lua的gc原理

lua垃圾回收(Garbage Collect)是lua中一个比较重要的部分。由于lua源码版本变迁，目前大多数有关这个方面的文章都还是基于lua5.1版本，有一定的滞后性。因此本文通过参考当前的5.3.4版本的Lua源码，希望对Lua的GC算法有一个较为详尽的探讨。

Lua的垃圾回收器使用了三色标记算法，这是一种基于标记-清除（mark-and-sweep）的改进算法。它引入了三种颜色来描述对象的状态，以提高垃圾回收的效率和性能。

三色标记算法的三种颜色是：

1. 白色（White）：初始状态下，所有的对象都被假设为白色，表示这些对象是未访问的、未标记的。

2. 灰色（Gray）：表示对象已被访问，但其引用的其他对象尚未被标记。灰色对象可能有指向白色对象的引用，即它们是待处理的对象。

3. 黑色（Black）：表示对象已被访问并且其引用的其他对象也已被标记。黑色对象及其引用的所有对象都是被标记为活跃对象，不会被垃圾回收。

Lua的三色标记算法流程如下：

1. 初始标记阶段：从根集合（如全局变量、栈、寄存器等）开始，将根集合中的对象标记为黑色，并将其引用的对象标记为灰色。这个阶段是一个快速的标记过程，它只标记直接可达的对象。

2. 追踪阶段：在初始标记后，垃圾回收器继续遍历灰色对象，将它们标记为黑色，同时将它们引用的白色对象变为灰色。这个过程会不断追踪、探索灰色对象的引用链，直到所有可达的对象都被标记为黑色。

3. 清除阶段：清除阶段会回收所有未标记（仍然是白色）的对象，释放它们占用的内存空间。这些未被标记的对象被认为是不可达的，因此可以安全地回收其所占用的内存。

4. 内存整理（可选）：在清除阶段之后，可能会对内存空间进行整理，例如合并连续的内存块或重新组织内存布局，以便在后续的内存分配中更有效地利用空闲块。

备注：白色分为白1和白2。原因：在GC标记阶段结束而清除阶段尚未开始时，如果新建一个对象，由于其未被发现引用关系，原则上应该被标记为白色，于是之后的清除阶段就会按照白色被清除的规则将新建的对象清除。这是不合理的。于是lua用两种白色进行标识，如果发生上述情况，lua依然会将新建对象标识为白色，不过是“当前白”(比如白1)。而lua在清扫阶段只会清扫“旧白”(比如白2)，在清扫结束之后，则会更新“当前白”，即将白2作为当前白。下一轮GC将会清扫作为“旧白”的白1标识对象。通过这样的一个技巧解决上述的问题。如下图：(下图中为了方便颜色变换的理解，没有考虑barrier的影响)

三色标记算法通过将对象分为三种状态，减少了标记和追踪过程中对整个对象图的遍历次数，提高了垃圾回收的效率。它的主要优势在于其增量式标记和回收策略，使得垃圾回收过程可以分散到多个小步骤中，降低了垃圾回收对系统造成的停顿时间。

参考：

Lua GC机制分析与理解-上