عدّ المراجع

في عدّ المراجع الموزون، يُخصّص لكل مرجع وزن ، ولا يتتبع كل كائن عدد المراجع التي تشير إليه، بل الوزن الإجمالي لتلك المراجع. المرجع الأولي لكائن مُنشأ حديثًا له وزن كبير، مثل 2 ^16. عند نسخ هذا المرجع، ينتقل نصف الوزن إلى المرجع الجديد، ويبقى النصف الآخر مع المرجع القديم. ولأن الوزن الإجمالي لا يتغير، فلا حاجة لتحديث عدّ المراجع الخاص بالكائن.

يؤدي حذف مرجع إلى إنقاص الوزن الإجمالي بمقدار وزن ذلك المرجع. وعندما يصبح الوزن الإجمالي صفرًا، تكون جميع المراجع قد حُذفت. إذا جرت محاولة نسخ مرجع بوزن 1، فيجب "زيادة وزن" المرجع بإضافة وزن إلى الوزن الإجمالي، ثم إضافة هذا الوزن الجديد إلى المرجع، ثم تقسيمه. يُمكن في هذه الحالة إنشاء كائن مرجع غير مباشر ، حيث يُنشأ المرجع الأولي إليه بوزن كبير يُمكن تقسيمه لاحقًا.

تُعدّ خاصية عدم الحاجة إلى الوصول إلى عدّاد المراجع عند نسخ مرجع ما مفيدةً للغاية، خاصةً عندما يكون الوصول إلى عدّاد المراجع الخاص بالكائن مكلفًا، على سبيل المثال لأنه موجود في عملية أخرى، أو على القرص، أو حتى عبر الشبكة. كما يُمكن أن تُساهم هذه الخاصية في زيادة التزامن من خلال تجنّب قيام العديد من الخيوط بقفل عدّاد المراجع لزيادته. ولذلك، يُعدّ عدّ المراجع الموزون مفيدًا للغاية في التطبيقات المتوازية، ومتعددة العمليات، وقواعد البيانات، والتطبيقات الموزّعة.

تكمن المشكلة الرئيسية في عدّ المراجع الموزونة البسيط في أن حذف مرجع ما يتطلب الوصول إلى عداد المراجع، وإذا تم حذف العديد من المراجع، فقد يتسبب ذلك في نفس الاختناقات التي نسعى لتجنبها. تحاول بعض التعديلات على عدّ المراجع الموزونة تجنب ذلك عن طريق نقل الوزن من مرجع مُحتضر إلى مرجع نشط.

تم ابتكار طريقة العد المرجعي المرجح بشكل مستقل من قبل بيفان ^{[ 12 ]} وواتسون وواتسون ^{[ 13 ]} في عام 1987.

في عدّ المراجع غير المباشر، من الضروري تتبع مصدر المرجع. وهذا يعني الاحتفاظ بمرجعين للكائن: مرجع مباشر يُستخدم للاستدعاءات، ومرجع غير مباشر يُشكّل جزءًا من شجرة انتشار، كما في خوارزمية ديكسترا-شولتن ، التي تُمكّن جامع البيانات المهملة من تحديد الكائنات غير المستخدمة. يمنع هذا الأسلوب التخلص من الكائن قبل الأوان.

تعتمد خوارزمية عدّ المراجع، كخوارزمية تجميع، على تتبع عدد المراجع التي تحتفظ بها الكائنات الأخرى لكل كائن. إذا وصل عدد مراجع الكائن إلى الصفر، يصبح الكائن غير قابل للوصول، ويمكن حذفه.

عند إتلاف كائن، ينخفض ​​عدد مراجع أي كائنات أخرى يشير إليها هذا الكائن. ولهذا السبب، قد يؤدي حذف مرجع واحد إلى تحرير عدد كبير من الكائنات. يسمح تعديل شائع بجعل عدّ المراجع تزايديًا: فبدلًا من إتلاف الكائن بمجرد أن يصبح عدد مراجعه صفرًا، يُضاف إلى قائمة الكائنات غير المُشار إليها، ويتم إتلاف عنصر واحد أو أكثر من هذه القائمة دوريًا (أو حسب الحاجة).

تتطلب عدادات المراجع البسيطة تحديثات متكررة. فعندما يتم حذف مرجع أو استبداله، يتم إنقاص عداد المراجع الخاص بالكائن الذي يشير إليه، وعندما يتم إنشاء مرجع جديد أو نسخه، يتم زيادة عداد المراجع الخاص بالكائن الذي يشير إليه.

