對於內存的管理，是程序在應用的時候的必需知識點，《Lua設計與實現》中對Lua語言的GC原理做了一個詳細的講解，雲風的blog也對其進行了詳盡的講解Lua GC 的源碼剖析 系列
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在github上的lua源碼鏈接：https://github.com/lichuang/Lua-5.1.4-codedump這兒就繼續做《Lua設計與實現》的閱讀筆記，對Lua GC原理及其過程做一個詳盡的講解，由於篇幅較大，就一分爲二，寫上下篇來講解整個過程。
一、GC的原理及其算法設計
不同的語言，對GC算法的設計不同，常見的GC算法是引用計數和Mark-Sweep算法， c#採用的是Mark-sweep && compact算法， Lua採用的是Mark-sweep算法，分開說一下：
引用計數算法：在一個對象被引用的情況下，將其引用計數加1，反之則減1，如果計數值爲0，則在GC的時候回收，這個算法有個問題就是循環引用。
Mark-sweep算法：每次GC的時候，對所有對象進行一次掃描，如果該對象不存在引用，則被回收，反之則保存。
在Lua5.0及其更早的版本中，Lua的GC是一次性不可被打斷的過程，使用的Mark算法是雙色標記算法(Two color mark)，這樣系統中對象的非黑即白，要麼被引用，要麼不被引用，這會帶來一個問題：在GC的過程中如果新加入對象，這時候新加入的對象無論怎麼設置都會帶來問題，如果設置爲白色，則如果處於回收階段，則該對象會在沒有遍歷其關聯對象的情況下被回收；如果標記爲黑色，那麼沒有被掃描就被標記爲不可回收，是不正確的。
爲了降低一次性回收帶來的性能問題以及雙色算法的問題，在Lua5.1後，Lua都採用分佈回收以及三色增量標記清除算法（Tri-color incremental mark and sweep）
其基本的原理僞代碼，參考書中原文爲：
每個新創建的對象顏色設置爲白色
//初始化階段
遍歷root節點中引用的對象，從白色置爲灰色，並且放入到灰色節點列表中
//標記階段
while(灰色鏈表中還有未掃描的元素)：
從中取出一個對象，將其置爲黑色
遍歷這個對象關聯的其他所有對象：
if 爲白色
標記爲灰色，加入到灰色鏈表中(insert to the head)
//回收階段
遍歷所有對象：
if 爲白色，
沒有被引用的對象，執行回收
else
重新塞入到對象鏈表中，等待下一輪GC
二、GC的數據結構
分析Lua中對於需要GC的類型數據
#define iscollectable(o) (ttype(o) >= LUA_TSTRING)
都會有一個基本的定義CommonHeader，其定義爲：
next: GCObject鏈表指針，該指針用來將所有的GC對象都鏈接在一個表中；
tt: 數據類型：nil, boolean, number, string...
marked: 標記字段，byte表示的字段顏色定義爲
這兒特定解釋一下爲什麼會有兩種白色，前面提到，5.1後的Lua採用的是三色標記算法，其實質是四色標記算法，分爲0型白色和1型白色，在GC回收的時候，會設置當前的白色爲其中一種，詳見globalstate中的currentwhite，這樣在代碼回收的時候，如果當前對象的白色不爲currentwhite,則認爲其不可回收，這樣的對象需要等到下一次的GC才能決定是否回收，具體參看後面的，會有對應的應用。對於global_state的設計爲：
具體的參數的作用，詳見註釋，就不在一一解釋了
三、GC的流程
1、數據的創建
想要了解GC的過程，首先看看數據是怎麼在創建的時候被鏈接到GC鏈表中的，主要分爲三種數據的創建
1) 一般數據的創建 luaC_link
簡單直接，直接insert to the head
2) upval的創建 luaC_linkupval
3) userdata(udata)的創建 luaS_newdata
2、開始GC
整個GC過程分爲五個階段，其定義爲
其執行GC的函數爲singlestep，來看第一步的操作：
進一步看看markroot的操作：
其實就是reset一遍相關的變量，然後標記mainthread, G表，registry表，然後切換到下一個標記階段。
參看定義：
最後都要執行reallymarkobject函數（此處需要展示一下我的豎屏截圖便利了：D）：
基本的註釋都解釋了各個對象是如何的處理的，udata是不會引用其他類型的數據，所以一步到黑色，upvalue則根據是否爲close來決定是否標記到黑色，open狀態的upvalue變化較爲頻繁，需要在後面的remarkupvals中解決。
3、GC的掃描階段 GCSpropagate
只要處於這個階段，就會分2種情況執行，一個是propagatemark，一個是atomic，讓我們分別看其實現過程。
首先看處於灰色鏈表中一直都有對象的情況，在這步操作當中，是可以分步操作的，整個GC的分步操作，就是在這一步操作中，在每次掃描後，都會返回本次掃描標記的對象的大小之和，再下一個分步執行的時候再繼續執行，而一旦進入atomic函數中，就需要一次性的執行，不能再分步執行了。
