สภาพแวดล้อมรันไทม์สามารถตรวจจับลูปไม่สิ้นสุดได้หรือไม่

เป็นไปได้หรือไม่ที่สภาพแวดล้อมรันไทม์สามารถตรวจจับลูปไม่สิ้นสุดและหยุดกระบวนการที่เกี่ยวข้องในภายหลังหรือจะใช้ตรรกะดังกล่าวเทียบเท่ากับการแก้ปัญหาการหยุดชะงักหรือไม่

สำหรับวัตถุประสงค์ของคำถามนี้ฉันกำหนด "infinite loop" เพื่อหมายถึงชุดคำสั่งและข้อมูลสแต็คเริ่มต้น / กองที่เกี่ยวข้องซึ่งเมื่อดำเนินการแล้วให้ส่งคืนกระบวนการกลับสู่สถานะเดิม (รวมถึงข้อมูล) เหมือนเดิม เริ่มการวนซ้ำไม่สิ้นสุด (กล่าวอีกนัยหนึ่งโปรแกรมที่สร้างการขยายทศนิยมแบบไม่มีกำหนดระยะยาวของ pi จะไม่ "ติด" ใน "infinite loop" เนื่องจากในการวนซ้ำทุกครั้งจะมี pi จำนวนมากขึ้นในหน่วยความจำที่เกี่ยวข้อง)

(พอร์ตจาก/programming//q/16250472/1858225 )

อาจเป็นไปได้ในทางทฤษฎีสำหรับสภาวะแวดล้อมรันไทม์เพื่อตรวจสอบลูปดังกล่าวโดยใช้โพรซีเดอร์ต่อไปนี้:

หลังจากคำสั่งดำเนินการแล้วสภาพแวดล้อมรันไทม์จะสร้างภาพที่สมบูรณ์ของสถานะของกระบวนการทำงาน (เช่นหน่วยความจำทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับมันรวมถึงรีจิสเตอร์ PC สแต็คกองซ้อนและกลม) บันทึกภาพนั้นจากนั้นตรวจสอบ ดูว่าตรงกับรูปภาพที่บันทึกไว้ก่อนหน้านี้ของกระบวนการนั้นหรือไม่ หากมีการแข่งขันกระบวนการจะติดอยู่ในการวนซ้ำไม่สิ้นสุด มิฉะนั้นคำสั่งต่อไปจะถูกดำเนินการและกระบวนการซ้ำแล้วซ้ำอีก

ในความเป็นจริงแทนที่จะทำการตรวจสอบนี้หลังจากทุกคำสั่งเดียวสภาพแวดล้อมรันไทม์สามารถหยุดกระบวนการชั่วคราวเป็นระยะและทำให้ประหยัดสถานะ หากกระบวนการติดอยู่ในการวนซ้ำไม่สิ้นสุดที่เกี่ยวข้องกับn state จากนั้นหลังจากการตรวจสอบn ครั้งส่วนใหญ่จะมีการตรวจสอบสถานะที่ซ้ำกัน

หมายเหตุแน่นอนว่านี่ไม่ใช่วิธีแก้ไขปัญหาการหยุดชะงัก ความแตกต่างจะกล่าวถึงที่นี่

แต่คุณลักษณะดังกล่าวจะเป็นของเสียมหาศาลของทรัพยากร ; การหยุดกระบวนการอย่างต่อเนื่องเพื่อบันทึกหน่วยความจำทั้งหมดที่เกี่ยวข้องจะทำให้ช้าลงอย่างมากและใช้หน่วยความจำจำนวนมหาศาลอย่างรวดเร็ว (แม้ว่าจะสามารถลบภาพเก่าได้หลังจากผ่านไประยะหนึ่งแล้วก็มีความเสี่ยงที่จะ จำกัด จำนวนภาพทั้งหมดที่สามารถบันทึกได้เนื่องจากมีการวนซ้ำไม่สิ้นสุด - เช่นภาพที่มีหลายรัฐ - อาจไม่ติดถ้ามีน้อยเกินไป สถานะถูกเก็บไว้ในหน่วยความจำ) นอกจากนี้คุณลักษณะนี้จะไม่ให้ประโยชน์มากนักเนื่องจากความสามารถในการตรวจจับข้อผิดพลาดจะมี จำกัด มากและเนื่องจากค่อนข้างง่ายในการค้นหาลูปที่ไม่มีที่สิ้นสุดกับวิธีการตรวจแก้จุดบกพร่องอื่น ๆ และการรับรู้ข้อผิดพลาดเชิงตรรกะ)

