2010/8/8 CSNagoya GC本読書会#5にて発表

1. GC in C++0x
2010/8/8 GC本読書会
新 康孝
yak_ex

2. 自己紹介
 氏名： 新 康孝 (あたらし やすたか)
 Twitter ID: yak_ex
 Web: http://yak3.myhome.cx:8080/junks
 C++ / Perl が主戦場
 某自動車部品メーカーから某自動車メーカーへ出向中
 現在、仕事でコードに触れていない
 競技プログラミング（TopCoder、Codeforces）で
潤い補充
 GC は「ど素人」

3. 渡る世間は GC ばかり
 Google Code Jam 2010 Qualifier 使用言語
1位 C++ 4911 6位 Ruby 221
2位 Java 2762 7位 PHP 170
3位 Python 1459 8位 Perl 146
4位 C 751 9位 Haskell 118
5位 C# 648 10位 Pascal 95

4. 渡る世間は GC ばかり
 Google Code Jam 2010 Qualifier 使用言語
1位 C++ 4911 6位 Ruby 221
2位 Java 2762 7位 PHP 170
3位 Python 1459 8位 Perl 146
4位 C 751 9位 Haskell 118
5位 C# 648 10位 Pascal 95
 黄色ハイライト＝GC有り言語

5. 渡る世間は GC ばかり
 Google Code Jam 2010 Qualifier 使用言語
1位 C++ 4911 6位 Ruby 221
2位 Java 2762 7位 PHP 170
3位 Python 1459 8位 Perl 146
4位 C 751 9位 Haskell 118
5位 C# 648 10位 Pascal 95
 黄色ハイライト＝GC有り言語
 超一線級言語でありながら GC 無し ： C++は孤高

6. C++は孤高
 そんな C++ を支える C++er 達

7. C++は孤高
 そんな C++ を支える C++er 達
闇

8. C++は孤高
 そんな C++ を支える C++er 達
闇
の

9. C++は孤高
 そんな C++ を支える C++er 達
闇
の
軍

10. C++は孤高
 そんな C++ を支える C++er 達
闇
の
軍
団

11. C++は孤高
 そんな C++ を支える C++er 達
闇へ
の ん
軍た
団い

12. マルチパラダイム変態言語C++
 次期標準規格 C++ 0x では
Support for
Garbage Collection
and
Reachability-Based Leak Detection

13. マルチパラダイム変態言語C++
 次期標準規格 C++ 0x では
Minimal Support for
Garbage Collection
and
Reachability-Based Leak Detection

14. Minimal Support for GC 以下略
 いくつかの概念
 Traceable pointer object
 Safely-derived pointer (value)
 5つの関数
 get_pointer_safety()
 (un)declare_no_pointers()
 (un)declare_reachable()

15. いくつかの概念(1)
 Traceable pointer object
 ポインタobj
 ポインタを格納するのに十分なサイズの整数obj
 キャラクタ型の配列の一部分
キャラクタ型だけな理由は恐らく strict aliasing rule
→ポインタ値が入っているかもしれないと処理系に
認識してもらえるobject
＝他の部分にはポインタ値が入っていない前提

16. いくつかの概念(2)
 Safely-derived pointer (value)
 ::operator new で返ってきた値 (例： new T)
 Safely-derived pointer value に対する
 逆参照→参照の結果 (例： &*p)
 ポインタ値の well-defined な演算結果 (例： p+1)
 ポインタ間の well-defined な変換結果
(例： static_cast<void*>(p))
 ポインタ・整数値間の reinterpret_cast による変換結果
(例： reinterpret_cast<intptr_t>(p))
→::operator new で確保された領域で
かつ有効であることが
処理系から確実に追跡可能なポインタ値

17. いくつかの概念(3)
 Safely-derived pointer (value)
これは safely-derived pointer value
T *p = new T;
intptr_t x = reinterpret_cast<intptr_t>(p) ^ 0x555
a:
T *q = reinterpret_cast<T*>(x ^ 0x555);
T y = *q;
こっちは safely-derived pointer value ではない
これも safely-derived pointer value ではない！
※値としては p と同じだが、結果ではなくて過程で判断

18. Minimal Support for GC 以下略
 いくつかの概念
 Traceable pointer object
 Safely-derived pointer (value)
 5つの関数
 get_pointer_safety()
 (un)declare_no_pointers()
 (un)declare_reachable()

19. 関数： get_pointer_safety()
 処理系のポインタ安全性(pointer safety)を
返す
Safely-derived pointer であるかによって
 relaxed: 処理が変わらない＝C++03相当
※relaxed と preferred は処理系定義
 preferred: preferred だと leak detector があったりする
かもしれない
※VC2010 は relaxed 返して他の関数も何もしない
 strict: safely-derived pointer でないポインタ値
(かつ後述の declare_reachable() が呼ばれてい
ない値)を介して動的確保された領域を逆参照、解放
すると未定義動作

