🎓 دوره آموزشی جامع

📚 اطلاعات دوره

عنوان دوره: ساخت جمع‌آوری‌کننده‌های زباله پیشرفته (Garbage Collectors): از مدل‌سازی دقیق تا پیاده‌سازی بهینه حافظه

موضوع کلی: معماری و مهندسی سیستم‌های نرم‌افزاری

موضوع میانی: اصول انتزاع، مشخصه‌سازی و پیاده‌سازی در طراحی سیستم

📋 سرفصل‌های دوره (100 موضوع)

• 1. مقدمه‌ای بر مدیریت حافظه و چالش‌های آن
• 2. مدیریت حافظه دستی (Manual) در مقابل خودکار (Automatic)
• 3. مفاهیم پایه: شیء (Object)، اشاره‌گر (Pointer) و مجموعه ریشه‌ها (Root Set)
• 4. تعریف دسترسی‌پذیری (Reachability) و مفهوم زباله
• 5. مدل حافظه: Heap، Stack و داده‌های استاتیک
• 6. متدولوژی ASI: انتزاع، مشخصه‌سازی و پیاده‌سازی
• 7. چرا مدل‌سازی انتزاعی در طراحی GC حیاتی است؟
• 8. معیارهای کلیدی یک جمع‌آورنده زباله: ایمنی، کامل بودن و کارایی
• 9. فضای طراحی (Design Space) در جمع‌آورنده‌های زباله
• 10. تخصیص‌دهنده‌های حافظه (Allocators) و نقش آن‌ها
• 11. چالش پراکندگی حافظه (Memory Fragmentation): داخلی و خارجی
• 12. اثرات توقف‌های GC (GC Pauses) بر عملکرد سیستم
• 13. معرفی یک زبان مدل‌سازی ساده برای مشخصه‌سازی
• 14. تاریخچه و تکامل تکنیک‌های جمع‌آوری زباله
• 15. نمای کلی دوره و نقشه راه یادگیری
• 16. بخش انتزاع و مدل‌سازی (Abstraction and Modeling)
• 17. مدل‌سازی انتزاعی سیستم حافظه
• 18. نمایش حافظه به عنوان یک گراف اشیاء (Object Graph)
• 19. مدل‌سازی انتزاعی تغییردهنده (Mutator) و جمع‌آورنده (Collector)
• 20. تعریف رسمی زباله: اشیاء غیرقابل دسترس
• 21. مدل‌سازی وضعیت سیستم: تخصیص، تغییر اشاره‌گر، جمع‌آوری
• 22. عملیات پایه در مدل انتزاعی: New, Read, Write, Collect
• 23. حالت‌های انتزاعی اشیاء: سیاه، سفید، خاکستری (Tri-color Abstraction)
• 24. مدل‌سازی گراف دسترسی‌پذیری و تغییرات آن
• 25. انتزاع مفهوم "زمان" و "اتمیسیته" در عملیات حافظه
• 26. انتزاع مفهوم ریشه (Root Set) و انواع آن
• 27. مدل‌سازی تخصیص حافظه به عنوان یک تابع حالت
• 28. مدل‌سازی حافظه آزاد (Free Memory) و ساختارهای آن
• 29. انتزاع‌های مختلف برای حافظه: فضای پیوسته در مقابل فضای تقسیم‌شده
• 30. چالش‌های مدل‌سازی در سیستم‌های همزمان (Concurrent)
• 31. استفاده از تئوری گراف برای تحلیل مدل انتزاعی
• 32. بخش مشخصه‌سازی و درستی (Specification and Correctness)
• 33. اصول درستی (Correctness) در جمع‌آوری زباله
• 34. ویژگی‌های ایمنی (Safety) و پویایی (Liveness)
• 35. اصل اساسی ایمنی: "هیچ شیء قابل دسترسی نباید جمع‌آوری شود"
• 36. اصل اساسی پویایی: "هر شیء غیرقابل دسترسی در نهایت جمع‌آوری می‌شود"
• 37. تعریف ناورداها (Invariants) برای یک جمع‌آورنده صحیح
• 38. مشخصه‌سازی عملیات تخصیص با پیش‌شرط و پس‌شرط
• 39. مشخصه‌سازی عملیات به‌روزرسانی اشاره‌گر
• 40. اثبات درستی با استفاده از ناورداهای مدل سه‌رنگ
• 41. روش‌های صوری (Formal Methods) برای اثبات درستی GC
• 42. مشخصه‌سازی یک جمع‌آورنده ایده‌آل (Oracle GC)
• 43. تعریف مشخصات برای الگوریتم Mark-Sweep
• 44. تعریف مشخصات برای الگوریتم‌های کپی‌کننده
• 45. تعریف مشخصات برای شمارش ارجاع
• 46. رابطه انتزاعی (Abstraction Relation) بین پیاده‌سازی و مشخصه‌سازی
• 47. اثبات اینکه پیاده‌سازی، مشخصات را برآورده می‌کند
• 48. الگوریتم‌های کلاسیک جمع‌آوری زباله (Classic Algorithms)
• 49. الگوریتم Mark-Sweep: فاز نشانه‌گذاری (Marking Phase)
