lua gc算法 - 标记清除

Posted 2021-04-10 Lua探索之旅

垃圾回收

垃圾回收（garbage collect，简称gc）是虚拟机区别于传统c/c++开发的重要标志，程序员终于告别头疼的内存越界、泄漏等问题，在性能要求不是非常高的场合，可以放心使用vm的垃圾回收功能。

lua虚拟机在5.0版本后使用的是增量式垃圾收集算法，该算法是标记清除（mark sweep）算法的升级版本，也称为三色标记清除算法。本文将介绍标记清除这一简单的gc算法，该算法在lua5.0版本之前使用。

以一段代码段为例：

for i=1,100 do
  a = { }
end
print(a)

该代码段循环100次，每次循环创建一个table，赋值给a。

可以看到，前99次创建的 table由于没有任何变量引用，变成了垃圾资源，那么虚拟机该如何回收这些垃圾table呢？

一个运行中的vm主要包括运行栈、全局对象表、指令列表，其中指令列表作为输入数据，那么任意一个活跃的变量要么在运行栈里，要么在全局表里：

活跃变量 in { 运行栈 or 全局对象表 }

如果一个内存对象没有被任何活跃变量引用，那么该内存对象就是垃圾资源，需要vm去回收。根据以上原理，可以得到一个结论：

一个内存对象要么被运行栈引用，要么被全局对象引用，
否则ta就是垃圾资源。

标记清除算法

（1）管理gc对象

回到上面的代码段，table是vm运行时动态创建的内存对象，需要由vm自动回收，那么vm如何知道有哪些table需要回收呢？

方法是将每次创建的table用链表串联起来，比如for循环已经创建了3个table，那么链表就是：

gclist -> table3 -> table2 -> table1

每次将新对象插入链表的头部位置，并且记录对象的gcstate为未标记(no mark)。

（2）执行gc

当达到gc阈值后，比如gclist长度达到20个后，执行一次gc。 

根据上面的分析，有效的内存对象要么被运行栈引用，要么被全局对象引用，可以先扫描一遍运行栈和全局对象表：

for obj in 运行栈
  标记 obj
end
for obj in 全局对象表
  标记 obj
end

将有效的内存对象包括其内部的子对象的gcstate为标记(marked)。

（3）清除垃圾

完成标记后，遍历一次gclist，将仍未标记的对象从链表中取出并释放，剩余的都是有效对象，将剩余对象的gcstate再重置为未标记。

以上就是标记清除算法的实现逻辑，简单描述就是标记有用的资源，清除未标记的垃圾资源，流程图如下所示：

算法思考

（1）阈值如何设置？

gc是为了及时释放垃圾资源，避免内存用尽，但gc本身会暂停正常逻辑，占用一定的cpu时间，严重时会影响程序性能。

假若机器内存非常大，比如有100G，vm每小时会产生1G的垃圾资源，那么可以每隔10小时检查一次gc，比如在半夜3~4点专注释放垃圾2小时，也没什么问题。 或者启动一个新服务，直接kill掉当前服务，也没啥问题。

假若机器内存有限，就必须考虑尽快释放垃圾资源，但是也不能每次创建对象时都执行一次gc，必须设定一个阈值，超过阈值后再执行gc。

简单的方法就是设定一个基础值，比如100，即gclist串联的对象少于100时，不执行gc。

超过100时，执行一次gc，完成gc后，用max（gclist剩余长度 * 2，100）作为新阈值，乘以2的是为了当内存对象持续增加时，动态提升阈值。

（2）gc性能

标记清除算法是典型的stop  the world实现，对于响应速度要求高的服务来说，gc可能是个瓶颈，所以需要将gc步骤拆分为多步，比如一次gc需要10ms，可拆分为多次执行，每次只需要1~2ms，但多步gc的实现更加复杂，增量式垃圾回收就是通过增加颜色标记实现的。