探索Lua5.2内部实现:Garbage Collection(1) 原理

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Lua5.2采用垃圾回收机制对所有的lua对象(GCObject)进行管理。Lua虚拟机会定期运行GC,释放掉已经不再被被引用到的lua对象。

基本算法

基本的垃圾回收算法被称为”mark-and-sweep”算法。算法本身其实很简单。

首先,系统管理着所有已经创建了的对象。每个对象都有对其他对象的引用。root集合代表着已知的系统级别的对象引用。我们从root集合出发,就可以访问到系统引用到的所有对象。而没有被访问到的对象就是垃圾对象,需要被销毁。

我们可以将所有对象分成三个状态:

  1. White状态,也就是待访问状态。表示对象还没有被垃圾回收的标记过程访问到。
  2. Gray状态,也就是待扫描状态。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. Black状态,也就是已扫描状态。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。
    基本的算法可以描述如下:
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    当前所有对象都是White状态;
    将root集合引用到的对象从White设置成Gray,并放到Gray集合中;
    while(Gray集合不为空)
    {
    从Gray集合中移除一个对象O,并将O设置成Black状态;
    for(O中每一个引用到的对象O1) {
    if(O1在White状态) {
    将O1从White设置成Gray,并放到到Gray集合中;
    }
    }
    }
    for(任意一个对象O){
    if(O在White状态)
    销毁对象O;
    else
    将O设置成White状态;
    }

Incremental Garbage Collection

上面的算法如果一次性执行,在对象很多的情况下,会执行很长时间,严重影响程序本身的响应速度。其中一个解决办法就是,可以将上面的算法分步执行,这样每个步骤所耗费的时间就比较小了。我们可以将上述算法改为以下下几个步骤。
首先标识所有的root对象:

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当前所有对象都是White状态;
将root集合引用到的对象从White设置成Gray,并放到Gray集合中;
``
遍历访问所有的gray对象。如果超出了本次计算量上限,退出等待下一次遍历:
```c
<p>while(Gray集合不为空,并且没有超过本次计算量的上限)</p>{
从Gray集合中移除一个对象O,并将O设置成Black状态;
for(O中每一个引用到的对象O1) {
if(O1在White状态) {
将O1从White设置成Gray,并放到到Gray集合中;
}
}
}

销毁垃圾对象:

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for(任意一个对象O){
if(O在White状态)
销毁对象O;
else
将O设置成White状态;
}

在每个步骤之间,由于程序可以正常执行,所以会破坏当前对象之间的引用关系。black对象表示已经被扫描的对象,所以他应该不可能引用到一个white对象。当程序的改变使得一个black对象引用到一个white对象时,就会造成错误。解决这个问题的办法就是设置barrier。barrier在程序正常运行过程中,监控所有的引用改变。如果一个black对象需要引用一个white对象,存在两种处理办法:

  1. 将white对象设置成gray,并添加到gray列表中等待扫描。这样等于帮助整个GC的标识过程向前推进了一步。
  2. 将black对象该回成gray,并添加到gray列表中等待扫描。这样等于使整个GC的标识过程后退了一步。

这种垃圾回收方式被称为”Incremental Garbage Collection”(简称为”IGC”,Lua所采用的就是这种方法。使用”IGC”并不是没有代价的。IGC所检测出来的垃圾对象集合比实际的集合要小,也就是说,有些在GC过程中变成垃圾的对象,有可能在本轮GC中检测不到。不过,这些残余的垃圾对象一定会在下一轮GC被检测出来,不会造成泄露。

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