Учебное пособие: Операционные системы "тонких" клиентов

Для получения лучшей производительности, кроме многопоточных микропроцессоров, разработчики MAJC применяют технологию, называемую "пространственно-временными вычислениями" или "предположительной многопоточности". В этой технологии прикладной программист вообще не будет беспокоиться о распараллеливании своих программ, потому что эта работа будет сделана за него Java VM.

Смысл пространственно-временных вычислений сводится к следующему. Java VM проверяет программу и предполагает, что два метода могут выполняться одновременно на двух процессорах. Она посылает метод A на первый процессор, а метод B - на второй для предположительного вычисления. Поскольку B - предположительный метод, он выполняется в отдельном адресном пространстве, называемом предположительной памятью. Если все идет хорошо, и никакие зависимости в данных не нарушены, то предположительная память сливается с основной памятью и программа обрабатывает следующую пару методов. Если произошло нарушение, то второй метод отменяется и предположительная память "выбрасывается".

Идея пространственно-временных вычислений не является кардинально новой, но она не применялась в обычных многопроцессорных системах без многопоточности, так как позволяла увеличить эффективность выполнения программ в 2-процессорной конфигурации не более, чем на 5%. Разработчики MAJC рассчитывают, что в их архитектуре производительность последовательных приложений на двух процессорах должна возрасти в 1.6 раза.

13.4 Управление памятью в куче

Управление памятью относится к числу тех свойств языка Java, которые заложены в само его ядро и непосредственно обеспечиваются Java VM. Особенностью управления памятью в Java является то, что с точки зрения прикладного программиста его практически нет. Память для данных примитивных типов выделяется в области локальных переменных кадра. Кадр для метода выделяется только на время выполнения метода, при завершении выполнения память кадра освобождается, а следовательно, и освобождаются и все локальные переменные. Этот механизм подобен размещению локальных переменных в стеке в традиционных блочных языках программирования (C/C++, PL/1 и т.д.). Ссылочные типы состоят из двух частей: ссылки на объект и собственно тела объекта. Массивы в Java также являются ссылочным типом, и все, что далее говорится про объекты, справедливо и для массивов. Ссылка представляет собой адрес памяти, указатель на объект в терминах языка C/C++, но в отличие от C/C++, адресная арифметика в Java не разрешена. Объект в программе доступен только через переменную, являющуюся ссылкой на него.

Итак, память, выделяемая для ссылок, управляется автоматически, как и память для примитивных типов. Иначе обстоит дело с памятью, выделяемой для тела объекта. В языке Java имеется операция new, которая явным образом выделяет память для тела объекта и возвращает ссылку на созданный объект. Память для каждого объекта выделяется явным образом, при помощи этой операции. Создание новых объектов возможно также неявным образом - некоторые библиотечные методы создают (при помощи той же операции new) новый объект и возвращают ссылку на созданный объект. На этом "заботы" прикладной Java-программы об управлении памятью заканчиваются. Программа не освобождает выделенную память, это делает за нее Java VM. Автоматическое освобождение памяти, занимаемой уже ненужными (неиспользуемыми) объектами, - одна из наиболее интересных особенностей платформы Java. Это освобождение выполняется в Java VM программным механизмом, который называется сборщиком мусора (garbage collector). Но что такое неиспользуемый объект? Программа может "оставить объект в покое" на долгое время, а потом вдруг вновь вернуться к нему. Время обращения к объекту (как это делается в дисциплине управления памятью LRU) не может служить показателем ненужности объекта. Сборщик мусора считает неиспользуемыми те объекты, на которые нет ссылок. Если в программе нет ссылки на объект, то программа принципиально не может обратиться к объекту, следовательно, объект представляет собой мусор. Обратите внимание на то обстоятельство, что при выходе из блока, в котором был создан объект, освобождается память, занимаемая ссылкой на объект, но это еще не значит, что объект сразу же становиться мусором. Ссылка на созданный объект может быть присвоена внешней по отношению к данному блоку переменной или быть возвращаемым значением метода. Если же этого не происходит, то объект действительно становится мусором. При выполнении Java-программы такой мусор в памяти накапливается. Многие методы библиотечных классов Java (например, класса String) построены таким образом, что их использование способствует интенсивному накоплению мусора в памяти.

