Lua弱引用table

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与python等脚本语言类似地，Lua也采用了自动内存管理（Garbage Collection），一个程序只需创建对象，而无需删除对象。通过使用垃圾收集机制，Lua会自动删除过期对象。垃圾回收机制可以将程序员从C语言中常出现的内存泄漏、引用无效指针等底层bug中解放出来。

我们知道Python的垃圾回收机制使用了引用计数算法，当指向一个对象的所有名字都失效（超出生存期或程序员显式del了）了，会将该对象占用的内存回收。但对于循环引用是一个特例，垃圾收集器通常无法识别，这样会导致存在循环引用的对象上的引用计数器永远不会变为零，也就没有机会被回收。

一个在python中使用循环引用的例子：

class main1:
    def __init__(self):
        print('The main1 constructor is calling...')
    def __del__(self):
        print('The main1 destructor is calling....')

class main2:
    def __init__(self, m3, m1):
        self.m1 = m1
        self.m3 = m3
        print('The main2 constructor is calling...')
    def __del__(self):
        print('The main2 destructor is calling....')

class main3:
    def __init__(self):
        self.m1  = main1()
        self.m2 = main2(self, self.m1)
        print('The main3 constructor is calling...')
    def __del__(self):
        print('The main3 destructor is calling....')

# test
main3()

输出内容为：

The main1 constructor is calling...
The main2 constructor is calling...
The main3 constructor is calling...

可以看出，析构函数（__del__函数）没有被调用，循环引用导致了内存泄漏。

垃圾收集器只能回收那些它认为是垃圾的东西，不会回收那些用户认为是垃圾的东西。比如那些存储在全局变量中的对象，即使程序不会再用到它们，但对于Lua来说它们也不是垃圾，除非用户将这些对象赋值为nil，这样它们才能被释放。但有时候，简单地清除引用还不够，比如将一个对象放在一个数组中时，它就无法被回收，这是因为即使当前没有其他地方在使用它，但数组仍引用着它，除非用户告诉Lua这项引用不应该阻碍此对象的回收，否则Lua是无从得知的。

table中有key和value，这两者都可以包含任意类型的对象。通常，垃圾收集器不会回收一个可访问table中作为key或value的对象。也就是说，这些key和value都是强引用，它们会阻止对其所引用对象的回收。在一个弱引用table中，key和value是可以回收的。

弱引用table（weak table）是用户用来告诉Lua一个引用不应该阻碍对该对象的回收。所谓弱引用，就是一种会被垃圾收集器忽视的对象引用。如果一个对象的引用都是弱引用，该对象也会被回收，并且还可以以某种形式来删除这些弱引用本身。

弱引用table有3种类型：

1、具有弱引用key的table；
2、具有弱引用value的table；
3、同时具有弱引用key和value的table；

table的弱引用类型是通过其元表中的__mode字段来决定的。这个字段的值应为一个字符串：
如果包含'k'，那么这个table的key是弱引用的；
如果包含'v'，那么这个table的value是弱引用的；

弱引用table的一个例子，这里使用了collectgarbage函数强制进行一次垃圾收集：

a = {1,4, name='cq'}

setmetatable(a, {__mode='k'})

key = {}
a[key] = 'key1'

key = {}
a[key] = 'key2'

print("before GC")
for k, v in pairs(a) do
    print(k, '\t', v)
end

collectgarbage()

print("\nafter GC")
for k, v in pairs(a) do
    print(k, '\t', v)
end

输出：

before GC
1                       1
2                       4
table: 0x167ba70                        key1
name                    cq
table: 0x167bac0                        key2

after GC
1                       1
2                       4
name                    cq
table: 0x167bac0                        key2

在本例中，第二句赋值key={}会覆盖第一个key，当收集器运行时，由于没有地方在引用第一个key，因此第一个key就被回收了，并且table中的相应条目也被删除了。至于第二个key，变量key仍引用着它，因此它没有被回收。

注意，弱引用table中只有对象可以被回收，而像数字、字符串和布尔这样的“值”是不可回收的。

备忘录（memoize）函数是一种用空间换时间的做法，比如有一个普通的服务器，每当它收到一个请求，就要对代码字符串调用loadstring，然后再调用编译好的函数。不过，loadstring是一个昂贵的函数，有些发给服务器的命令有很高的频率，例如"close()"，如果每次收到一个这样的命令都要调用loadstring，那还不如让服务器用一个辅助的table记录下所有调用loadstring的结果。

备忘录函数的例子：

local results = {}

setmetatable(results, {__mode='v'})

function mem_loadstring(s)

    local res = results[s]

    if res == nil then
        res=assert(loadstring(s))
        results[s]=res
    end

    return res
end 

local a = mem_loadstring("print 'hello'")
local b = mem_loadstring("print 'world'")

a = nil

collectgarbage()

for k,v in pairs(results) do
    print(k, '\t', v)
end

例子中，table results会逐渐地积累服务器收到的所有命令及其编译结果。经过一定时间后，会耗费大量的内存。弱引用table正好可以解决这个问题，如果results table具有弱引用的value，那么每次垃圾收集都会删除所有在执行时未使用的编译结果。

在lua元表一文中，提到过如何实现具有默认值的table。如果要为每一个table都设置一个默认值，又不想让这些默认值持续存在下去，也可以使用弱引用table，如下面的例子：

local defaults = {}

setmetatable(defaults, {__mode='k'})

local mt = {__index=function(t) return defaults[t] end}

function setDefault(t, d)
    defaults[t] = d
    setmetatable(t, mt)
end 


local a = {}
local b = {}

setDefault(a, "hello")
setDefault(b, "world")

print(a.key1)
print(b.key2) 

b = nil
collectgarbage()

for k,v in pairs(defaults) do
    print(k,'\t',v)
end