Lua GC 的源码剖析 (3)
有了前几天的基础，我们可以从顶向下来读 lua gc 部分的代码了。
我们知道，lua 对外的 API 中，一切个 gc 打交道的都通过 lua_gc 。C 语言构建系统时，一般不讲设计模式。但模式还是存在的。若要按《设计模式》中的分类，这应该归于 Facade 模式。代码在 lapi.c 的 895 行：
/*
** Garbage-collection function
*/
LUA_API int lua_gc (lua_State *L, int what, int data) {
int res = 0;
global_State *g;
lua_lock(L);
g = G(L);
switch (what) {
case LUA_GCSTOP: {
g->GCthreshold = MAX_LUMEM;
break;
}
case LUA_GCRESTART: {
g->GCthreshold = g->totalbytes;
break;
}
case LUA_GCCOLLECT: {
luaC_fullgc(L);
break;
}
case LUA_GCCOUNT: {
/* GC values are expressed in Kbytes: #bytes/2^10 */
res = cast_int(g->totalbytes >> 10);
break;
}
case LUA_GCCOUNTB: {
res = cast_int(g->totalbytes & 0x3ff);
break;
}
case LUA_GCSTEP: {
lu_mem a = (cast(lu_mem, data) << 10);
if (a <= g->totalbytes)
g->GCthreshold = g->totalbytes - a;
else
g->GCthreshold = 0;
while (g->GCthreshold <= g->totalbytes) {
luaC_step(L);
if (g->gcstate == GCSpause) { /* end of cycle? */
res = 1; /* signal it */
break;
}
}
break;
}
case LUA_GCSETPAUSE: {
res = g->gcpause;
g->gcpause = data;
break;
}
case LUA_GCSETSTEPMUL: {
res = g->gcstepmul;
g->gcstepmul = data;
break;
}
default: res = -1; /* invalid option */
}
lua_unlock(L);
return res;
}
从代码可见，对内部状态的访问，都是直接访问 global state 表的。GC 控制则是调用内部 api 。lua 中对外的 api 和内部模块交互的 api 都是分开的。这样层次分明。内部子模块一般名为 luaX_xxx X 为子模块代号。对于收集器相关的 api 一律以 luaC_xxx 命名。这些 api 定义在 lgc.h 中。
此间提到的 api 有两个：
LUAI_FUNC void luaC_step (lua_State *L);
LUAI_FUNC void luaC_fullgc (lua_State *L);
用于分步 GC 已经完整 GC 。
另一个重要的 api 是：
#define luaC_checkGC(L) { \
condhardstacktests(luaD_reallocstack(L, L->stacksize - EXTRA_STACK - 1)); \
if (G(L)->totalbytes >= G(L)->GCthreshold) \
luaC_step(L); }
它以宏形式定义出来，用于自动的 GC 。如果我们审查 lapi.c ldo.c lvm.c ，会发现大部分会导致内存增长的 api 中，都调用了它。保证 gc 可以随内存使用增加而自动进行。
这里插几句。
使用自动 gc 会有一个问题。它很可能使系统的峰值内存占用远超过实际需求量。原因就在于，收集行为往往发生在调用栈很深的地方。当你的应用程序呈现出某种周期性（大多数包驱动的服务都是这样）。在一个服务周期内，往往会引用众多临时对象，这个时候做 mark 工作，会导致许多临时对象也被 mark 住。
一个经验方法是，调用 LUA_GCSTOP 停止自动 GC。在周期间定期调用 gcstep 且使用较大的 data 值，在有限个周期做完一整趟 gc 。
另，condhardstacktests 是一个宏，通常是不开启的。
先来看 luaC_fullgc 。它用来执行完整的一次 gc 动作。fullgc 并不是仅仅把当前的流程走完。因为之前的 gc 行为可能执行了一半，可能有一些半路加进来的需要回收的对象。所以在走完一趟流程后，fullgc 将阻塞着再完整跑一遍 gc 。整个流程有一些优化的余地。即，前半程的 gc 流程其实不必严格执行，它并不需要真的去清除什么。只需要把状态恢复。这个工作是如何做到的呢？见 lgc.c 的 637 行：