ดังนั้นฉันสงสัยว่าสภาพแวดล้อมรันไทม์ดังกล่าวมีอยู่จริงหรือจะมีอยู่จริงยกเว้นว่ามีบางคนตั้งโปรแกรมเพื่อความบันเทิง (ซึ่งตอนนี้ฉันค่อนข้างอยากจะทำ)

สมมติว่าโปรแกรมไม่โต้ตอบกับโลกภายนอกดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะสรุปสถานะทั้งหมดของโปรแกรม (ซึ่งหมายความว่ามันไม่ได้ทำการป้อนข้อมูลใด ๆ อย่างน้อย) นอกจากนี้สมมติว่าโปรแกรมกำลังทำงานในสภาพแวดล้อมที่กำหนดไว้เพื่อให้แต่ละรัฐมีผู้สืบทอดที่ไม่ซ้ำกันซึ่งหมายความว่ารันไทม์ไม่ได้เป็นเธรดหรือเธรด สามารถลดลงไปเป็นลำดับ

ภายใต้สมมติฐานที่ไม่น่าจะเป็นไปได้สูง แต่ไม่มีข้อ จำกัด ในทางทฤษฎีเราสามารถทำซ้ำโปรแกรมและรันโปรแกรมในสองช่วงเวลาแยกกัน แต่ละคนจะทำการคำนวณเดียวกัน

งั้นลองทำดู เราจะเรียกใช้ครั้งเดียวในรันไทม์ของ Tortoise และในเวลาเดียวกันเราจะเรียกใช้ในรันไทม์ของ Hare อย่างไรก็ตามเราจะจัดการให้รันไทม์ของ Hare ทำงานเร็วเป็นสองเท่า ทุกครั้งที่รันไทม์ของ Tortoise สร้างเพียงหนึ่งขั้นตอนรันไทม์ของ Hare จะทำสองขั้นตอน

ตอนนี้เราสามารถเปรียบเทียบสถานะหลังจากทุกขั้นตอนของ Tortoise runtime หากโปรแกรมเข้าสู่วงวนไม่รู้จบ$n$ ขั้นตอนหลังจากคำนำหน้าบางส่วนที่ไม่ใช่ลูป $p$ ขั้นตอนจากนั้นรัฐกระต่ายและเต่าจะเหมือนกันในทุกขั้นตอนของเต่า $kn$ สำหรับจำนวนเต็มใด ๆ $k$ ที่ไหน $kn\ge p$.

ค่าใช้จ่ายทั้งหมดของการทดสอบคือหนึ่งสถานะพิเศษและการเปรียบเทียบหนึ่งสถานะต่อขั้นตอนและจะสิ้นสุดในไม่เกินสามเท่าของจำนวนขั้นตอนที่โปรแกรมใช้เพื่อให้ลูปแรกเสร็จสมบูรณ์ (ครั้งหนึ่งในเต่าและสองครั้งในกระต่ายรวมเป็นสามครั้ง)

ตามเงื่อนไขที่ฉันใช้บ่งบอกว่านี่เป็นเพียงอัลกอริทึมTortoise และ Hare cycle-detection ที่มีชื่อเสียงของ Robert Floyd

เช่นเดียวกับที่ฉันจะแนะนำอัลกอริธึมการตรวจจับวัฏจักรของฟลอยด์โพสต์ของริชก็เอาชนะฉันได้ อย่างไรก็ตามสิ่งทั้งหมดสามารถทำได้ในทางปฏิบัติมากขึ้นโดยเร่งการเปรียบเทียบสถานะเต็ม

คอขวดของอัลกอริทึมที่เสนอจะอยู่ในการเปรียบเทียบสถานะเต็ม การเปรียบเทียบเหล่านี้มักจะไม่เสร็จสมบูรณ์ แต่หยุดก่อน - ที่ความแตกต่างแรก การปรับให้เหมาะสมอย่างหนึ่งคือจดจำความแตกต่างในอดีตที่เกิดขึ้นและตรวจสอบส่วนต่าง ๆ ของรัฐก่อน ตัวอย่างเช่นรักษารายชื่อของสถานที่และผ่านรายการนี้ก่อนทำการเปรียบเทียบแบบเต็ม เมื่อตำแหน่งจากรายการนี้แสดงถึงความแตกต่างให้หยุดการเปรียบเทียบ (กับความล้มเหลว) และย้ายตำแหน่งไปยังด้านหน้าของรายการ

