深入探究Lua的GC算法
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
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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。
3、GC的扫描阶段 GCSpropagate
只要处于这个阶段，就会分2种情况执行，一个是propagatemark，一个是atomic，让我们分别看其实现过程。
首先看处于灰色链表中一直都有对象的情况，在这步操作当中，是可以分步操作的，整个GC的分步操作，就是在这一步操作中，在每次扫描后，都会返回本次扫描标记的对象的大小之和，再下一个分步执行的时候再继续执行，而一旦进入atomic函数中，就需要一次性的执行，不能再分步执行了。
来看propagatemark函数是如何实现的：
对于table，如果该表是weak表，则退回到灰色状态，否则遍历表的数组和散列表部分进行标记，详见traversetable函数；
对于func，traverseclosure主要对func中的upval进行标记；
对于thread, 则将其移植到grayagain中，放在atomic中进行处理；
对于proto，对其中的字符串、upvalue、局部变量等进行遍历标记；
注意，这儿没有处理string\udata类型数据，这是放在其他部分进行的，不需要进行相关的标记；
4、GC 扫描阶段的barrier操作
由于采用分步式增量扫描标记算法，所以会出现在分步操作过程中，新增加的对象与被扫描过的对象之间有引用关系的变化，未来确保黑色对象引用的对象中有白色对象，lua提供了两种操作设计：
1）标记过程向前走一步 luaC_barrierf
如果新建对象是白色，而它被一个黑色对象引用了，那么将这个新建对象颜色从白色变为灰色；
2）标记过程向后走一步 luaC_barrierback
类似于上，此时将引用的它的黑色对象的颜色从黑色变为灰色，使得其重新被扫描一次
(或许你看出截图颜色变了，是的，回家了，又是新的编辑器了~)
从define可以看出，只有table需要进行luaC_barrierback，这是由于table本身设计，就是一个table可能会对应N个key或者value，这样如果新增一个key/value，如果将其置为灰色，然后将其加入gray链表中，这样多个添加会带来较大的性能。
采用向后，就是将该table对象退回到gray状态，这样添加多个，其实质都是只改变该table一次，注意这个gray不是改为gray链中，而是将该table加入到grayagain链中，在扫描完gray链后再扫描grayagain链即可。参考源码即可：
对比向前比较简单了：直接调用reallymarkoject
5、GC的atomic操作
当gray链表中对象都标记完成后，会执行一次atomic操作，注意这个操作是不能被打断的，所以叫原子操作，参考源码：
首先处理上一篇文章中提到的对open状态的upvalues，然后处理一次gray链表；
然后处理整个弱表，将lua_State指针指向meta表，然后处理一次gray链表
然后处理grayagain链表，类似于上
然后处理udata，其处理函数为luaC_separateudata:
注释很详细，注意放到tmudata链表中后，是在后续操作再集中处理一次；
处理完基本的几个数据后，atomic会把白色类型切换到下一个GC操作的白色类型，然后修改状态到回收阶段CGSsweepstring， 这儿对sweepstrgc进行了赋初值，是为了下面的字符串定位。
6、GC的回收阶段 GCSsweepstring/GCSsweep
首先进入的回收阶段是对字符串的处理
虽然是case，但是其实质是一个循环，每次取出散列表中的一个字符串链表，进行一次遍历回收，sweepwholelist最终会调用到sweeplist，等一下给出源码。
当处理完所有的字符串后，切换到GCSsweep状态：
关键操作是sweeplist，参看其源码：
代码中也对前面说的多色标记中的两种白色的作用做了讲解，otherwhite就是本次不可回收的白色，如果处理的对象的白色就是otherwhite，是不会被回收的
7、结束阶段 GCSfinalize
这是整个GC的最后阶段了，来看看其操作的源码：
首先处理，是否有前面提到的tmudata链表， 其操作函数为GCTM：
注意，udata本身有GC方法，未来确保其GC方法的调用，实在这次GC中调用G方法，但是这个udata本身，是在下一次的GC中才会被回收的。udata的GC调用则是在fasttm中调用TM_GC来实现。
初看也会迷糊怎么循环的，其实结合上面的case中的 if(g->tmudata)可以理解，为什么每次GCTM都会执行 g->tmudata的移动赋值操作。
最终万事大吉，本次GC流程走完，设置到GCSpause状态，等待下一次GC调用。
8、GC的进度控制
其实GC的调用，可以分为两种，一种是自动调用，一个是手动调用
自动调用函数： luaC_checkGC
一般不希望自动GC，可以采用setthreshold，将GCthreshold的值设置为非常大，这样不回自动触发GC
手动调用，则设置GC的相关参数 setthreshold：
estimate是对当前内存使用量的一个预估值，gcpause是一个百分比，通过lua_gc可以设置，另一个gc进度的参数是gcstepmul，其主要影响singlestep函数的调用次数，具体原因参看源码：
整个流程都在注释中讲解了，其中关键是lim的设置，然后不断的调用singlestep, 然后处理GC状态即可，注意setthreshold是设置的两次GC之间的时间间隔。由于修改了threshold，对于关闭自动GC的情况，需要再次重新设置关闭自动GC一次。
9、总结
对于lua的GC的原理的探究就到这儿，熟悉一门语言的GC流程后，同理去推导理解其他语言的GC会有很大帮助，同时也可以在平时使用lua的时候，对于GC的一些操作更加知其所以然。大家共勉！