20. Strict pointer safety
 Safely-derived pointer (value)
これは safely-derived pointer value
T *p = new T;
intptr_t x = reinterpret_cast<intptr_t>(p) ^ 0x555
a:
T *q = reinterpret_cast<T*>(x ^ 0x555);
T y = *q;
こっちは safely-derived pointer value ではない
これも safely-derived pointer value ではない！
未定義動作
※値としては p と同じだが、結果ではなくて過程で判断

21. 関数： (un)declare_no_pointers()
 void declare_no_pointers(char *p,
size_t n);
 void undeclare_no_pointers(char *p,
size_t n);
 指定された領域内にポインタ値がないことを
指定 or 指定解除する
→GC のスキャン範囲を狭められる

22. 関数： (un)declare_reachable
 void declare_reachable(void *p);
 safely-derived な pointer 値 p の参照先を
reachable だと宣言する
→参照先を GC 対象からはずす
 template<class T>
T* undeclare_reachable(T *p);
 参照先が reachable な p に対して、
safely-derived な pointer 値(pと同じ値)を返す
→参照先が GC 対象に復帰する
(※返値が safely-derived なので有効である間はGCされ
ない)

23. (un)declare_reachable()の使い方
 どうして必要なの？ これは safely-derived pointer value
T *p = new T;
intptr_t x = reinterpret_cast<intptr_t>(p) ^ 0x555
a:
T *q = reinterpret_cast<T*>(x ^ 0x555);
T y = *q;
こっちは safely-derived pointer value ではない
未定義動作 これも safely-derived pointer value ではない！
※値としては p と同じだが、結果ではなくて過程で判断
「ラベル a: の位置で GC がかかると p の参照先が回収される」 ？？？

24. (un)declare_reachable()の使い方
 どうして必要なの？ これは safely-derived pointer value
T *p = new T;
intptr_t x = reinterpret_cast<intptr_t>(p) ^ 0x555
a:
T *q = reinterpret_cast<T*>(x ^ 0x555);
T y = *q;
こっちは safely-derived pointer value ではない
未定義動作 これも safely-derived pointer value ではない！
※値としては p と同じだが、結果ではなくて過程で判断
「ラベル a: の位置で GC がかかると p の参照先が回収される」 問題は最適化

25. (un)declare_reachable()の使い方
 どうして必要なの？
T *p = new T; 以降 p の値は
intptr_t x = reinterpret_cast<intptr_t>(p) ^ 0x555 使われない
a:
T *q = reinterpret_cast<T*>(x ^ 0x555);
T y = *q;
※ p, x, q を同じレジスタに割り当てることが可能 以降 x の値は
→ラベル a: の時点で p の値がどこにも存在しない 使われない
→p の参照先 ＝ q の参照先が GC の回収対象になる！！
→*q で未定義動作
「ラベル a: の位置で GC がかかると p の参照先が回収される」 問題は最適化

26. (un)declare_reachable()の使い方
 C++0xでの正しいコード
*p は
reachable T *p = new T;
＝ declare_reachable(p); // 偽装前に declare_reachable() を呼ぶ
GC対象外 intptr_t x = reinterpret_cast<intptr_t>(p) ^ 0x555
a:
// T z = *reinterpret_cast<T*>(x ^ 0x555); // 合法
// 偽装終了時に undeclare_reachable() を呼ぶ
T *q = undeclare_reachable(reinterpret_cast<T*>(x ^ 0x555));
T y = *q;
注
※ declare_reachable した値と同じであれば safely-derived でなくとも逆参照が可能
※ undeclare_reachable の引数は safely-derived でなくとも reachable であれば良い
※ declare_reachable については「ポインタ値を偽装する」点が問題
a: で関数が別れている場合を考えれば最適化なしで議論は一緒

27. まとめ
 C++0x では最小限の GC サポートがある
 Safely-derived pointer という概念
＝ GC されていない生きているポインタ値
 5 つの関数が追加
 C++03相当でも規格合致(relaxed)
 しばらくそれ以上の実装はでなさそう？
 ポインタ値を偽装するコードは
declare_reachable() / undeclare_reachable()
を使って修正する必要がある

28. 参考文献
 N2670: Minimal Support for Garbage
Collection and Reachability-Based Leak
Detection (revised)
http://www.open-
std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2008/
n2670.htm
 Garbage Collection in the Next C++
Standard
http://www.hpl.hp.com/techreports/2009/H
PL-2009-360.pdf