深入探究Lua的GC算法（上）-《Lua设计与实现》

对于内存的管理，是程序在应用的时候的必需知识点，《Lua设计与实现》中对Lua语言的GC原理做了一个详细的讲解，云风的blog也对其进行了详尽的讲解Lua GC 的源码剖析 系列

给出作者 codedump 在github上的lua源码链接：https://github.com/lichuang/Lua-5.1.4-codedump

这儿就继续做《Lua设计与实现》的阅读笔记，对Lua GC原理及其过程做一个详尽的讲解，由于篇幅较大，就一分为二，写上下篇来讲解整个过程。

 

一、GC的原理及其算法设计

不同的语言，对GC算法的设计不同，常见的GC算法是引用计数和Mark-Sweep算法， c#采用的是Mark-sweep && compact算法， Lua采用的是Mark-sweep算法，分开说一下：

引用计数算法：在一个对象被引用的情况下，将其引用计数加1，反之则减1，如果计数值为0，则在GC的时候回收，这个算法有个问题就是循环引用。

Mark-sweep算法：每次GC的时候，对所有对象进行一次扫描，如果该对象不存在引用，则被回收，反之则保存。

在Lua5.0及其更早的版本中，Lua的GC是一次性不可被打断的过程，使用的Mark算法是双色标记算法(Two color mark)，这样系统中对象的非黑即白，要么被引用，要么不被引用，这会带来一个问题：在GC的过程中如果新加入对象，这时候新加入的对象无论怎么设置都会带来问题，如果设置为白色，则如果处于回收阶段，则该对象会在没有遍历其关联对象的情况下被回收；如果标记为黑色，那么没有被扫描就被标记为不可回收，是不正确的。

 

为了降低一次性回收带来的性能问题以及双色算法的问题，在Lua5.1后，Lua都采用分布回收以及三色增量标记清除算法（Tri-color incremental mark and sweep）

 

其基本的原理伪代码，参考书中原文为：

每个新创建的对象颜色设置为白色
//初始化阶段
遍历root节点中引用的对象，从白色置为灰色，并且放入到灰色节点列表中
//标记阶段
while(灰色链表中还有未扫描的元素)：
从中取出一个对象，将其置为黑色
遍历这个对象关联的其他所有对象：
if 为白色
标记为灰色，加入到灰色链表中(insert to the head)

//回收阶段
遍历所有对象：
if 为白色，
没有被引用的对象，执行回收
else
重新塞入到对象链表中，等待下一轮GC

二、GC的数据结构

分析Lua中对于需要GC的类型数据

#define iscollectable(o) (ttype(o) >= LUA_TSTRING)

都会有一个基本的定义CommonHeader，其定义为：

 

next: GCObject链表指针，该指针用来将所有的GC对象都链接在一个表中；

tt: 数据类型：nil, boolean, number, string...

marked: 标记字段，byte表示的字段颜色定义为

这儿特定解释一下为什么会有两种白色，前面提到，5.1后的Lua采用的是三色标记算法，其实质是四色标记算法，分为0型白色和1型白色，在GC回收的时候，会设置当前的白色为其中一种，详见globalstate中的currentwhite，这样在代码回收的时候，如果当前对象的白色不为currentwhite,则认为其不可回收，这样的对象需要等到下一次的GC才能决定是否回收，具体参看后面的，会有对应的应用。对于global_state的设计为：

具体的参数的作用，详见注释，就不在一一解释了

 

三、GC的流程

1、数据的创建

想要了解GC的过程，首先看看数据是怎么在创建的时候被链接到GC链表中的，主要分为三种数据的创建

1) 一般数据的创建 luaC_link

 

简单直接，直接insert to the head

2) upval的创建 luaC_linkupval

3) userdata(udata)的创建 luaS_newdata

 

2、开始GC

整个GC过程分为五个阶段，其定义为

其执行GC的函数为singlestep，来看第一步的操作：

进一步看看markroot的操作：

 

其实就是reset一遍相关的变量，然后标记mainthread, G表，registry表，然后切换到下一个标记阶段。

参看定义：

 

最后都要执行reallymarkobject函数（此处需要展示一下我的竖屏截图便利了：D）：

 

基本的注释都解释了各个对象是如何的处理的，udata是不会引用其他类型的数据，所以一步到黑色，upvalue则根据是否为close来决定是否标记到黑色，open状态的upvalue变化较为频繁，需要在后面的remarkupvals中解决。

写到这儿，已经写很长了，为了阅读的便利，让我们下一篇文章继续GC的进程吧：D