يُستخدم عدّ المراجع أيضًا في أنظمة الملفات والأنظمة الموزعة، حيث يكون جمع البيانات المهملة الكامل غير التزايدي مستهلكًا للوقت بشكل كبير نظرًا لحجم مخطط الكائنات وبطء سرعة الوصول. ^{[ 14 ]}

يستخدم نموذج كائنات المكونات (COM) من مايكروسوفت ونظام التشغيل WinRT عدّ المراجع على نطاق واسع. في الواقع، اثنتان من الطرق الثلاث التي يجب أن توفرها جميع كائنات COM (في واجهة IUnknown ) تُستخدمان لزيادة أو إنقاص عدّ المراجع. يعتمد جزء كبير من واجهة ويندوز والعديد من تطبيقات ويندوز (بما في ذلك متصفح إنترنت إكسبلورر ، وحزمة مايكروسوفت أوفيس ، والعديد من منتجات الجهات الخارجية) على COM، مما يُثبت جدوى عدّ المراجع في الأنظمة واسعة النطاق.

يتمثل أحد الدوافع الرئيسية لاستخدام عدّ المراجع في COM في تمكين التوافق بين لغات البرمجة وأنظمة التشغيل المختلفة. يكفي أن يعرف المستخدم كيفية استدعاء توابع الكائن لإدارة دورة حياته؛ وبالتالي، يكون المستخدم معزولًا تمامًا عن مُخصِّص الذاكرة الذي يستخدمه تطبيق كائن COM. على سبيل المثال، لا يتأثر برنامج Visual Basic الذي يستخدم كائن COM بما إذا كان هذا الكائن قد تم تخصيصه (ويجب تحريره لاحقًا) بواسطة مُخصِّص ذاكرة C++ أو مكون Visual Basic آخر.

لا تُجري لغة C++ عدّ المراجع افتراضيًا، التزامًا منها بفلسفتها المتمثلة في عدم إضافة وظائف قد تُسبب أعباءً إضافية ما لم يطلبها المستخدم صراحةً. ويمكن الوصول إلى الكائنات المشتركة غير المملوكة عبر مرجع أو مؤشر خام أو مُكرِّر (وهو تعميم مفاهيمي للمؤشرات).

مع ذلك، توفر لغة C++ طرقًا أصلية للمستخدمين لتفعيل هذه الوظيفة: إذ يوفر الإصدار C++11 مؤشرات ذكية مع عدّ المراجع ، عبر std::shared_ptrالفئة، مما يُمكّن من إدارة الذاكرة المشتركة تلقائيًا للكائنات المُخصصة ديناميكيًا. يمكن للمبرمجين استخدام هذه الميزة بالتزامن مع المؤشرات الضعيفة (عبر std::weak_ptr) لكسر التبعيات الدائرية. أما الكائنات المُخصصة ديناميكيًا ولكن غير المُراد مشاركتها، فيمكن إدارة دورة حياتها تلقائيًا باستخدام std::unique_ptr.

بالإضافة إلى ذلك، فإن دلالات النقل في C++11 تقلل بشكل أكبر من مدى الحاجة إلى تعديل عدد المراجع عن طريق إزالة النسخ العميق المستخدم عادةً عندما تُرجع دالة كائنًا، حيث يسمح ذلك بنسخ بسيط لمؤشر الكائن المذكور.

تستخدم أطر عمل Cocoa و Cocoa Touch من Apple (وأطر العمل ذات الصلة، مثل Core Foundation ) عدّ المراجع اليدوي، على غرار COM . تقليديًا، كان المبرمج يُنجز ذلك بإرسال رسائل يدويًا retainإلى releaseالكائنات، ولكن أُضيفت ميزة عدّ المراجع التلقائي ، وهي ميزة في مُصرّف Clang تُدرج هذه الرسائل تلقائيًا عند الحاجة، في نظامي iOS 5 ^{[ 15 ]} و Mac OS X 10.7 ^{[ 16 ]} . قدّم نظام Mac OS X 10.5 جامع قمامة للتتبع كبديل لعدّ المراجع، ولكن تم إيقاف دعمه في نظام OS X 10.8 وإزالته من مكتبة وقت تشغيل Objective-C في macOS Sierra ^{[ 17 ] [ 18 ]} . لم يدعم نظام iOS جامع قمامة للتتبع مطلقًا.

لا تُعتبر لغة دلفي لغةً تعتمد على جمع البيانات المهملة بشكلٍ أساسي، إذ لا يزال يتعين على المستخدم تخصيص وتحرير أنواع البيانات المُعرّفة يدويًا؛ ومع ذلك، فهي توفر جمعًا تلقائيًا للذاكرة باستخدام عدّ المراجع لبعض الأنواع المُدمجة، مثل السلاسل النصية والمصفوفات الديناميكية والواجهات، وذلك لتسهيل الاستخدام وتبسيط وظائف قواعد البيانات العامة. يعود القرار للمبرمج بشأن استخدام الأنواع المُدمجة؛ إذ يتمتع مبرمجو دلفي بإمكانية الوصول الكامل إلى إدارة الذاكرة منخفضة المستوى كما هو الحال في لغتي C/C++. وبالتالي، يُمكن تجاوز جميع التكاليف المُحتملة لعدّ المراجع في دلفي بسهولة، إذا رغب المبرمج بذلك.

