Пособие по практике программирования



Управление ресурсами

Одна из наиболее серьезных проблем, требующих решения при проектировании интерфейса библиотеки (а также класса или пакета), — это управление ресурсами, которыми библиотека распоряжается самостоятельно или совместно с вызывающим ее окружением. Наиболее важным из таких ресурсов является память: кто должен ее выделять и высвобождать? Кроме того, среди других ресурсов есть открытые файлы, а также переменные, значения которых представляют общий интерес. Грубо говоря, проблемы с ресурсами можно разделить на инициализацию, поддержание заданного состояния, совместное использование и копирование, а также высвобождение.

В прототипе нашего пакета CSV для задания начальных значений указателей, счетчиков и прочих подобных вещей применялась статическая инициализация. Однако подобный подход довольно ограничен: мы не можем вернуть библиотеку в начальное состояние после того, как были вызваны какие-либо функции этой библиотеки. Альтернативный способ инициализации — создание отдельной специальной функции, которая бы устанавливала все внутренние переменные в корректные начальные значения. При таком подходе возврат в стартовое состояние возможен в любой момент, даже после вызова функций библиотеки, однако пользователь должен будет сам вызывать эту функцию явным образом. Для этой цели функция reset из второй версии библиотеки могла бы быть сделана видимой (то есть public).

В C++ и Java для инициализации данных внутри класса используются конструкторы. Должным образом определенные конструкторы дают нам гарантию, что все данные класса инициализированы и способа создать неинициализированный объект не существует. Набор конструкторов может поддерживать различные виды инициализации. Так, мы могли бы снабдить Csv конструктором, получающим имя файла, или конструктором, получающим входной поток.

А как насчет копирования информации, обрабатываемой библиотекой, — такой, как вводимые строки и поля? Наша С-программа csvgetline предоставляет прямой доступ к вводимым данным (строкам и полям), возвращая указатели на них. У такого свободного доступа существует ряд недостатков. Пользователь может перезаписать память, так что информация окажется некорректной. Например, выражение вроде

strcpy(csvfield(1), csvfield(2));

может в целом ряде случаев сработать некорректно, — скорее всего, перезаписав начало второго поля, если оно окажется длиннее первого. Пользователь библиотеки должен сделать копию всей информации, которую нужно будет сохранить после очередного вызова csvgetline. Так, после выполнения вот такого фрагмента кода, указатель вполне может оказаться неверным, если второй вызов csvgetline приведет к новому выделению памяти для буфера строк:



Версия на C++ безопаснее, поскольку строки в ней являются всего лишь копиями, которые можно менять как заблагорассудится.

Java использует ссылки для обращения к объектам, то есть ко всему, кроме базовых типов вроде int. Это более эффективно, чем создание копий, однако пользователь может быть введен в заблуждение, считая, что ссылка является копией; ошибка подобного рода имела место в ранней Java-версии программы markov. Надо сказать, что данная проблема является вечным источником ошибок при работе со строками С. Не стоит забывать, что при необходимости создания копии методы клонирования позволяют вам сделать и это.

Обратной стороной инициализации или конструирования чего-либо, является его финализация (finalization), или деструкция, — то есть очистка и высвобождение ресурсов после того, как они больше не нужны. Особенно важно высвобождение памяти. Очевидно, что программе, которая не высвобождает неиспользуемую память, этой самой памяти в какой-то момент не хватит. Как ни странно, большая часть современных программ страдает этим недостатком. Схожая проблема возникает и в ситуации, когда приходит время закрывать открытые файлы: если данные были буферизованы, этот буфер нередко надо уничтожить (а память, занимаемую им, очистить). Для функций стандартной библиотеки С высвобождение происходит автоматически после нормального окончания работы программы, все остальные случаи должны обрабатываться программой. В С и C++ стандартная функция atexit предоставляет способ получить управление непосредственно перед тем, как программа будет завершена нормально; создателям интерфейсов не стоит пренебрегать такой возможностью для высвобождения ресурсов.

