Este documento discute o conceito e funcionamento do Garbage Collector em Java. Primeiro, explica o que é o Garbage Collector e por que é importante para gerenciar a memória em Java. Em seguida, descreve três algoritmos comuns para coleta de lixo - Mark and Sweep, Reference Counting e Copying - e suas vantagens e desvantagens. Finalmente, fornece exemplos para ilustrar como esses algoritmos identificam e liberam objetos não utilizados na memória.

1. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Garbage Collector

2. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Roteiro da Apresentação
• Conceitos Básicos
• O que é o Garbage Collector
• Analisando o Código
• Execução do Garbage Collector
• Exemplos
• Algoritmos para Coleta de Lixo:
o Mark and Sweep Algorithm
o Reference Counting Algorithm
o Copying Algorithm
• Referências.

3. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Conceitos Básicos
Existem três estratégias para se alocar memória:
o Estática: áreas de memória são alocadas antes do
início do programa;
o Linear: memória alocada em fila ou em pilha;
o Dinâmica: permite liberdade de criação e remoção
em ordem arbitrária;
3

4. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
• Java utiliza alocação dinâmica (heap) para objetos
e alocação linear (pilha) para procedimentos
sequenciais;
• Programadores não têm a responsabilidade e nem
a possibilidade de gerenciar a memória do sistema;
• A alocação e liberação de memória dinâmica é
realizada automaticamente usando algoritmos;
4

5. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Então, por que se preocupar com
memória em Java?
5

6. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
• Mas algoritmos são configurados para situações
típicas:
o Determinadas aplicações podem requerer
ajustes;
o Saber o quanto, quando, onde ajustar requer
conhecimentos elementares;
6

7. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
A medida que vamos fazendo
alocações na heap o espaço vai se
tornando cada vez mais escasso.
Fazendo uma analogia seria como
um quarto repleto de coisas dispostas de
qualquer forma onde não se há mais
espaço para se guardar novos objetos...
7

8. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Qualquer semelhança a algum ambiente conhecido é mera coincidência! 8

9. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Neste caso é necessário
chamar alguém que entende
melhor do assunto para poder
nos ajudar nesta tarefa árdua e
complicada, que é organizar
tudo!
9

10. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
O Garbage Collector é
a nossa faxineira
querida de cada dia!
10

11. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Garbage Collector
• Garbage Collector é o nome de uma rotina básica
de alguns sistemas, que serve para recuperar o
espaço de memória que havia sido alocado para
uso por alguma aplicação [1];
• Esse espaço de memória posteriormente ficou em
desuso pela aplicação [1];
• A alocação dos objetos é decidida em tempo de
compilação e estes são alocados no Heap [2] [3];11

12. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
É papel dessa rotina
identificar e reaproveitar os
espaços de memória que não
são mais utilizados!
12

13. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Exemplo
Para facilitar a compreensão do
assunto vamos considerar um esquema de
alocação dinâmica de espaço de memória,
uma lista ligada como mostra a próxima
figura.
13

14. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Esquema de Alocação de
Memória Dinâmica
Início
...
14

15. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Analisando o código:
Vamos analisar o trecho de código
abaixo e saber o que acontece quando a
instrução new é invocada:
Public class Empresa {
Cliente novoCliente = new Cliente();
}
15

16. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Quando a instrução new é invocada as
seguintes tarefas são realizadas:
• „ alcula-se o total de memória necessária;
C
• „ heap é examinado;
O
• Se tiver espaço, o construtor é invocado.
• Antes de retornar a referência, avança
com o ponteiro next object pointer [3].
16

17. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
E se não houver
espaço suficiente no
heap?
17

18. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Quando, ao processar a instrução
new, no heap não houver memória
suficiente, se executa o Garbage
Collector [3].
18

19. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Execução do Garbage Collector
• Uma unidade de espaço é considerada ativa ou
útil quando ela pode ser acessada ou atingida [1].
Início
...
19

20. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
• Caso uma unidade de espaço não possa ser
acessada, então ela é definida como inativa ou
lixo [1];
• Unidades podem se tornar lixo quando ponteiros
são redirecionados tornando-as inacessíveis [1],
como veremos na próxima figura:
20

21. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Lista 1
...
Lista 2
...
21

22. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Lista 1
...
Lista 2 Lixo
...
22

23. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Lista 1
...
Lista 2
...
23

24. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Lista 1
...
Lixo!
Lista 2
Lixo!
...
24

25. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
• Durante o processo de garbage collector, os
objetos no heap são investigados, para isso
é construído um grafo de objetos, como
ilustra a próxima figura:
25

26. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Exemplo 01
Heap G E Y H S V B M W Q
Grafo E Q Y
G M W H
B V S
26

27. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Exemplo 01
Heap G E Y H S V B M W Q
Grafo E Q Y
G LIXO!
M W H
B V S LIXO!
27

28. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Exemplo 01
Heap Compactado
G E Y H V B W Q
Next Object Pointer
28

29. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Exemplo 02
Heap A M T P L K J E Q S V Y G
R U X I O H Z D C F N W B
29

30. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Grafo
Exemplo 02
A B P T
D C O Q
K
E L M Y
F J N W
Z
G I S V
H U R X
30

31. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Exemplo 02
Grafo
LIXO!
A B P T
D C O Q
K
E L M Y LIXO!
F J N W
Z
G I LIXO! S V
LIXO! H U R X
31

32. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Exemplo 02
Heap A M T L K J E Q V G R U X
Compactado I O Z D C F N W B
Next Object
Pointer
32

33. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
• Há várias implementações de algoritmos de coleta
de lixo, cada um com suas vantagens e
desvantagens [4];
• O comportamento desse algoritmo é o principal
gargalo na maior parte das aplicações de vida
longa [4];
• Conhecer os detalhes do funcionamento do
algoritmo de coleta de lixo é importante [4];
33

34. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Influência da coleta de lixo nas próximas
alocações [4]:
• A remoção de objetos deixa buracos no heap;
• Para alocar novos objetos, é preciso procurar nas
listas de espaços vazios (free lists) um que caiba
o próximo objeto;
• Alguns algoritmos compactam o heap, movendo
os objetos para o início do heap e atualizando os
ponteiros.
34

35. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Algoritmos para Coleta de Lixo:
• Mark and Sweep Algorithm: rastreia objetos do
heap, marca o que não é lixo e depois varre o lixo.
• Reference Counting Algorithm: mantém, em cada
objeto, uma contagem das referências para ele; coleta
os objetos que têm contagem zero;
• Copying Algorithm: divide o heap em duas partes;
cria objetos em uma parte do heap e deixa outra parte
vazia; recolhe o que não é lixo e copia para a área
limpa, depois esvazia a área suja.
35

36. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Mark and Sweep Algorithm
• O método Mark and Sweep, foi criado em 1960 por J.
McCarthy [2];
• Esse método é geral e funciona sempre, isto é, todo lixo é
sempre identificado e recolhido;
• Usa um bit adicional por elemento para servir de marca;
• O método consiste de duas fases: uma fase de marcação
seguida de uma fase de varredura e recolhimento [1].
36

37. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Fase de Marcação (Mark)
• A partir de ponteiros externos conhecidos,
todos os elementos das estruturas de dados
acessíveis são marcados [1];
• Para isso é necessário algum algoritmo para
percorrer essas estruturas para ajudar no
percurso e na marcação [1];
37

38. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Fase da Varredura (Sweep)
• O espaço das posições em que estão
implementadas as estruturas de dados,
bem como a lista dos elementos livres, é
varrido ou percorrido sequencialmente [1];
38

39. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Quando cada elemento é examinado, é
tomada uma das duas ações [1]:
• Se o elemento é marcado, simplesmente
desmarca esse elemento e nada mais é
feito com o elemento;
• Se o elemento não é marcado, então por
definição ele é lixo e é recolhido.
39

40. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
• Vantagens:
o Não precisa de algoritmo complicados;
o Pode ser mais rápido que Contagem de
Referências.
40

41. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
• Desvantagens:
o Interrompe a aplicação principal;
o Fragmentação pode aumentar a frequência em
que o Garbage Collector ocorre;
o Precisa visitar todos os objetos alcançáveis na
fase de marcação e varrer o heap inteiro.
41

42. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Reference Counting Algorithm
• O método Reference Counting foi criado por
Collins em 1960 [2];
• Tem a vantagem de identificar o lixo e procede
seu recolhimento assim que o lixo surgir [1];
• Usa um contador por elemento para servir de
contagem de referências [1];
42

43. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
• O contador de referências indica a
quantidade de ponteiros ou referências a
esse elemento [1].
• Este contador deve ser sempre mantido
atualizado. [1].
43

44. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
• Quando o contador de referências de um
elemento atinge o valor zero, o elemento é
lixo por definição;
• O elemento é então recolhido ao espaço
livre.
44

45. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
• Vantagens:
o Rápido: não precisa varrer o heap inteiro;
o Pode executar em paralelo com a
aplicação.
45

46. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
• Desvantagens:
o Custo de processamento alto;
o Incapacidade de avaliar estruturas
cíclicas.
• Soluções:
o Algoritmo de Coleta de Ciclos.
46

47. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Copying Algorithm
• O método Copying Algorithm, foi criado por
Chenney em 1970 [4];
• O método de Cópia divide o heap em duas
áreas iguais chamadas de origem (from
space) e destino (to space) [4];
47

48. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
O Algoritmo funciona da seguinte maneira
[4]:
1. Objetos são alocados na área “from”;
2. Quando o coletor de lixo é executado, ele
navega pela corrente de referências e copia os
objetos alcançáveis para a área “to”;
3. Quando a cópia é completada, os espaços “to”
e “from” trocam de papel;
48

49. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Heap Origem: From Heap Destino: To
J
F
G
B
E
U
P
Z
Q
W
49

50. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Heap Origem: From Heap Destino: To
J J
F G
G U
B Z
E Q
U W
P
Z
Q
W
50

51. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Heap Destino: To Heap Origem: From
J J
F G
G U
B Z
E Q
U W
P
Z
Q
W
51

52. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Vantagens:
o A cópia ocorre de forma rápida;
o Não precisa visitar o heap inteiro;
o Não fragmenta a memória do heap.
52

53. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Desvantagens:
o Aplicação precisa parar;
o Dobra a necessidade de memória do
heap;
o Uso ineficiente de memória.
53

54. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Sugestão de Vídeo Sobre o Assunto:
Link:
http://mais.uol.com.br/view/ee0dmzfst8i2/garbagecollector040262D0B93346
?types=A
54

55. UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
Referências
[1] SONG, S. W. Coletor de Lixo (Garbage Collector). Universidade
de são Paulo – IME/USP, 2008. Apostila.
[2] LINS, R. D. Garbage Collection. Universidade Federal de
Pernambuco. Apostila.
[3] LEITE, N. Garbage Collection. ISEL/LEIC – Semestre de Inverno.
Disponível em: http://www.deetc.isel.ipl.pt/programacao/ave/ . 2008-
2009. Apostila.
[4] ROCHA, H. Gerência de Memória em Java – Parte I: Arquitetura
da JVM e Algoritmos de Coleta de Lixo. Disponível em:
http://www.argonavis.com.br/. 2005. Apostila.