void luaC_fullgc (lua_State *L) {
global_State *g = G(L);
if (g->gcstate <= GCSpropagate) {
/* reset sweep marks to sweep all elements (returning them to white) */
g->sweepstrgc = 0;
g->sweepgc = &g->rootgc;
/* reset other collector lists */
g->gray = NULL;
g->grayagain = NULL;
g->weak = NULL;
g->gcstate = GCSsweepstring;
}
lua_assert(g->gcstate != GCSpause && g->gcstate != GCSpropagate);
/* finish any pending sweep phase */
while (g->gcstate != GCSfinalize) {
lua_assert(g->gcstate == GCSsweepstring || g->gcstate == GCSsweep);
singlestep(L);
}
比较耗时的 mark 步骤被简单跳过了（如果它还没进行完的话）。和正常的 mark 流程不同，正常的 mark 流程最后，会将白色标记反转。见 lgc.c 548 行，atomic 函数：
/* flip current white */
g->currentwhite = cast_byte(otherwhite(g));
在 fullgc 的前半程中，直接跳过了 GCSpropagate ，重置了内部状态，但没有翻转白色标记。这会导致后面的 sweep 流程不会真的释放那些白色对象。sweep 工作实际做的只是把所有对象又重新设置回白色而已。
接下来就是一个完整不被打断的 gc 过程了。
markroot(L);
while (g->gcstate != GCSpause) {
singlestep(L);
}
setthreshold(g);
从根开始 mark ，直到整个 gc 流程执行完毕。最后，重新设置了 GCthreshold 。注：调用 fullgc 会重置 GCthreshold ，所以如果你曾经调用 LUA_GCSTOP 暂停自动 GC 的话（也是通过修改 GCthreshold 实现） ，记得再调用一次。
stepgc 要相对复杂一些。在 lua 手册的 2.10 解释了 garbage-collector pause 和 step multiplier 的意义，却没有给出精确定义。lua_gc 的说明里，也只说“LUA_GCSTEP: 发起一步增量垃圾收集。 步数由 data 控制（越大的值意味着越多步）， 而其具体含义（具体数字表示了多少）并未标准化。 如果你想控制这个步数，必须实验性的测试 data 的值。 如果这一步结束了一个垃圾收集周期，返回返回 1 。 并没有给出准确的含义。实践中，我们也都是以经验取值。
回到源代码，我们就能搞清楚它们到底是什么了。
case LUA_GCSETPAUSE: {
res = g->gcpause;
g->gcpause = data;
break;
}
case LUA_GCSETSTEPMUL: {
res = g->gcstepmul;
g->gcstepmul = data;
break;
}
这里只是设置 gcpause gcstepmul 。gcpause 实际只在 lgc.c 59 行的 setthreshold 宏中用到
#define setthreshold(g) (g->GCthreshold = (g->estimate/100) * g->gcpause)
看见，GCSETPAUSE 其实是通过调整 GCthreshold 来实现的。当 GCthreshold 足够大时，luaC_step 不会被 luaC_checkGC 自动触发。事实上，GCSTOP 正是通过设置一个很大的 GCthreshold 值来实现的。
case LUA_GCSTOP: {
g->GCthreshold = MAX_LUMEM;
break;
}
gcpause 值的含义很文档一致，用来表示和实际内存使用量 estimate 的比值（放大 100 倍）。一旦内存使用量超过这个阀值，就会出发 GC 的工作。
要理解 gcstepmul ，就要从 lua_gc 的 LUA_GCSTEP 的实现看起。
case LUA_GCSTEP: {
lu_mem a = (cast(lu_mem, data) << 10);
if (a <= g->totalbytes)
g->GCthreshold = g->totalbytes - a;
else
g->GCthreshold = 0;
while (g->GCthreshold <= g->totalbytes) {
luaC_step(L);
