这是一系列介绍编写两个 Rust crate 的不同设计决策的文章中的第一篇，两个 crate 分别是：

• gc-arena：用于安全地为 Rust 配备增量垃圾收集的系统，被 Ruffle 使用。
• piccolo：用安全的 Rust 编写的无栈 Lua 运行时，专注于安全沙盒。

Rust 和垃圾收集
Rust 目前没有“真正的”垃圾收集（带循环检测），通常将Rc和Arc视为一种无循环检测的垃圾收集形式。gc-arena是将带有这种垃圾收集指针的 Rust 作为库进行改造的尝试。piccolo需要一个垃圾收集器，且要求垃圾收集指针为零成本普通指针，运行时大部分需内存安全，现有设计无法满足这些要求，于是gc-arena诞生，其采用类似 PUC-Rio Lua 的增量收集器。

跟踪和内部可变性
为 Rust 设计带有安全接口的跟踪垃圾收集库具有挑战性，主要围绕正确跟踪持有管理（垃圾收集）指针的值以及确定垃圾收集器“根”的集合等问题。通过示例逐步构建双链表数据结构来探讨这些问题及gc-arena的解决方案：

• 定义双链表节点Node，其包含垃圾收集指针Gc，通过Collect trait 确保可追溯性，unsafe实现该 trait 时要确保每个可达指针都被跟踪，可通过 proc-macro 安全实现。
• 由于对象可能包含循环引用，Drop trait 会导致问题，gc-arena通过禁止Drop impl 来解决，内部使用MustNotImplDrop trait 实现。
• gc-arena是增量收集器，存在新问题，如用户在增量跟踪操作中修改已跟踪对象可能导致悬空指针，gc-arena通过Collect trait 和“颜色不变量”来保护，内部可变性类型不能直接实现Collect，需使用gc-arena提供的版本并遵循写屏障契约。

使用生成性查找 GC 根
Rust 借用检查器的一个意外特性引入了“生成性”，可用于垃圾收集。gc-arena利用此特性，通过'gc生命周期标记所有垃圾收集值，控制指针生命周期。“竞技场”在系统编程中用于分配具有相同生命周期的内存，gc-arena中的“竞技场”也有类似含义，通过Gc指针和PhantomData类型控制指针，Arena类型参数化于根类型R，通过Arena::mutate方法控制对竞技场的访问，利用 Higher Rank Trait Bounds（HRTBs）确保回调在任何'gc选择下都有效，从而证明安全垃圾收集的属性。

生命周期投影
定义Arena本身是最后一个难题，需要一种能在不同'gc生命周期间进行替换的类型，类似 GAT。gc-arena未使用 GAT 定义根类型，而是使用带有常规生命周期参数的 trait 和 trait 绑定，通过Rootable!宏滥用 trait 对象来实现，无需为每个新的Arena类型声明新类型，每个Rootable!调用都指向相同类型。

最后给出一个双链表的完整工作示例，展示gc-arena的各个部分如何协同工作。

总结：gc-arena是一个为 Rust 配备增量垃圾收集的库，通过一系列技术解决了垃圾收集中的各种问题，但其使用具有较高的认知和可用性开销，未来将进一步讨论其改进方向。