วิธีการที่แตกต่างกัน (และมีความยืดหยุ่นมากขึ้น) คือการใช้การแฮ็กแบบเพิ่มหน่วย เลือกฟังก์ชั่นของสถานะเต็มซึ่งค่าแฮชสามารถปรับได้ง่ายใน O (1) เมื่อบางส่วนของสถานะเปลี่ยนไป ตัวอย่างเช่นรับผลรวมถ่วงน้ำหนักของคำพูดของรัฐ mod บางนายกขนาดใหญ่และ concatenate กับยอดรวมถ่วงน้ำหนัก mod บางนายกขนาดใหญ่อื่น ๆ (ยังสามารถโยนในผลรวมถ่วงน้ำหนักแบบแยกส่วนของสี่เหลี่ยมของคำที่มีน้ำหนักที่แตกต่างกันและมอดุลัส) วิธีนี้การอัพเดตแฮชจะใช้เวลา O (1) ในแต่ละขั้นตอนการดำเนินการและการเปรียบเทียบจะใช้เวลา O (1) จนกว่าคุณจะได้รับผลกระทบ ความน่าจะเป็นของการบวกปลอม (กล่าวคือแฮชตรงกันในขณะที่สถานะแตกต่างกัน) อยู่ในระดับต่ำมากและแม้ว่าจะเคยเกิดเหตุการณ์เช่นนี้ขึ้นมาก็ตามมันจะตัดจำหน่ายจำนวนเชิงลบที่แท้จริงจำนวนมาก

แน่นอนในทางปฏิบัติดูเหมือนว่ามีแนวโน้มที่จะเข้าสู่สถานการณ์มากขึ้นเช่นการสร้างตัวเลขของจำนวนตัวเลข --- สิ่งที่เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา แต่ไม่มีวันสิ้นสุด ความเป็นไปได้ที่พบบ่อยคือการวนซ้ำไม่สิ้นสุดจะจัดสรรหน่วยความจำซึ่งในกรณีนี้มันจะหมดหน่วยความจำที่มีอยู่ทั้งหมดอย่างรวดเร็ว

ในหลักสูตรของฉันเกี่ยวกับอัลกอริทึมและโครงสร้างข้อมูลออโตแกรเดอร์ของเราต้องจัดการกับการส่งของนักเรียนที่บางครั้งก็เข้าสู่ลูปไม่สิ้นสุด นี่คือการดูแลโดยการหมดเวลา 30 วินาทีและ จำกัด หน่วยความจำบางอย่าง ทั้งสองมีความคลาดเคลื่อนมากกว่างบประมาณรันไทม์และงบประมาณหน่วยความจำที่เรากำหนดให้เป็นส่วนหนึ่งของการให้คะแนน ฉันไม่แน่ใจว่าการใช้การตรวจจับวง จำกัด จริงจะทำให้รู้สึกมากในบริบทนี้เพราะโปรแกรมดังกล่าวจะทำงานช้าลงเล็กน้อย (นี่คือที่สนับสนุนฮาร์ดแวร์สำหรับรัฐ hashing สามารถช่วย แต่อีกครั้งคุณจะต้องใช้เพิ่มเติมเพื่อ พิสูจน์สิ่งนี้) เมื่อนักเรียนรู้ว่าโปรแกรมหมดเวลาพวกเขามักจะพบว่าวงวนไม่สิ้นสุด

aproveเครื่องมือการยุติการดำเนินการวิเคราะห์แบบคงที่ในระบบการเขียน (รวมถึงคลาสย่อยของโปรแกรม Haskell ก) ซึ่งสามารถพิสูจน์ได้ว่าไม่ใช่การเลิกจ้าง, ให้เป็นตัวอย่างที่เกิดขึ้นจริงที่ไม่ใช่การยกเลิกโปรแกรม เทคนิคค่อนข้างทรงพลังและทำงานโดยใช้เทคนิคที่เรียกว่าการลดระดับ

เท่าที่ฉันรู้ว่ามีไม่มากในการตรวจสอบการเลิกจ้างจริงสำหรับภาษาทั่วไป