Виртуальная система выполнения. Автоматическое управление памятью

Виртуальная система выполнения (Virtual Execution System - VES) представляет собой абстрактную виртуальную машину, способную выполнять управляемый код. Можно сказать, что виртуальная система выполнения существует только "на бумаге", потому что ни одна из реализаций CLI не содержит интерпретатора CIL-кода (вместо этого используется JIT-компилятор, транслирующий инструкции CIL в команды процессора). Другими словами, виртуальная система выполнения не зря называется виртуальной (то есть мнимой), ее предназначение - служить образцом, которому должна соответствовать любая реализация CLI. Какую бы технологию ни использовала эта реализация для выполнения программ, эта технология должна работать так же, как работала бы виртуальная система выполнения.

Если сравнить CLI с ее ближайшим конкурентом - платформой Java, можно прийти к выводу, что VES является значительно более абстрактной моделью, чем виртуальная машина Java (Java Virtual Machine - JVM). Причина такого отличия кроется в том, что изначально Java была ориентирована на реализацию в бытовых приборах. При этом, естественно, подразумевалось, что байт-код Java будет непосредственно выполняться специальными процессорами, и поэтому JVM является фактически спецификацией такого процессора. Аппаратная реализация VES никогда даже не предполагалась, и это позволило избежать при составлении ее спецификации ненужных деталей, дав тем самым каждой реализации CLI большую свободу выбора наиболее оптимальной стратегии выполнения CIL-кода.

Состояние виртуальной машины

Изучение работы виртуальной машины CLI заключается в том, чтобы понять, что представляет собой состояние виртуальной машины и как это состояние меняется во времени. В этом разделе мы не будем затрагивать вопрос изменения состояния, так как оно связано с выполнением инструкций языка CIL, разговор о котором мы отложим до третьей главы нашего учебника.

На рис. 1.9 показана схема состояния виртуальной машины, из которой видно, что виртуальная машина может выполнять сразу несколько нитей (threads). Как уже говорилось ранее, виртуальная машина является всего лишь моделью поведения конкретных реализаций CLI, поэтому мы будем предполагать, что все нити выполняются параллельно. На самом деле, нити могут работать как параллельно, так и в режиме вытесняющей многозадачности, могут отображаться на процессы или на нити операционной системы, а могут и не отображаться. Сейчас для нас такие детали не имеют значения.

Рис. 1.9. Состояние виртуальной машины

Состояние виртуальной машины является совокупностью состояний нитей и состояния кучи.

Состояние нити представляет собой односвязный список состояний методов. Метод, состояние которого находится в самом конце этого списка, является активным, то есть выполняемым в данный момент времени. Если активный метод вызовет другой метод, то в конец списка будет добавлено новое состояние для вызываемого метода. Если же активный метод закончит свою работу, то его состояние будет удалено из списка.

Такая схема состояния нити является абстракцией традиционной модели последовательности вызовов методов. Традиционная модель предполагает наличие для каждой нити единого стека, в котором для каждого вызванного метода размещаются его параметры, локальные переменные, а также служебная информация, необходимая для обеспечения возврата управления в вызвавший метод. Разработчики спецификации CLI сознательно отказались от использования в явном виде единого стека вызовов. Это позволяет реализациям CLI выбирать наиболее эффективные соглашения о вызовах и размещении данных в стеке, учитывая особенности конкретных аппаратных средств.

Состояние кучи определяется состояниями содержащихся в ней объектов. Спецификация VES содержит упоминание о том, что допустимо существование сразу нескольких куч (например, реализация CLI может ранжировать объекты по размеру и использовать для их хранения разные кучи). Однако на рис. 1.9 изображена только одна куча, так как, по нашему мнению, количество куч определяется конкретными реализациями CLI и для понимания работы VES не существенно.

Спецификация VES предполагает, что для удаления ненужных объектов из кучи будет использоваться какой-либо алгоритм автоматического управления памятью. При этом детали такого алгоритма не рассматриваются, то есть в реализациях CLI могут применяться различные алгоритмы сборки мусора.

В заключение необходимо отметить, что состояния нитей и состояние кучи должны находиться в общем адресном пространстве. При этом параметры и локальные переменные метода являются частью состояния метода и, следовательно, видимы только для нити, в которой этот метод выполняется. Однако они могут содержать ссылки на объекты, размещенные в куче и видимые для других нитей. Поэтому изменение объекта в куче из одной нити может повлиять на работу других нитей и считается побочным эффектом.