翻看 BEAM 虚拟机指令集的时候(在编译器源码目录下:lib/compiler/src/genop.tab),会发现有一些和内存分配/解除分配相关的指令,如下所示:

  • allocate StackNeed Live
  • allocate_heap StackNeed HeapNeed Live
  • allocate_zero StackNeed Live
  • allocate_heap_zero StackNeed HeapNeed Live
  • test_heap HeapNeed Live
  • init N
  • deallocate N

上述列表中粗体是指令本身,后面跟着的是参数。粗看上去又是 allocate 又是 heap,好像 beam 在虚拟机指令就要处理内存管理。其实不是的。仔细看一下,每一条带 allocate 的指令后面都有一个 StackNeed 参数,原来 BEAM 虚拟机中所谓的内存分配都跟栈有关。我们先看一下Erlang进程里面堆和栈的关系:

堆和栈其实都在统一管理的堆里面,堆从低地址开始向上增长,栈从高地址开始向下增长。栈顶和堆顶碰到了就说明堆的空间不够用了。堆用于保存 Erlang 对象。和 C 语言一样,BEAM 的函数调用也会在栈里面设置栈帧,其中包括函数返回地址以及函数在求值过程中使用的临时数据。栈里面保存的只能是 Eterm,即要么是简单对象,要么是引用对象。对立面保存的是 Eterm 或对象本身。

下面以 allocate StackNeed Live 为例阐述。这条指令说明要在栈上分配 StackNeed 字的空间。那么这条指令后面的 Live 是什么意思呢?在 http://erlangonxen.org/more/beam#model 有一句解释

'Live' refers to the current number of registers that hold values still needed by the process.

表示当前进程所需的寄存器数?看了下面这个图就明白了:

除了堆栈之外,还有寄存器区域。堆栈是进程私有的数据结构,而寄存器组则是虚拟机(调度器)里面的共享数据。当虚拟机调度运行某个进程的时候,这个进程具有对寄存器组的完全访问权。但是当进程被调出的时候,寄存器组就归别人使用了(和 x86 机器不同,保存进程上下文的时候不保存寄存器信息,所以 Erlang 进程切换效率很高)。

上面的 Live 就是图中显示的 live 区域,也就是说,当前这个进程正在使用 live 个寄存器。那为什么分配栈内存的时候需要传入 live 参数呢?而且为什么前面几条分配指令都需要 live 参数呢?这是因为前面几条指令涉及到栈分配(前4条)和堆检查,这些操作都有可能会涉及到垃圾回收(假设分配了栈内存之后栈顶会碰到堆顶),而 Erlang 的垃圾回收需要扫描引用树,所以需要一个扫描的起点,即 rootset。那么根据上面图中对象之间的引用关系,栈中所有的项式和 live 个寄存器的项式都需要加入到 rootset 中。这就是这些和栈分配相关的指令都需要 live 参数的原因。

有了以上基础之后就好理解这些指令了。这些指令的意义总结如下:

  • allocate StackNeed Live:将栈底指针向下挪 StackNeed+1 个字,多出的那个字保存CP(continuation pointer,即函数的返回地址)
  • allocate_heap StackNeed HeapNeed Live:向栈底指针向下挪 StackNeed+1 个字(+1原因同上),还要保证堆中剩余 HeapNeed 个字的空闲空间
  • allocate_zero StackNeed Live:同 allocate,但是新分配的栈空间填零(NIL)
  • allocate_heap_zero StackNeed HeapNeed Live:allocate_heap和allocate_zero的合体
  • test_heap HeapNeed Live:检查对空闲空间是否有 HeapNeed 个字,如不满足要垃圾回收。以上指令都有可能垃圾回收
  • init N:栈中第 N 个字清零(NIL)
  • deallocate N:将栈底指针向上挪 N+1 个字(释放栈)

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