Высвобождайте ресурсы на том же уровне, где выделяли их. Хороший способ управления выделением и высвобождением ресурсов —возложить ответственность за освобождение ресурса на ту же библиотеку, пакет или интерфейс, которые выделяют этот ресурс. Можно выразить эту мысль и другими словами: состояние ресурса не должно меняться в пределах интерфейса. Все функции наших библиотек CSV считывали данные из уже открытых файлов, и по окончании работы они оставляли файлы открытыми. Закрытием файлов должны были заниматься те, кто их открывал, то есть пользователи библиотеки.

Конструкторы и деструкторы C++ помогают строго выполнять это правило. Когда экземпляр класса выходит из области видимости или явным образом уничтожается, вызывается деструктор. В этом деструкторе можно уничтожать буферы, освобождать память, возвращать значения в исходное состояние и делать вообще все, что необходимо. В Java подобного механизма нет. Можно определить для класса метод финали-зации, однако нельзя быть уверенными, что он будет выполнен вообще, не говоря уже о том, чтобы выполниться в какое-то конкретное время. Таким образом, нельзя дать гарантий, что действия по высвобождению ресурсов будут выполнены, хотя зачастую можно предполагать, что это все же произойдет.

В Java, однако, существует механизм, оказывающий огромную помощь в управлении ресурсами, — встроенная сборка мусора (garbage collection). При запуске программы выделяется память под новые объекты. Способа удалить их явным образом просто нет, однако некая система времени исполнения отслеживает, какие объекты все еще используются, а какие нет, и периодически удаляет неиспользуемые.

Существуют различные способы реализации сборки мусора. В некоторых схемах отслеживается счетчик ссылок (reference count) — некоторое число, показывающее, сколькими объектами используется интересующий нас объект. Объект высвобождается, как только счетчик ссылок становится равным нулю. Эту технологию можно реализовать явным образом в С и C++ для управления совместно используемыми объектами. Другой алгоритм периодически ищет связи между выделенной областью памяти и всеми объектами, на которые имеются ссылки. Объекты, обнаруживаемые при этом, кем-то используются, объекты же, на которые никто не ссылается, соответственно, не используются и могут быть уничтожены.

Наличие автоматической сборки мусора не означает, что при проектировании можно оставить вопросы управления ресурсами без внимания. Нам все равно надо определить, возвращает ли интерфейс ссылки на совместно используемые объекты или их копии, а это оказывает большое влияние на всю программу. И вообще, бесплатной сборки мусора не бывает, за нее приходится платить дополнительными расходами на поддержание информации и высвобождение неиспользуемой памяти; кроме того, невозможно предсказать моменты, когда эта сборка мусора заработает.

Все описанные проблемы становятся еще более запутанными, если библиотека должна использоваться в среде, где ее функции могут исполняться одновременно в нескольких нитях управления — как, например, в многонитевой программе на Java.

Чтобы избежать лишних проблем, необходимо писать реентерабельный (reentrant, повторно вызываемый) код, то есть код, который бы работал вне зависимости от количества одновременных его вызовов. В реентерабельном коде не должно быть глобальных переменных, статических локальных переменных, а также любых других переменных, которые могут быть изменены в то время, как их использует другая нить. Основой хорошего проекта многонитевой программы является такое разделение компонентов, при котором они не могут ничего использовать совместно иначе, чем через должным образом описанный интерфейс. Библиотеки, в которых по небрежности переменные доступны для совместного использования, способны разрушить многонитевую модель. (В многонитевой программе использование st rtok может привести к ужасным последствиям, поскольку существуют другие функции из библиотеки С, которые хранят значения во внутренней статической памяти.) Если переменная может быть использована несколькими процессами, то необходимо предусмотреть некий блокирующий механизм, который бы давал гарантию, что в любой момент времени с ними может работать только одна нить. Здесь очень полезны классы, поскольку они создают основу для обсуждения моделей совместного использования и блокировки. Синхронизированные методы в Java предоставляют нити управления способ заблокировать целый класс или его экземпляр от одновременного изменения другой нитью; синхронизированные блоки разрешают только одной нити за раз выполнять фрагмент кода.

Многонитевое управление добавляет немало новых сложностей во многие аспекты проектирования и программирования; тема эта чересчур обширна, чтобы обсуждать ее в деталях на страницах этой книги.

Назад Начало Вперед