрементной стратегии СМ для всего приложения приведет к низкой эффективности использования процессорного времени. Большую эффективность может обеспечить решение об использовании инкрементного алгоритма СМ для задач реального времени и неделимого алгоритма СМ для фоновой активности. Следует заметить, что для организации СМ по различным алгоритмам не требуется разделения ДОП на несколько самостоятельных подобластей.

В случае выделения отдельной ДОП для каждой группы также возможно использование различных дисциплин выделения памяти в разных ДОП. Так, для обслуживания задач с повышенными требованиями к надежности может использоваться специальная дисциплина управления динамической памятью с блоками фиксированного размера. В этом случае некоторое снижение эффективности использования памяти окупается повышением предсказуемости механизма управления памятью.

Список литературы

1. Wilson P.R. Uniprocessor garbage collection techniques. Technical report, University of Texas at Austin, 1994.

2. Wilson P.R., Johnstone M.S. Real-time non-copying

39

Группа Задача C T D

gl Т2 3 8 4

Т2 2 32 32

g2 Тз 1 16 16

- GC 3 16 16

Таблица 2

Рассчитываемые параметры приложения, традиционный подход

Группа Задача C T D P R

- GC 3 16 16 4 3

g1 Т1 3 8 4 3 6

g2 Т3 1 16 16 2 7

g1 Т2 2 32 32 1 12

Таблица 3 Исходные параметры приложения, групповая СМ

Группа Задача C T D

g1 Т1 3 8 4

Т2 2 32 32

- GC1 1 16 16

g2 Т3 1 16 16

- GC2 2 16 16

Таблица 4 Рассчитываемые параметры приложения, групповая СМ

Группа Задача C T D P R

- GC1 1 16 16 5 1

g1 Т1 3 8 4 4 4

- GC2 2 16 16 3 6

g2 Т3 1 16 16 2 7

g1 Т2 2 32 32 1 12

garbage collection. Technical report, University of Texas at Austin, 1993.

3. Kim T., Chang N., Kim N., Shin H. Scheduling Garbage Collector for Embedded Real-Time Systems. Technical report, Seoul National University.

4. The real-time specification for Java. http://www.rtj.org.

5. International J consortium specification. Real-time Core extensions. www.j-consortium.org.

6. Никифоров В.В., Данилов М.В. Статическая обработка

спецификаций программных систем реального времени. //Программные продукты и системы.- 2000.- №4.- С.13-18.

7. Henriksson R. Scheduling garbage collection in embedded systems. Lund, 1998.

8. Nilsen K., Lee S. PERC real-time API. NewMonics Inc.,

1997.

9. Wilson P.R., Johnstone M.S., Neely N., Boles D. Dynamic storage allocation: a survey and critical review. Technical report, University of Texas at Austin, 1995.

МЕЖДУНАРОДНЫЙ СТАНДАРТ OSEK/VDX ДЛЯ ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

М.П. Червинский

Одной из тенденций совершенствования конструкций современных автомобилей является расширяющееся внедрение встроенных компьютерных систем. Соответственно растет объем производства автомобильных приложений реального времени -программных продуктов, обеспечивающих функционирование этих систем. Рост объема производства сопровождается ужесточением сроков разработки программных приложений, требований снижения их стоимости с одновременным улучшением надежности, мобильности, пригодности к повторному использованию при разработке новых продуктов.

Перечисленные факторы стимулируют разработку стандартов, регламентирующих архитектурные и технологические решения, специфицирующие программные и сетевые интерфейсы для автомобильных приложений реального времени. Подобные стандарты должны способствовать расширению возможностей интеграции программных продуктов, производимых различными поставщиками программных средств. Во внедрении таких стандартов заинтересованы и крупные автомобилестроительные концерны, ("Крайслер", БМВ, "Фольксваген" и другие), стремящиеся к созданию конкуренции на рынке программных продуктов, которые они используют, потому что конкуренция позволяет приобретать программные продукты поставщиков, предлагающих наилучшее соотношение цена/качество. Для того чтобы смена поставщика не приводила бы к необходимости переработки значительной части приложений, производители требуют использования стандартов всеми поставщиками программных продуктов.

Большинство встроенных систем, применяемых в транспортных средствах, являются приложениями жесткого реального времени. Обработка событий, возникающих в них, ограничивается жесткими сроками, нарушение которых могло бы привести к катастрофическим последствиям [1]. В настоящее время основной технологией, применяемой для создания автомобильных приложений реального времени и, в частности, приложений жесткого реального времени, становится использование ядра, или операционной системы реального времени (ОСРВ). ОСРВ позволя-

ет разработчикам приложений гарантировать работоспособность приложения на протяжении всего цикла работы системы при условии правильного выбора приоритетов задач и правильного проектирования приложения. Необходимость стандартизации автомобильных приложений, строящихся на базе ОСРВ, привела к созданию в 1995 году международного комитета, осуществляющего проект OSEK/VDX создания международных стандартов, регламентирующих разработку программных средств для компьютерных систем, встраиваемых в автомобили.

Проект OSEK/VDX был инициирован группой ведущих европейских производителей транспортных средств (автомобилей), большинство из которых находятся в Германии. Именно поэтому выбранная аббревиатура OSEK является сокращением немецкого названия «Offene Systeme und deren Schnittstellen für die Elektronik im Kraftfahrzeug» - «Открытые системы и интерфейсы для автомобильной электроники». Сокращение же VDX означает «Vehicle Distributed eXecutive» - название другого проекта, интеграция с которым произошла практически одновременно с началом проекта OSEK. Таким образом, даже название проекта и серии стандартов отражает интернациональный характер разработки с некоторым доминированием немецких производителей.

В рамках проекта OSEK/VDX разрабатываются несколько стандартов.

1. OSEK/VDX OS (Operating System) - спецификация ОСРВ [2]. Спецификация содержит описание архитектуры ОС, определение программного интерфейса ОС, которое следует использовать приложению, а также детальное описание поведения ОС и ее компонент. Следует отметить, что стандарт специфицирует по сути архитектуру и функции ядра реального времени, а не полноценную ОС, так как не содержит таких существенных компонент ОС, как, например, подсистема управления вводом-выводом, или подсистема распределения памяти.

2. OSEK/VDX COM (Communication) - спецификация сетевой подсистемы [3]. Спецификация определяет программные интерфейсы и протоколы, предназначенные для передачи данных между узла-

40