來看propagatemark函數是如何實現的：
對於table，如果該表是weak表，則退回到灰色狀態，否則遍歷表的數組和散列表部分進行標記，詳見traversetable函數；
對於func，traverseclosure主要對func中的upval進行標記；
對於thread, 則將其移植到grayagain中，放在atomic中進行處理；
對於proto，對其中的字符串、upvalue、局部變量等進行遍歷標記；
注意，這兒沒有處理string\udata類型數據，這是放在其他部分進行的，不需要進行相關的標記；
4、GC 掃描階段的barrier操作
由於採用分步式增量掃描標記算法，所以會出現在分步操作過程中，新增加的對象與被掃描過的對象之間有引用關係的變化，未來確保黑色對象引用的對象中有白色對象，lua提供了兩種操作設計：
1）標記過程向前走一步 luaC_barrierf
如果新建對象是白色，而它被一個黑色對象引用了，那麼將這個新建對象顏色從白色變爲灰色；
2）標記過程向後走一步 luaC_barrierback
類似於上，此時將引用的它的黑色對象的顏色從黑色變爲灰色，使得其重新被掃描一次
(或許你看出截圖顏色變了，是的，回家了，又是新的編輯器了~)
從define可以看出，只有table需要進行luaC_barrierback，這是由於table本身設計，就是一個table可能會對應N個key或者value，這樣如果新增一個key/value，如果將其置爲灰色，然後將其加入gray鏈表中，這樣多個添加會帶來較大的性能。
採用向後，就是將該table對象退回到gray狀態，這樣添加多個，其實質都是隻改變該table一次，注意這個gray不是改爲gray鏈中，而是將該table加入到grayagain鏈中，在掃描完gray鏈後再掃描grayagain鏈即可。參考源碼即可：
對比向前比較簡單了：直接調用reallymarkoject
5、GC的atomic操作
當gray鏈表中對象都標記完成後，會執行一次atomic操作，注意這個操作是不能被打斷的，所以叫原子操作，參考源碼：
首先處理上一篇文章中提到的對open狀態的upvalues，然後處理一次gray鏈表；
然後處理整個弱表，將lua_State指針指向meta表，然後處理一次gray鏈表
然後處理grayagain鏈表，類似於上
然後處理udata，其處理函數爲luaC_separateudata:
註釋很詳細，注意放到tmudata鏈表中後，是在後續操作再集中處理一次；
處理完基本的幾個數據後，atomic會把白色類型切換到下一個GC操作的白色類型，然後修改狀態到回收階段CGSsweepstring， 這兒對sweepstrgc進行了賦初值，是爲了下面的字符串定位。
6、GC的回收階段 GCSsweepstring/GCSsweep
首先進入的回收階段是對字符串的處理
雖然是case，但是其實質是一個循環，每次取出散列表中的一個字符串鏈表，進行一次遍歷回收，sweepwholelist最終會調用到sweeplist，等一下給出源碼。
當處理完所有的字符串後，切換到GCSsweep狀態：
關鍵操作是sweeplist，參看其源碼：
代碼中也對前面說的多色標記中的兩種白色的作用做了講解，otherwhite就是本次不可回收的白色，如果處理的對象的白色就是otherwhite，是不會被回收的
7、結束階段 GCSfinalize
這是整個GC的最後階段了，來看看其操作的源碼：
首先處理，是否有前面提到的tmudata鏈表， 其操作函數爲GCTM：
注意，udata本身有GC方法，未來確保其GC方法的調用，實在這次GC中調用G方法，但是這個udata本身，是在下一次的GC中才會被回收的。udata的GC調用則是在fasttm中調用TM_GC來實現。
初看也會迷糊怎麼循環的，其實結合上面的case中的 if(g->tmudata)可以理解，爲什麼每次GCTM都會執行 g->tmudata的移動賦值操作。
最終萬事大吉，本次GC流程走完，設置到GCSpause狀態，等待下一次GC調用。
8、GC的進度控制
其實GC的調用，可以分爲兩種，一種是自動調用，一個是手動調用
自動調用函數： luaC_checkGC
一般不希望自動GC，可以採用setthreshold，將GCthreshold的值設置爲非常大，這樣不回自動觸發GC
手動調用，則設置GC的相關參數 setthreshold：
estimate是對當前內存使用量的一個預估值，gcpause是一個百分比，通過lua_gc可以設置，另一個gc進度的參數是gcstepmul，其主要影響singlestep函數的調用次數，具體原因參看源碼：
整個流程都在註釋中講解了，其中關鍵是lim的設置，然後不斷的調用singlestep, 然後處理GC狀態即可，注意setthreshold是設置的兩次GC之間的時間間隔。由於修改了threshold，對於關閉自動GC的情況，需要再次重新設置關閉自動GC一次。
9、總結
對於lua的GC的原理的探究就到這兒，熟悉一門語言的GC流程後，同理去推導理解其他語言的GC會有很大幫助，同時也可以在平時使用lua的時候，對於GC的一些操作更加知其所以然。大家共勉！