• 50. الگوریتم Mark-Sweep: فاز جارو کردن (Sweeping Phase)
• 51. پیاده‌سازی لیست‌های آزاد (Free Lists) در Mark-Sweep
• 52. تحلیل Mark-Sweep: پراکندگی حافظه و هزینه زمانی
• 53. بهینه‌سازی Mark-Sweep: الگوریتم Mark-Compact
• 54. الگوریتم‌های کپی‌کننده (Copying Collectors): مدل Semi-Space
• 55. پیاده‌سازی الگوریتم Cheney برای کپی کردن
• 56. تحلیل الگوریتم‌های کپی‌کننده: مزایا و معایب
• 57. الگوریتم شمارش ارجاع (Reference Counting)
• 58. پیاده‌سازی شمارنده‌ها و عملیات افزایش/کاهش
• 59. چالش دورهای ارجاع (Reference Cycles) در شمارش ارجاع
• 60. تکنیک‌های شناسایی و شکستن دورهای ارجاع
• 61. مقایسه عملکرد و ویژگی‌های الگوریتم‌های کلاسیک
• 62. انتخاب الگوریتم مناسب بر اساس نیازمندی‌های سیستم
• 63. جمع‌آورنده‌های نسلی (Generational Collectors)
• 64. فرضیه نسلی ضعیف (Weak Generational Hypothesis)
• 65. معماری جمع‌آورنده‌های نسلی: نسل جوان و نسل پیر
• 66. فضای نسل جوان (Young Generation): Eden و فضاهای Survivor
• 67. فرآیند Minor GC و ارتقاء اشیاء (Promotion)
• 68. چالش اشاره‌گرهای بین نسلی (Inter-generational Pointers)
• 69. موانع نوشتن (Write Barriers) و کاربرد آن‌ها
• 70. پیاده‌سازی موانع نوشتن: Card Marking
• 71. مجموعه‌های به یاد سپرده شده (Remembered Sets)
• 72. فرآیند Major GC و جمع‌آوری نسل پیر
• 73. تنظیم اندازه نسل‌ها و سیاست‌های ارتقاء
• 74. تحلیل عملکرد جمع‌آورنده‌های نسلی
• 75. جمع‌آورنده‌های پیشرفته: همزمانی و موازی‌سازی (Advanced: Concurrency and Parallelism)
• 76. تفاوت بین جمع‌آوری زباله موازی (Parallel) و همزمان (Concurrent)
• 77. جمع‌آوری موازی: تسریع فازهای توقف (Stop-the-World)
• 78. الگوریتم نشانه‌گذاری سه‌رنگ (Tri-color Marking) به عنوان پایه همزمانی
• 79. نقاط امن (Safepoints) و مکانیزم‌های توقف برنامه
• 80. چالش‌های همزمانی: مسابقه داده (Data Race) بین Mutator و Collector
• 81. موانع نوشتن برای حفظ ناورداهای سه‌رنگ
• 82. پیاده‌سازی مانع نوشتن به سبک Dijkstra
• 83. پیاده‌سازی مانع نوشتن به سبک Yuasa
• 84. الگوریتم‌های مبتنی بر Snapshot-at-the-Beginning (SATB)
• 85. الگوریتم‌های مبتنی بر به‌روزرسانی تدریجی (Incremental Update)
• 86. جمع‌آورنده‌های تدریجی (Incremental Collectors)
• 87. جمع‌آورنده‌های عمدتاً همزمان (Mostly Concurrent Collectors)
• 88. جمع‌آورنده‌های بدون توقف (Pauseless/Lock-Free)
• 89. پیاده‌سازی عملی و یکپارچه‌سازی با سیستم (Practical Implementation and System Integration)
• 90. تعامل جمع‌آورنده زباله با کامپایلر و سیستم‌عامل
• 91. طراحی تخصیص‌دهنده‌های حافظه سریع (Fast Allocators)
• 92. بافرهای تخصیص محلی رشته (Thread-Local Allocation Buffers - TLABs)
• 93. ساختار داده‌های داخلی GC: Bitmapها، جداول کارت و غیره
• 94. مدیریت حافظه برای اشیاء بزرگ (Large Object Space)
• 95. اشاره‌گرهای فشرده (Compressed Pointers)
• 96. اشکال‌زدایی (Debugging) و پروفایل کردن (Profiling) جمع‌آورنده‌ها
• 97. ابزارهای تحلیل حافظه و شناسایی نشت حافظه (Memory Leaks)
• 98. معیارهای اندازه‌گیری عملکرد: توان عملیاتی (Throughput) و تأخیر (Latency)
• 99. پارامترهای قابل تنظیم (Tunable Parameters) در GCهای مدرن
• 100. مطالعه موردی: جمع‌آورنده زباله در JVM (مانند G1, ZGC)