Lua 源码学习笔记（4）GC

Lua 源码学习笔记（4）GC

参考书籍：《Lua设计与实现》

作者书籍对应Github：https://github.com/lichuang/Lua-Source-Internal

云风的 BLOG，Lua GC 的工作原理：https://blog.codingnow.com/2018/10/lua_gc.html

云风的 BLOG，Lua GC 的源码剖析 (1)：https://blog.codingnow.com/2011/03/lua_gc_1.html

探索Lua5.2内部实现:Garbage Collection(1) 原理：https://blog.youkuaiyun.com/yuanlin2008/article/details/8558103

探索Lua5.2内部实现:Garbage Collection(2)：https://blog.youkuaiyun.com/yuanlin2008/article/details/8684869

深入探究Lua的GC算法（上）-《Lua设计与实现》：https://www.cnblogs.com/zblade/p/8824376.html

• Lua版本：5.3.5

概述

• GC一般原理：遍历系统所有对象，没有引用的对象就认为是可以回收的，可以删除。

• 引用计数算法：对象被引用的时候加1，反之减1，如果引用数量为0，就是没有引用。这个算法优点是不用遍历所有对象，但是有个缺点是，会有循环引用问题。

• 标记清除算法：首先扫描标记系统中所有对象，被扫描并且标记到的对象认为是可达的（reachable），这些对象不会不会被回收，反之可以。（Lua使用这种）

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Lua5.0版本GC算法：双色标记清除法

• 缺点：不能被打断，标记阶段和回收阶段必须一起完成。（即如果中间过程加入新对象，标记为白色就会被回收，标记为黑色就还没有被扫描过。）

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Lua5.1版本GC算法：三色标记清除法

1. 白色：待访问状态。表示对象还没有被垃圾回收的标记过程访问到。
2. 灰色：待扫描状态。表示对象已经被垃圾回收访问到了，但是对象本身对于其他对象的引用还没有进行遍历访问。
3. 黑色：已扫描状态。表示对象已经被访问到了，并且也已经遍历了对象本身对其他对象的引用。

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

• 双白色：简单地说， Lua 中的白色分为“当前白色”（ currentwhite ）和“非当前白色”（ otherwhite ） 。这两种白色的状态交替使用。代码在回收时会做判断，如果某个对象的白色不是此次GC 使用的白色状态，那么将不会认为是没有被引用的对象而回收，这样的白色对象将留在下一次GC 中进行扫描。

// lgc.h

/* Layout for bit use in 'marked' field: */
#define WHITE0BIT	0  /* object is white (type 0) */
#define WHITE1BIT	1  /* object is white (type 1) */
#define BLACKBIT	2  /* object is black */
#define FINALIZEDBIT	3  /* object has been marked for finalization */
/* bit 7 is currently used by tests (luaL_checkmemory) */

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具体流程

创建对象luaC_newobj

1. 创建GCObject
2. 标记白色
3. 设置类型
4. 放到GC列表

// lgc.c

/*
** create a new collectable object (with given type and size) and link
** it to 'allgc' list.
*/
GCObject *luaC_newobj (lua_State *L, int tt, size_t sz) {
  global_State *g = G(L);
  GCObject *o = cast(GCObject *, luaM_newobject(L, novariant(tt), sz));
  o->marked = luaC_white(g);
  o->tt = tt;
  o->next = g->allgc;		// 插在GC列表表头
  g->allgc = o;				/* list of all collectable objects */
  return o;
}

执行单步singlestep

// lgc.h

/*
** Possible states of the Garbage Collector，GC过程中的步骤
*/
#define GCSpropagate	0
#define GCSatomic	1
#define GCSswpallgc	2
#define GCSswpfinobj	3
#define GCSswptobefnz	4
#define GCSswpend	5
#define GCScallfin	6
#define GCSpause	7