if (g->gcstate == GCSpause) { /* end of cycle? */
res = 1; /* signal it */
break;
}
}
break;
}
step 的长度 data 被放大了 1024 倍。在 lgc.c 的 26 行，也可以看到
#define GCSTEPSIZE 1024u
我们姑且可以认为 data 的单位是 KBytes ，和 lua 总共占用的内存 totalbytes 有些关系。
ps. 这里 totalbytes 是严格通过 Alloc 管理的内存量。而前面提到的 estimate 则不同，它是一个估算量，比 totalbytes 要小。这是因为，前面也提到过，userdata 的回收比较特殊。被检测出已经访问不到的 userdata 占用的内存并不会马上释放（保证 gc 元方法的安全调用），但 estimate 会抛去这部分，不算在实际内存使用量内。
见 lgc.c 544 行
udsize = luaC_separateudata(L, 0); /* separate userdata to be finalized */
以及 lgc.c 553 行
g->estimate = g->totalbytes - udsize; /* first estimate */
从代码逻辑，我们暂时可以把 data 理解为，需要处理的字节数量（以 K bytes 为单位）。如果需要处理的数据量超过了 totalbytes ，自然就可以把 GCthreshold 设置为 0 了。
实际上不能完全这么理解。因为 GC 过程并不是一点点回收内存，同时可用内存越来越多。GC 分标记(mark) 清除(sweep) 调用 userdata 元方法等几个阶段。只有中间的清除阶段是真正释放内存的。所以可用内存的增加（ totalbytes 减少）过程，时间上并不是线性的。通常标记的开销更大。为了让 gcstep 的每个步骤消耗的时间更平滑，就得有手段动态调整 GCthreshold 值。它和 totalbytes 最终影响了每个 step 的时间。
下面的关注焦点转向 luaC_step ，见 lgc.c 的 611 行：
void luaC_step (lua_State *L) {
global_State *g = G(L);
l_mem lim = (GCSTEPSIZE/100) * g->gcstepmul;
if (lim == 0)
lim = (MAX_LUMEM-1)/2; /* no limit */
g->gcdept += g->totalbytes - g->GCthreshold;
do {
lim -= singlestep(L);
if (g->gcstate == GCSpause)
break;
} while (lim > 0);
if (g->gcstate != GCSpause) {
if (g->gcdept < GCSTEPSIZE)
g->GCthreshold = g->totalbytes + GCSTEPSIZE; /* - lim/g->gcstepmul;*/
else {
g->gcdept -= GCSTEPSIZE;
g->GCthreshold = g->totalbytes;
}
}
else {
lua_assert(g->totalbytes >= g->estimate);
setthreshold(g);
}
}
从代码我们可以看到，GC 的核心其实在于 singlestep 函数。luaC_step 每次调用多少次 singlestep 跟 gcstepmul 的值有关。
如果是自动进行的 GC ，当 totalbytes 大于等于 GCthreshold 时，就会触发 luaC_step 。每次 luaC_step ，GCthreshold 都会被调高 1K (GCSTEPSIZE) 直到 GCthreshold 追上 totalbytes 。这个追赶过程通常发生在 mark 流程。因为这个流程中，totalbytes 是只增不减的。
如果是手控 GC ，每次 gcstep 调用执行多少次 luaC_step 则跟 data 值有关。大体上是 1 就表示一次（在 mark 过程中就是这样）到了 sweep 流程就不一定了。这和 singlestep 调用次数，即 gcstepmul 的值有关。它影响了 totalbytes 的减小速度。
所以，一两句话很难严格定义出这些控制 GC 步进量的参数的含义，只能慢慢阅读代码，看看实现了。
在 lua 手册的 2.10 这样描述“step multiplier 控制了收集器相对内存分配的速度。 更大的数字将导致收集器工作的更主动的同时，也使每步收集的尺寸增加。 小于 1 的值会使收集器工作的非常慢，可能导致收集器永远都结束不了当前周期。 缺省值为 2 ，这意味着收集器将以内存分配器的两倍速运行。”
从代码看，这绝非严格定义。至少从今天已经分析的代码中还看不出这一点。
gcstepmul 的值和内存增涨速度如何产生联系？明天再写 :)