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Memory Leak con Garbage Collection: WeakReference

Posted by Ricibald on November 27th, 2009

Come tutti sapete, la GC è una modalità automatica di gestione della memoria tramite cui vengono liberate porzioni non più referenziate. In questo modo il programmatore non si deve più preoccupare di deallocare esplicitamente gli oggetti e si evitano i tipici problemi legati alla gestione della memoria (dangling pointer e memory leak).

Se per memory leak intendiamo il mancato rilascio di memoria non più referenziata allora il GC effettivamente evita qualunque memory leak, ma se per memory leak intendiamo il mancato rilascio di memoria non più utilizzata, allora la GC non è sufficiente: non può conoscere le nostre intenzioni!!

Ora mi spiegherò meglio, ma è necessario prima notare una cosa importante: il problema che descriverò è generale per la GC, ma non significa che implementazioni più raffinate non abbiano risolto il problema. Infatti implementazioni C# o Java non prevedono questo problema, ma si noti anche che, per quanto raffinata sia l’implementazione della GC, questi errori non potranno mai essere completamente impediti, quindi è necessario un approccio consapevole alle tematiche.

Dunque mi spiego meglio: immaginiamo di avere un oggetto che rappresenta la struttura di una società. Avremo quindi una lista di dipendenti, di cui ognuno avrà un superiore (se esiste) e avrà dei dipendenti da coordinare (se non si trova all’ultimo gradino). Di seguito riporto un esempio di istanza dopo il suo utilizzo:

Come osserviamo l’applicazione dopo aver utilizzato la struttura, ora ha ormai perso il riferimento a qualunque dipendente. Sarebbe lecito aspettarsi che gli oggetti vengano deallocati in quanto non più utilizzati. Infatti “Riccardo” non viene più usato da nessuno e quindi deve essere deallocato sé stesso e tutti i dipendenti che referenzia in quanto a loro volta perdono il riferimento “Riccardo”.

Bene, questo non è così!!! I nostri dipendenti rimarranno allocati per sempre nella nostra applicazione, sebbene nessuno li utilizzi più! Questo può essere definito come vero e proprio memory leak, anche se devia leggermente dal significato originale.

La presenza di memory leak dipende da come realizziamo la classe “Dipendente”. Andiamo per gradi: nel seguente esempio NON avviene alcun memory leak:

public class Dipendente {
	public List<Dipendente> Subordinati = new List<Dipendente>();
}

Infatti se l’applicazione perde il riferimento ai dipendenti, il primo che verrà deallocato è il capo “Riccardo” poiché non ha più alcun riferimento. Successivamente verrà deallocata la List poiché non ha più riferimenti e in seguito verranno deallocati tutti e tre i dipendenti referenziati precedentemente dalla lista. Quindi in questo caso non avremo alcun memory leak. Osserviamo invece il seguente caso:

public class Dipendente {
    public Dipendente Superiore;
	public List<Dipendente> Subordinati = new List<Dipendente>();
	public Dipendente(Dipendente superiore) {
	   this.Superiore = superiore;
	}
}

In questo caso vogliamo mantenere per comodità anche un riferimento al superiore di ogni dipendente. Ma analizziamo stavolta cosa succede nel caso in cui l’applicazione non fa più riferimento ai dipendenti. Il capo “Riccardo” dovrebbe essere il primo candidato all’eliminazione, ma non può essere eliminato poiché i tre subordinati mantengono un riferimento. Viceversa, i tre subordinati non possono essere eliminati poiché il capo ne mantiene il riferimento tramite la lista. Questo significa che la struttura non verrà MAI deallocata!! Memory leak!! Una definizione più formale:

Groups of mutually referencing objects which are not directly referenced by other objects and are unreachable can thus become permanently resident; if an application continually generates such unreachable groups of unreachable objects this will have the effect of a memory leak. Weak references may be used to solve the problem of circular references if the reference cycles are avoided by using weak references for some of the references within the group.