static lu_mem singlestep (lua_State *L) {
  global_State *g = G(L);
  switch (g->gcstate) {
    case GCSpause: {			// 一段GC循环的开始
      g->GCmemtrav = g->strt.size * sizeof(GCObject*);
      restartcollection(g);		// 标记为灰色:mark root set and reset all gray lists, to start a new collection
      g->gcstate = GCSpropagate;
      return g->GCmemtrav;
    }
    case GCSpropagate: {		// 传播阶段？
      g->GCmemtrav = 0;
      lua_assert(g->gray);
      propagatemark(g);			// 转换灰成黑（除了线程，一直是灰）
       if (g->gray == NULL)  	// 如果没有灰对象了，就执行下一个阶段
        g->gcstate = GCSatomic;  /* finish propagate phase */
      return g->GCmemtrav;  /* memory traversed in this step */
    }
    case GCSatomic: {
      lu_mem work;
      propagateall(g);  /* make sure gray list is empty */
      work = atomic(L);  /* work is what was traversed by 'atomic' */
      entersweep(L);		// 进入回收阶段
      g->GCestimate = gettotalbytes(g);  /* first estimate */;
      return work;
    }
    case GCSswpallgc: {  /* sweep "regular" objects */
      return sweepstep(L, g, GCSswpfinobj, &g->finobj);
    }
    case GCSswpfinobj: {  /* sweep objects with finalizers */
      return sweepstep(L, g, GCSswptobefnz, &g->tobefnz);
    }
    case GCSswptobefnz: {  /* sweep objects to be finalized */
      return sweepstep(L, g, GCSswpend, NULL);
    }
    case GCSswpend: {  /* finish sweeps */
      makewhite(g, g->mainthread);  /* sweep main thread */
      checkSizes(L, g);				// 有必要时，收缩String表
      g->gcstate = GCScallfin;
      return 0;
    }
    case GCScallfin: {  /* call remaining finalizers */
      if (g->tobefnz && g->gckind != KGC_EMERGENCY) {
        int n = runafewfinalizers(L);		// 针对每个对象调用回收方法
        return (n * GCFINALIZECOST);
      }
      else {  /* emergency mode or no more finalizers */
        g->gcstate = GCSpause;  /* finish collection */
        return 0;
      }
    }
    default: lua_assert(0); return 0;
  }
}



/*
** mark root set and reset all gray lists, to start a new collection
** 标记 mainthread，l_registry，G表 为灰色，最终跑到reallymarkobject
*/
static void restartcollection (global_State *g) {
  g->gray = g->grayagain = NULL;
  g->weak = g->allweak = g->ephemeron = NULL;
  markobject(g, g->mainthread);
  markvalue(g, &g->l_registry);
  markmt(g);
  markbeingfnz(g);  /* mark any finalizing object left from previous cycle */
}

barrier操作

• 向前走一步：如果一个新创建对象的颜色是白色，而它被一个黑色对象引用了，那么将这个对象的颜色从白色变成灰色。
  • 当前GC没有在扫描阶段标记，就标记这个对象，否则标记白色，等下次扫描。
• 向后走一步：黑色的对象回退到灰色，也就是这个原先已经被标记为黑色的对象需要重新被扫描。
  • 对于表：只要有对象新增到Table，就回退到灰色重新扫。

/*
** barrier that moves collector forward, that is, mark the white object
** being pointed by a black object. (If in sweep phase, clear the black
** object to white [sweep it] to avoid other barrier calls for this
** same object.)
*/
void luaC_barrier_ (lua_State *L, GCObject *o, GCObject *v) {
  global_State *g = G(L);
  lua_assert(isblack(o) && iswhite(v) && !isdead(g, v) && !isdead(g, o));
  if (keepinvariant(g))  /* must keep invariant? */
    reallymarkobject(g, v);  /* restore invariant */
  else {  /* sweep phase */
    lua_assert(issweepphase(g));
    makewhite(g, o);  /* mark main obj. as white to avoid other barriers */
  }
}


/*
** barrier that moves collector backward, that is, mark the black object
** pointing to a white object as gray again.
*/
void luaC_barrierback_ (lua_State *L, Table *t) {
  global_State *g = G(L);
  lua_assert(isblack(t) && !isdead(g, t));
  black2gray(t);  /* make table gray (again) */
  linkgclist(t, g->grayagain);
}

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进度控制

• 两种方式回收：
  • 自动回收：GCdebt 大于0。
  • 用户调API

/*
** Does one step of collection when debt becomes positive. 'pre'/'pos'
** allows some adjustments to be done only when needed. macro
** 'condchangemem' is used only for heavy tests (forcing a full
** GC cycle on every opportunity)
*/
#define luaC_condGC(L,pre,pos) \
	{ if (G(L)->GCdebt > 0) { pre; luaC_step(L); pos;}; \
	  condchangemem(L,pre,pos); }

/* more often than not, 'pre'/'pos' are empty */
#define luaC_checkGC(L)		luaC_condGC(L,(void)0,(void)0)