GC算法与流程

面试题

1. Lua 执行代码执行流程
2. LuaGC 算法
3. GC 经历了哪五个阶段？
4. Lua5.4 GC 算法
5. Lua 优化策略

Lua 代码执行流程

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📊 Lua GC核心算法

三色增量标记清除

• 三色标记法：将对象分为白、灰、黑三色：

• 白色：初始状态，表示对象未被扫描，可回收。

• 灰色：中间状态，表示对象已被扫描但引用的子对象未扫描。

• 黑色：完成状态，表示对象及其引用链已扫描完毕，不可回收。

• 增量执行：GC过程拆分为小步骤，避免一次性扫描导致卡顿（Stop-The-World）。

工作流程图示

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⚙️GC五阶段

初始化阶段（GCSpause）

• 操作：从根节点（全局表、主线程栈、注册表）开始，将直接引用对象由白变灰，加入灰色链表。
• 关键代码：restartcollection(g)。

传播标记阶段（GCSpropagate）

• 操作：遍历灰色链表，将每个灰对象：

• 引用的白对象变灰（加入链表）。

• 自身变黑（移出链表）。

• 增量控制：每次扫描一定数量对象后暂停，避免单帧卡顿。

原子阶段（GCSatomic）

• 不可中断操作：处理剩余灰色对象（如grayagain链表）和弱表：

• 弱表处理：若键/值为白色，则移除该条目。

• 元方法调用：触发__gc方法（如Userdata的析构）。

• 白色切换：将当前白色从WHITE0切换为WHITE1，新对象初始化为WHITE1，避免误删。

清扫阶段（GCSsweep & GCSsweepstring）

• 字符串清扫：单独处理字符串池（因字符串无引用关系）。

• 对象清扫：遍历所有对象：

• 白色（旧白）：回收内存。

• 灰/黑色：重置为白色（WHITE0），等待下次GC。

收尾阶段（GCSfinalize）

• 处理残留对象：如含__gc方法的Userdata，将其加入特殊链表，延迟到下次GC回收。

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🛡️ 屏障机制：解决并发修改问题

增量GC过程中，若已标记对象（黑色）新增引用白色对象，需通过屏障保护：

• 向前屏障（luaC_barrierf）：直接将新引用的白对象标记为灰色（适用于Proto等稳定对象）。
• 向后屏障（luaC_barrierback）：将黑色父对象退灰，加入grayagain链表（适用于Table等频繁修改对象）。

图示示例

[黑色] --新增引用--> [白色对象]
         ↓ 触发向后屏障
[灰色] --加入grayagain--> [后续原子阶段处理]

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Lua 5.4分代GC（可选模式）

核心思想

• 分代假设：多数对象生命周期短，少数长期存活。
• 晋升规则：存活两轮GC的对象晋升老年代，后续GC仅扫描新生代对象。

工作流程

风险

• 老年代泄漏：若老年代对象引用已失效的新生代对象，需周期性全量GC补偿。

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优化策略

1. 避免临时对象：减少循环内创建表（如{}），改用对象复用。
2. 手动控制GC。

collectgarbage("stop")  -- 关键逻辑前暂停GC
-- 执行高性能代码
collectgarbage("step")  -- 分步触发GC

1. 弱表管理：对缓存数据使用弱引用，避免阻止回收：

local cache = setmetatable({}, {__mode = "v"}) -- 值弱引用

1. 分帧回收：在Update中分批次调用collectgarbage("step")，避免单帧卡顿。
2. 触发时机：在场景切换时主动GC，减少实时帧压力。
3. 内存监控：使用LuaProfiler定位高频生成临时对象的位置。

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GC机制对比

机制	三色标记清除	分代GC（Lua 5.4）
适用场景	内存敏感型实时应用	对象生命周期差异大场景
卡顿风险	增量执行，卡顿低	全量GC时仍有卡顿
内存开销	无分代记录开销	需维护老年代链表
回收完整性	每次全量扫描	可能遗漏跨代引用