In molti articoli come http://www.ibm.com/developerworks/library/j-leaks/index.html o http://blogs.msdn.com/davidklinems/archive/2005/11/16/493580.aspx spesso si risolvono questi problemi eliminando i riferimenti che causerebbero il memory leak adottando soluzioni del tipo:

public class Dipendente : IDisposable {
    public Dipendente Superiore;
	public List<Dipendente> Subordinati = new List<Dipendente>();
	public Dipendente(Dipendente superiore) {
	   this.Superiore = superiore;
	}
	
	public void Dispose() {
	   foreach(Dipendente subordinato in this.Subordinati) {
	       subordinato.Superiore = null;
	   }
	}
}

public class Application {
    static void main() {
	   using(Dipendente riccardo = new Dipendente(null)) {
	       riccardo.Superiori.Add(new Dipendente(riccardo));
		   riccardo.Superiori.Add(new Dipendente(riccardo));
		   riccardo.Superiori.Add(new Dipendente(riccardo));
	   } // esegue la dispose
	   // perde il riferimento
	}
}

Sinceramente non mi piace l’approccio di “ricordarsi” lo using: troverete ovunque forum del tipo “avete memory leak? La colpa è tua che non fai la dispose degli oggetti Drawing!”. Cosa?? La colpa è mia??? No, le cose non stanno così: chi scrive la libreria non deve caricare agli utilizzatori di dettagli che possono causare problemi!!

La soluzione esiste ed è molto semplice: bisogna pensare i riferimenti a oggetti in termini di POSSESSO (OWNERSHIP). Possiedo, e quindi ho diritto di vita e morte, dell’oggetto a cui mi sto riferendo? Se sì, utilizza un normale riferimento come hai sempre fatto (Strong Reference). Altrimenti usa un WeakReference. Cosa è un WeakReference? Semplicemente è un riferimento debole a un oggetto, che ha validità fin quando esistono Strong Reference che mantengono in vita l’oggetto. Risulta comodo vedere le cose in termini di composizione UML: tutte le composizioni sono Strong Reference, altrimenti sono WeakReference.

Si noti un aspetto importante: queste sono regole generali di buona programmazione che si applicano a prescindere dalla implementazione della GC. Infatti linguaggi come C# o Java la GC elimina riferimenti non più utilizzati dal contesto di esecuzione corrente: eventuali riferimenti circolari isolati saranno quindi eliminati. Questo significa quindi che riferimenti circolari causati nel contesto di esecuzione corrente provocano lo stesso identico problema descritto. Un esempio semplice? La nostra applicazione mantiene un riferimento all’ultimo studente selezionato, lo eliminiamo ma non verrà mai cancellato poiché mantenuto dalla app.

Per evitare quindi memory leak in modo corretto e senza impatti sugli utilizzatori della nostra classe dovremo scrivere:

[
public class Dipendente {
    private WeakReference<Dipendente> _superioreWeak;
    public Dipendente Superiore { get { return _superioreWeak.Target; } }
	public List<Dipendente> Subordinati = new List<Dipendente>();
	
	public Dipendente(Dipendente superiore) {
	   this._superioreWeak =  new WeakReference<Dipendente>(superiore);
	}
}

public class Application {
    static void main() {
	   Dipendente riccardo = new Dipendente(null);
	   riccardo.Superiori.Add(new Dipendente(riccardo));
	   riccardo.Superiori.Add(new Dipendente(riccardo));
	   riccardo.Superiori.Add(new Dipendente(riccardo));
	} // perde il riferimento
}

I WeakReference risultano quindi molto utili per impedire memory leak causati da riferimenti circolari. Utilizzi tipici sono situazioni composite con riferimento al padre o situazioni di caching, in cui tramite un weak hash map vengono memorizzati gli oggetti senza impedirne la deallocazione (altrimenti nella cache vivrebbero oggetti per sempre!!). Una buona regola è comunque utilizzare un tool per la rilevazione di memory leak, come CLR Profiler.

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