تتضمن بعض الأسباب التي ربما جعلت نظام العد المرجعي مفضلاً على أشكال جمع القمامة الأخرى في دلفي ما يلي:

• الفوائد العامة لعد المراجع، مثل جمع العينات على وجه السرعة.
• إما أن الحلقات لا يمكن أن تحدث أو لا تحدث في الواقع العملي لأن أياً من الأنواع المضمنة التي يتم جمعها بواسطة جامع البيانات المهملة ليست تكرارية. (يمكن إنشاء مثل هذا السيناريو باستخدام الواجهات، لكن هذا ليس استخداماً شائعاً)
• إن الحمل الزائد في حجم التعليمات البرمجية المطلوبة لعد المراجع صغير جدًا (على x86 الأصلي، عادةً ما تكون تعليمة LOCK INC أو LOCK DEC أو LOCK XADD واحدة، مما يضمن الذرية في أي بيئة)، ولا حاجة إلى سلسلة تحكم منفصلة للتجميع كما هو مطلوب لجامع القمامة التتبعي.
• تتميز العديد من حالات النوع الأكثر استخدامًا في جمع البيانات المهملة، وهو السلسلة النصية، بعمر قصير، نظرًا لأنها عادةً ما تكون قيمًا وسيطة في معالجة السلاسل النصية. يمكن تحسين الكثير من استخدام السلاسل النصية المحلية، لكن المترجم لا يقوم بذلك حاليًا.
• يتم التحقق من عدد المراجع في السلسلة النصية قبل تعديلها. يسمح هذا بتعديل السلاسل النصية ذات عدد المراجع 1 مباشرةً، بينما تُنسخ السلاسل النصية ذات عدد المراجع الأعلى قبل التعديل. يتيح هذا الحفاظ على السلوك العام لسلاسل باسكال القديمة مع التخلص من تكلفة نسخ السلسلة في كل عملية إسناد.
• بما أن عملية جمع البيانات المهملة تتم فقط على الأنواع المضمنة، يمكن دمج عدّ المراجع بكفاءة في إجراءات المكتبة المستخدمة لمعالجة كل نوع بيانات، مما يقلل من الحمل الزائد اللازم لتحديث عدّ المراجع. علاوة على ذلك، فإن جزءًا كبيرًا من مكتبة وقت التشغيل مكتوب بلغة تجميع مُحسَّنة يدويًا.
• يمكن تحويل نوع السلسلة النصية إلى مؤشر إلى حرف، مما يتيح تنفيذ عمليات عالية الأداء. وهذا أمر بالغ الأهمية لأن كلاً من دلفي وFPC تُنفذان لغة RTL الخاصة بهما بلغة باسكال. كما تتوفر خيارات تحويل مماثلة لأنواع البيانات الآلية الأخرى.

يُطبّق إطار عمل البرمجة الكائنية GObject عدّ المراجع على أنواعه الأساسية، بما في ذلك المراجع الضعيفة . ويستخدم زيادة المراجع وإنقاصها عمليات ذرية لضمان سلامة الخيوط. ويكمن جزء كبير من العمل في كتابة روابط GObject من لغات البرمجة عالية المستوى في تكييف عدّ المراجع في GObject ليتوافق مع نظام إدارة الذاكرة الخاص باللغة.

تستخدم لغة البرمجة Vala نظام عد المراجع GObject كنظام أساسي لجمع البيانات المهملة، بالإضافة إلى معالجة السلاسل النصية التي تتطلب نسخًا مكثفة. ^{[ 19 ]}

يستخدم بيرل أيضًا عد المراجع، دون أي معالجة خاصة للمراجع الدائرية، على الرغم من أن بيرل (كما هو الحال في Cocoa و C++ أعلاه) يدعم المراجع الضعيفة، مما يسمح للمبرمجين بتجنب إنشاء حلقة.

تستخدم لغة PHP آلية عدّ المراجع لإدارة متغيراتها الداخلية. ^{[ 20 ]} ومنذ الإصدار 5.3، تُطبّق PHP الخوارزمية المذكورة في ورقة بيكون البحثية السابقة. تتيح لك PHP تفعيل وإيقاف عملية جمع البيانات الدورية باستخدام دوال على مستوى المستخدم. كما تتيح لك فرض تشغيل آلية التطهير يدويًا.

