函数式编程 - Scheme 5

第二十三课

Memory Model by Example

例1:

> (cons '(1 2 3) '(4 5 6))
((1 2 3) 4 5 6)

内存示意图:

例2:

有两种方式可以输出 ((1 2) 1 2),但它们的内存模型不一样:

> (cons '(1 2) '(1 2))
((1 2) 1 2)
> ((lambda (x) (cons x x)) '(1 2))
((1 2) 1 2)

variable number of arguments

之前实现过一次 map,接受一个 unary procedure 和一个 list,输出一个 list:

> (map car '((1 2) (3 4) (5 6 7)))
(1 3 5)

我们称这种 map 为 unary map 实现如下:

(define (unary-map fn seq)
(if (null? seq) ()
(cons (fn (car seq))
(unary-map fn
(cdr seq)))))

但不支持接受一个多元 procedure 和相应多个 lists,输出一个 list:

> (map + '(1 2) '(10 20) '(100 400))
(111 422)
> (map * '(1) '(2) '(3) '(4) '(5))
(120)

为了实现这种 general-map,我们首先需要能够定义接收任意数量参数的 procedure,即 varargs 语言特性:

> (define (bar a b c . d)
(list a b c d))
> (bar 1 2 3 4 5 6)
(1 2 3 (4 5 6))

实现 map

(define (map fn first-list . other-lists)
(if (null? first-list) '()
(cons (apply fn
(cons (car first-list)
(unary-map car other-lists)))
(apply map
(cons fn
(cons (cdr first-list)
(unary-map cdr other-lists)))))))

Garbage Collection

当我们在 Scheme 的 REPL 中输入:

> (cons "hello" '("world"))
("hello" "world")

Scheme 会在内部分配对应的内存,存储 hello 和 world 的指针,以及相应的字符串,在 REPL 打印完毕结果后,这些内存就会被相应地回收。回收的过程大致可以理解成一个递归函数,首先回收 cons 的 car 指针,然后回收 cons 的 cdr 指针,最后回收 construct 本身,其中回收 cons 的 cdr 指针就是回收 cons 的过程,依次递归。

如果使用 define 表达式,这些内存就会被保留:

> (define x '(1 2 3))
> (define y (cdr x))
; ...
> (define x '(4 5))

当执行完最后一个 define 表达式后,x 指向 '(4 5),y 指向 '(2 3),而为 1 分配的内存没有被引用,到了一定时候,系统的 Garbage Collector 就会启动,回收 1。那么 Garbage Collector 如何判断哪些内存可以回收?

reference count (doesn't work)

最直观的想法就是为每块内存记录被引用的数量,当引用数量等于 0 时,则可以被回收。但因为 Scheme 支持 set-car!、set-cdr! 这种 mutation 操作,Scheme list 可能出现循环引用,出现一个内存闭环,这个闭环内的数据互相引用,但并没有被实际使用。因此 reference count 的方法无法回收所有不再被使用的内存。

mark and sweep

示意图如下所示:

其中 master cons set 存着当前所有被分配的内存,Symbol Set 存着所有环境中的变量。

mark and sweep 分为三个阶段:

  1. 把 master cons set 中的所有 cons 标记为可以被回收

  2. 遍历 Symbol Set 中的指针,将所有被指到的内存标记为不可被回收

  3. 回收所有被标记为可以被回收的内存块 (sweep)

参考