Richard Eisenberg：OCaml 局部值如何减少垃圾回收分配

Richard Eisenberg 演示 OCaml 局部值如何减少垃圾回收分配。防止值逃出区域本身就有用，Jane Street 也关注控制短生命周期值的分配位置所带来的性能收益。

演示使用 Jane Street 的实验性编译器分支。视频录制时，团队计划与社区合作，将这些功能合入上游。示例创建许多短列表，并统计其中能被五整除的元素。

函数运行 10,000 次循环。每次迭代随机选择一个小于十的长度，用 List.init 创建由小于 100 的随机整数组成的列表，然后遍历列表，遇到能被五整除的元素时递增一个引用。固定随机种子使结果可以复现。

为了查看分配成本，Eisenberg 查阅 OCaml 运行时文档。将 OCAMLRUNPARAM 设为 v=1024 后，程序退出时会打印垃圾回收统计，包括分配的字数。最初的字节码运行报告约 214,000 个分配字；减少迭代次数后，计数也会下降。

每个列表只在其所属的循环迭代中需要。在手动管理内存的语言中，可以在那里显式释放它；局部值则旨在不手动释放的情况下表达生命周期。每个函数和循环体都定义一个区域，局部值不能逃出其区域。

最初把列表标记为局部后，将它传给 List.iter 会产生逃逸错误。在演示使用的编译器和库版本中，标准库函数没有表达所需的局部性。Eisenberg 编写递归的 iter：处理空列表，或对表头应用函数并递归处理表尾。

自定义迭代器能够编译，但分配计数仍然很高。他从最初使用的字节码编译器 ocamlc 切换到为机器生成本地代码的 ocamlopt.opt。计数下降了，但距离他希望达到的接近零垃圾回收分配仍有很大差距。

为了理解迭代器的行为，Eisenberg 写出显式类型注解。没有注解时，编译器可以推断列表不会逃逸；不带 local 注解的类型则不提供这种保证。因此编译器保守地认为列表可能逃逸，并拒绝该调用。

给列表参数添加 local 注解解决了类型的这一部分。局部列表的元素也不能逃逸，因此回调同样必须接受局部元素；否则它可能把值保存到其他地方。添加这两处注解后，迭代器通过类型检查。

即便如此，程序仍在分配。局部变量被赋予 List.init 创建的列表，而该函数的结果不保证在局部分配。全局值可以在局部使用：限制变量使其不能逃逸，不会追溯改变值的分配位置。

为了让列表从创建时就是局部的，Eisenberg 编写替代的 init。递归循环接收索引和累加器，对每个索引应用函数，再将结果用 cons 加到累加器上。循环从长度减一开始，在索引小于零时结束。

实际调用替代函数后，它最初能够编译并产生预期结果 8,987。但没有局部性注解时，它并不能解决分配问题。他添加类型，说明生成元素的函数返回局部值，而 init 返回局部列表。

随后编译器报告某个值逃出了区域。递归循环需要局部累加器，但返回或尾位置又引出了另一个问题。一个非尾调用注解暂时让他更进一步，不过 Eisenberg 希望保留尾调用，因此之后重新处理这个问题。

他为循环给出显式类型，要求它接收并返回局部列表。一个语法错误说明 local_ 与函数箭头相关联：括号放错位置会让注解无法作用于箭头。修正之后，编译器又指出返回处有一次逃逸。

每个函数都定义一个区域，但返回的列表应当在函数自身区域之外分配。Eisenberg 添加 exclave，让该表达式提前结束区域，并去掉临时的非尾调用注解。外层 init 也需要 exclave 来返回其局部结果。

这些修改使程序通过编译。局部版本报告约 90,000 个分配字，切换回 List.init 后则约为 177,000。减少的数量有价值，但小于他的预期，因此他进一步检查函数参数和闭包。

iter 和 init 都接收函数。生成随机值的函数没有捕获环境中的任何内容，因此编译器可以避免为其分配闭包。不过迭代器的回调引用计数器引用，捕获了环境中的状态。

他也将函数参数标记为局部。这暴露了另一个逃逸问题：递归循环捕获了局部函数，因此循环本身也必须是局部的。局部循环不能在 exclave 中用于其区域之外；将 exclave 向外移动解决了这一冲突。

起初测量结果仍没有改善，因为他不小心又调用了 List.init。将调用改为自定义 init 并重新编译后，程序报告的垃圾回收分配很少：屏幕显示分配了 2,146 个字，而结果仍为 8,987。

关键区别在于，局部值仍然会分配内存。计数器并不是说程序不使用内存，而是表明由自动垃圾回收处理的分配大幅减少。每个循环区域结束时，其局部内存可以作为一组回收，从而减少回收器的工作，并可能改善延迟。

Eisenberg 最后指向示例代码，并表示下一段视频将进一步解释其工作原理以及内存去了哪里。演示中的数字适用于这个小程序以及视频中使用的实验性编译器。