Когда накопление мусора приводит к нехватке памяти, вступает в действие сборщик мусора. Для обеспечения работы сборщика мусора в дескрипторе каждого объекта имеется "признак мусора". При создании объекта "признак мусора" устанавливается во взведенное состояние. Алгоритм работы сборщика мусора (один из его вариантов) состоит из двух фаз:

Фаза маркировки. Сборщик мусора просматривает области локальных переменных всех активных в настоящий момент методов, а также поля всех доступных объектов. В дескрипторах тех объектов, на которые есть ссылки в просмотренных областях "признак мусора" сбрасывается

Фаза очистки. Просматривается область кучи, дескрипторы всех объектов. Те объекты, "признак мусора" которых оказывается взведенным (не был сброшен в фазе маркировки), являются мусором, занимаемая ими память освобождается. У тех же объектов, "признак мусора" которых сброшен, этот признак взводится - для подготовки к следующей сборке мусора.

Затраты на выполнение сборки мусора практически не зависят от количества мусора - в любом случае требуется полный просмотр и областей локальных переменных, и кучи. Следовательно, сборку мусора выгоднее производить только в те моменты, когда мусора накопится много: в этом случает при тех же затратах будет получен больший результат. Поэтому операция сборки мусора может создавать некоторую проблему при выполнении Java-программ. Проблема состоит в том, что момент активизации сборщика мусора непредказуем, а когда такая активизация произойдет, она вызовет задержку в вычислениях. В новых реализациях Java VM эту проблему стараются если не решить кардинально, то несколько сгладить, запуская сборщик мусора в отдельной низкоприоритетной нити.

Хотя область методов тоже формально принадлежит куче, в большинстве современных Java VM сборщик мусора в этой области не работает.

13.5 Защита ресурсов

Поскольку одной из основных сфер применения технологии Java является Internet, вопросы безопасности для этой технологии приобретают особое значение. Безопасность в сетевой среде представляет собой целый комплекс сложных вопросов, рассматриваемых в отдельном курсе. Здесь же мы уделим основное внимание защите локальных ресурсов - анализу возможности Java-программы получить несанкционированный доступ к ресурсам на том компьютере, на котором она выполняется.

Прежде всего, в самих языковых средствах Java отсутствуют некоторые возможности языка C/C++, которые наиболее часто приводят к неправильному использованию ресурсов - случайному или намеренному. Главная черта языка Java в этом отношении - отсутствие указателей. Хотя доступ к объектам в Java осуществляется по ссылкам, и физический смысл ссылки и указателя C/C++ одинаков - адрес памяти, ссылка не есть указатель. Различие состоит в том, что, во-первых, ссылка не может быть преобразована в число или какое-либо иное представление физического адреса, во-вторых, над ссылками недопустимы арифметические операции. Именно адресная арифметика в C/C++ является средством, использование которого может привести к доступу процесса за пределы той области памяти, к которой он имеет право обращаться.

Другой "лазейкой" для выполнения несанкционированных действий в языке C/C++ является слабая защита типов. C/C++ позволяют использовать типы данных в операциях, этому типу не свойственных - путем неявного преобразования типов или путем приравнивания разнотипных указателей (в том числе, и для интегрированных типов). В Java осуществляется строгий контроль типов и в большинстве случаев требуется явное преобразование типов.

Автоматическое освобождение памяти в Java также является свойством, повышающим защищенность. Можно говорить также и о том, что более последовательное воплощение в Java парадигмы объектно-ориентированного программирования также является выигрышным обстоятельством с точки зрения защиты.

Следует оговорить, что указанные различия между языками C/C++ и Java обусловлены прежде всего тем, что языки ориентированы на разные сферы применения. Те "недостатки" языка C/C++, на которые мы указываем, превращаются в уникальные достоинства при применении С/С++ в качестве языка системного программирования, а именно таково первоначальное предназначение этого языка. При разработке же приложений (а Java - язык именно для разработки приложений) эти возможности становятся ненужными и даже опасными.

Однако сами свойства языка Java еще не являются гарантией защищенности. Они обеспечиваются компилятором Java, но не предохраняют от модификации исполняемый модуль. Поскольку спецификации байт-кода Java и файла класса открыты, программы, осуществляющие несанкционированный доступ, могут писаться непосредственно в байт-кодах или на других языках с компиляцией в байт-код Java. Чтобы перекрыть этот канал несанкционированного доступа, в платформе Java выполняется верификация байт-кода.

Процесс верификации состоит из четырех шагов.

Шаг 1 выполняется при загрузке класса. При этом Java VM проверяет базовый формат файла класса - "магическое число" и номер версии, соответствие размера файла суммарному размеру его составляющих, формальное соответствие отдельных структур спецификациям.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27