$a = "سلسلة جديدة" ; $b = $a ; xdebug_debug_zval ( "a" );

سيُخرج المثال أعلاه ما يلي:

أ: (refcount=2, is_ref=0)='سلسلة نصية جديدة'

تستخدم لغة بايثون أيضًا عدّ المراجع وتوفر خاصية اكتشاف الحلقات (ويمكنها استعادة حلقات المراجع). ^{[ 21 ]}

على غرار لغات البرمجة منخفضة المستوى الأخرى، لا توفر لغة Rust عدّ المراجع افتراضيًا. بدلًا من ذلك، يُحذف أي نوع مُنشأ عند خروجه من نطاق التعريف. وعندما يحتاج المبرمج إلى تحديد نطاق نوع مُنشأ، فإنه غالبًا ما يستخدم دورات الحياة.

مع ذلك، توفر اللغة أيضًا بدائل متنوعة لأساليب إدارة الذاكرة المعقدة. وتُوفّر وظيفة عدّ المراجع بواسطة النوعين std::rc::Rcو std::sync::Arc، وهما نوعان غير ذريين وذريين على التوالي.

على سبيل المثال، يوفر هذا النوع std::rc::Rc<T>ملكية مشتركة لقيمة من النوع T، مخصصة على الكومة لعدة مراجع لبياناتها. ^{[ 22 ]}

استخدم std :: rc :: Rc ؛struct Cat { color : String , }fn main () { let cat = Cat { color : "black" . to_string () }; let cat = Rc :: new ( cat ); }

يُمكّن استخدام هذه البنى المبرمجين من تجنب دورات حياة المتغيرات بتكلفة تشغيلية بسيطة. ويحتفظ كلا عدادَي المراجع بسجل عدد المالكين، إذ يجب عليهما حذف أنفسهما عندما لا يتبقى أي مالك.

من الجوانب الجديرة بالذكر لهذه الأنواع استخدامها كمرجع مشترك. في لغة Rust، لا يمكن للمراجع المشتركة تعديل البيانات المخزنة فيها، لذا std::rc::Rcغالبًا ما تأتي مُدمجة مع `<<<>` و` std::cell::Cell<<< >` في السياقات التي تتطلب قابلية التعديل الداخلي.std::sync::Arcstd::sync::Mutex

إن قابلية التغيير الداخلية بدون std::cell::UnsafeCellتكلفة أداء أيضًا، لذلك، لتحقيق أقصى أداء، قد تتطلب بعض التطبيقات تعقيدًا إضافيًا. ^{[ 23 ]}

تستخدم لغة البرمجة Squirrel عدّ المراجع مع اكتشاف الحلقات. هذه اللغة الصغيرة غير معروفة نسبيًا خارج صناعة ألعاب الفيديو؛ ومع ذلك، فهي مثال ملموس على كيفية عمل عدّ المراجع بكفاءة وفعالية (خاصة في بيئات الوقت الحقيقي).

تستخدم لغة Swift عدّ المراجع لتتبع وإدارة ذاكرة مثيلات الفئات، وتوفر weakالكلمة المفتاحية لإنشاء مراجع ضعيفة. أما مثيلات أنواع القيم فلا تستخدم عدّ المراجع. ^{[ 24 ]}

تستخدم لغة Tcl 8 عدّ المراجع لإدارة الذاكرة للقيم ( هياكل Tcl Obj ). ولأن قيم Tcl غير قابلة للتغيير، يستحيل تكوّن حلقات مرجعية، ولا حاجة إلى آلية للكشف عن الحلقات. تُحسَّن العمليات التي تستبدل قيمةً بنسخة مُعدَّلة، عادةً، لتعديل القيمة الأصلية عندما يُشير عدّ المراجع إلى أنها غير مشتركة. تُحسب المراجع على مستوى بنية البيانات، لذا لا تظهر مشاكل التحديثات المتكررة المذكورة سابقًا.

يستخدم Xojo أيضًا عد المراجع، دون أي معالجة خاصة للمراجع الدائرية، على الرغم من (كما هو الحال في Cocoa و C++ أعلاه)، فإن Xojo يدعم المراجع الضعيفة، مما يسمح للمبرمجين بتجنب إنشاء حلقة.

تحتفظ العديد من أنظمة الملفات بعدد المراجع لأي كتلة أو ملف معين، على سبيل المثال، عدد روابط inode في أنظمة الملفات الشبيهة بنظام يونكس ، والتي تُعرف عادةً بالروابط الصلبة . عندما يصل العدد إلى الصفر، يمكن تحرير الملف بأمان. مع أنه لا يزال بالإمكان إنشاء المراجع من الدلائل ، إلا أن بعض أنظمة يونكس لا تسمح إلا بالمراجع من العمليات الجارية، وقد توجد ملفات خارج التسلسل الهرمي لنظام الملفات.