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深入Lua：垃圾回收3

 3 years ago
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深入Lua：垃圾回收3

作为垃圾回收的最后一篇，要来描述一下内存如何统计，什么时候触发GC，以后回收的灵敏度等问题。

看了这一章，你应该能够知道如何通过pause和step multiplier这两个参数来控制GC的速度。

global_state有两个字段是关于Lua的内存统计的：

l_mem totalbytes;
l_mem GCdebt;

在lua_newstate函数里，这两个字段初始为：

g->totalbytes = sizeof(LG);
g->GCdebt = 0;

在内存分配函数luaM_realloc_里，会根据分配或释放内存调整GCdebt的值：

void *luaM_realloc_ (lua_State *L, void *block, size_t osize, size_t nsize) {
  ...
  g->GCdebt = (g->GCdebt + nsize) - realosize;
  ...
}

到这里明确知道，这两个字段之和就是Lua当前已分配的内存，有一个宏可以验证这一点：

#define gettotalbytes(g)    cast(lu_mem, (g)->totalbytes + (g)->GCdebt)

判断是否触发GC的宏是：

#define luaC_condGC(L,pre,pos) \
    { if (G(L)->GCdebt > 0) { pre; luaC_step(L); pos;}; \
      condchangemem(L,pre,pos); }

判断条件非常简单，g->GCdebt如果大于0，就执行一次luaC_step。通过检查GCdebt这个字段的变化，就能知道GC的行为。

设置GCdebt的值是通过luaE_setdebt这个函数实现的：

void luaE_setdebt (global_State *g, l_mem debt) {
  l_mem tb = gettotalbytes(g);
  lua_assert(tb > 0);
  if (debt < tb - MAX_LMEM)
    debt = tb - MAX_LMEM;  /* will make 'totalbytes == MAX_LMEM' */
  g->totalbytes = tb - debt;
  g->GCdebt = debt;
}

debt可以小于0，这表示后面要分配debt的内存量之后，才会使GCdebt变成大于0，也就是才会触发GC。但不管debt怎么变，gettotalbytes(g)的值一定是精确的内存分配量。

luaC_step执行一步GC：

void luaC_step (lua_State *L) {
  global_State *g = G(L);
  // 1. 计算GC的内存债务
  l_mem debt = getdebt(g);  /* GC deficit (be paid now) */
  ...
  // 2. 循环执行singlestep，直到GC周期完毕，或debt小于某个值
  do {  /* repeat until pause or enough "credit" (negative debt) */
    lu_mem work = singlestep(L);  /* perform one single step */
    debt -= work;
  } while (debt > -GCSTEPSIZE && g->gcstate != GCSpause);
  if (g->gcstate == GCSpause)
    // 3. 如果GC结束，计算下一个阀值
    setpause(g);  /* pause until next cycle */
  else {
    // 4. 否则计算下一次触发的时机
    debt = (debt / g->gcstepmul) * STEPMULADJ;  /* convert 'work units' to Kb */
    luaE_setdebt(g, debt);
    runafewfinalizers(L);
  }
}

第一步是调用getdebt获得一个debt值，这个值指定GC要做的工作量，先看这个函数的实现：

static l_mem getdebt (global_State *g) {
  l_mem debt = g->GCdebt;
  int stepmul = g->gcstepmul;
  if (debt <= 0) return 0;  /* minimal debt */
  else {
    debt = (debt / STEPMULADJ) + 1;
    debt = (debt < MAX_LMEM / stepmul) ? debt * stepmul : MAX_LMEM;
    return debt;
  }
}

从代码可看出返回值和GCdebt，gcstepmul这两个字段有关，gcstepmul是对GCdebt的一个缩放，gcstepmul越大，返回的值越大，说明GC一步要做的工作量越多。

第二步是不断的调用singlestep进行GC处理，函数返回的值表示它遍历过多少内存，一直到debt小于某个值，或者是GC完毕，这个步算结束。

第三步表示一个周期执行完了，调用setpause重新计算下一个GC周期的内存阀值：

static void setpause (global_State *g) {
  l_mem threshold, debt;
  l_mem estimate = g->GCestimate / PAUSEADJ;  /* adjust 'estimate' */
  lua_assert(estimate > 0);
  threshold = (g->gcpause < MAX_LMEM / estimate)  /* overflow? */
            ? estimate * g->gcpause  /* no overflow */
            : MAX_LMEM;  /* overflow; truncate to maximum */
  debt = gettotalbytes(g) - threshold; 
  luaE_setdebt(g, debt);
}

GCestimate是正在使用的非垃圾内存的估计值，在原子阶段结束，该值等于gettotalbytes。后面的清扫阶段，该值不断减掉回收的内存。所以在GC周期结束时，该值差不多就是正在使用的内存。

threshold和gcpause成正比，gcpause越大，表示内存阀值越大，比如等于200，表示阀值等于内存使用的2倍。最后通过luaE_setdebt调整下次GC的条件，这样就会等到内存增长为2倍时才开始下一个GC周期。

总结一下：

  • g->gcpause 控制新GC周期间隔，值越大GC越不灵敏，如果值小于100那么GC周期不停顿，如果值等于200，那么GC会等内存增长2倍之后才开始新的GC周期。
  • g->gcstepmul 控制GC的回收速度，200表示回收速度是内存分配的2倍，如果是一个很大值，GC就像一个stop-the-world的回收器一样。

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