Skip to main content

18 垃圾回收：V8优化垃圾回收器执行效率

JavaScript 运行在主线程之上，一旦执行垃圾回收算法，需要将正在执行的 JavaScript 脚本暂停下来，待垃圾回收完毕后再恢复脚本执行。把这种行为叫做全停顿（Stop-The-World）。

在执行垃圾回收的过程中，主线程不能做其他事情。如果垃圾回收器占用主线程时间过久，会造成页面的**卡顿 (Jank)（**比如页面正在执行一个 JavaScript 动画，因为垃圾回收器在工作，就会导致这个动画在这 段时间内无法执行，用户体验不佳）。

V8 向现有的垃圾回收器添加并行、并发和增量等垃圾回收技术，来解决垃圾回收效率问题：

  • 将一个完整的垃圾回收任务拆分成多个小的任务，避免单个长的垃圾回收任务；
  • 将标记对象、移动对象等任务转移到后台线程进行，大大减少主线程暂停的时间，改善页面卡顿的问题，让动画、滚动和用户交互更加流畅。

并行回收​

垃圾回收器在主线程上执行的过程中，还会开启多个协助线程，同时执行同样的回收工作：

该方式比较简单，在执行垃圾标记的过程中，主线程不会同时执行 JavaScript 代码，因此 JavaScript 代码也不会改变回收的过程。所以可以假定内存状态是静态的，因此只要确保同时只有一个协助线程在访问对象。

V8 的副垃圾回收器所采用的就是并行策略，它在执行垃圾回收的过程中，启动了多个线程来负责新生代中的垃圾清理操作，这些线程同时将对象空间中的数据移动到空闲区域。由于数据的地址发生了改变，所以还需要同步更新引用这些对象的指针。

增量回收​

并行策略仍然是一种全停顿的垃圾回收方式，在主线程执行回收工作的时候才会开启辅助线程，依然存在效率问题。V8 又引入了增量标记的方式，称之为增量式垃圾回收。

垃圾收集器将标记工作分解为更小的块，并且穿插在主线程不同的任务之间执行。采用增量垃圾回收时，垃圾回收器没有必要一次执行完整的垃圾回收过程，每次执行的只是整个垃圾回收过程中的一小部分工作：

实现增量执行需要满足两点要求：

  1. 垃圾回收可以被随时暂停和重启，暂停时需要保存当时的扫描结果，等下一波垃圾回收来了之后，才能继续启动。
  2. 在暂停期间，被标记好的垃圾数据如果被 JavaScript 代码修改了，垃圾回收器需要能够正确地处理。

没有采用增量算法之前，V8 使用黑色和白色来标记数据。在执行一次完整的垃圾回收之前，垃圾回收器会将所有的数据设置为白色，用来表示这些数据还没有被标记，然后垃圾回收器在会从 GC Roots 出发，将所有能访问到的数据标记为黑色。遍历结束之后，被标记为黑色的数据就是活动数据，那些白色数据就是垃圾数据：

如果内存中的数据只有两种状态，非黑即白，那么当暂停了当前的垃圾回收器之后，再次恢复垃圾回收器，就不知道从哪个位置继续开始执行了：

V8 采用三色标记法，除了黑色和白色，还额外引入了灰色：

  1. 黑色表示这个节点被 GC Root 引用到了，而且该节点的子节点都已经标记完成了 ;
  2. 灰色表示这个节点被 GC Root 引用到，但子节点还没被垃圾回收器标记处理，也表明目前正在处理这个节点；
  3. 白色表示这个节点没有被访问到，如果在本轮遍历结束时还是白色，那么这块数据就会被收回。

垃圾回收器依据当前内存中有没有灰色节点，来判断整个标记是否完成。

标记好的垃圾数据被 JavaScript 修改了，V8 如何处理：

window.a = Object();
window.a.b = Object();
window.a.b.c = Object();

然后又执行了另外 一行代码：

window.a.b = Object(); //d

执行完之后，垃圾回收器又恢复执行了增量标记过程，由于 b 重新指向了 d 对象，所以 b 和 c 对象的连接就断开了：

垃圾回收器不会再次将这个白色节点标记为黑色节点了，因为它已经走过这个路径了。但是这个新的白色节点的确被引用了，还需要想办法将其标记为黑色。

为了解决这个问题，增量垃圾回收器添加了一个约束条件：不能让黑色节点指向白色节点。通常使用写屏障 (Write-barrier) 机制实现这个约束条件（当发生了黑色的节点引用了白色的节点，写屏障机制会强制将被引用的白色节点变成灰色的，这样就保证了黑色节点不能指向白色节点的约束条件）。这个方法保证了垃圾回收器能够正确地回收数据，因为在标记结束时的所有白色对象，对于垃圾回收器来说，都是不可到达的，可以安全释放。

并发 (concurrent) 回收​

增量垃圾回收都是在主线程上执行的，如果主线程繁忙的时候，增量垃圾回收操作依然会增加主线程处理任务的吞吐量 (throughput)。

并发回收指主线程在执行 JavaScript 的过程中，辅助线程能够在后台完成执行垃圾回收的操作：

并发回收是这三种技术中最难的一种：

  1. 当主线程执行 JavaScript 时，堆中的内容随时都有可能发生变化，从而使得辅助线程之前做的工作完全无效；
  2. 主线程和辅助线程极有可能在同一时间去更改同一个对象，需要额外实现读写锁的一些功能。

在实际使用中，三种技术通常会融合在一起使用，V8 的主垃圾回收器就融合了这三种机制，来实现垃圾回收：