图解 Google V8 # 21 ：垃圾回收：V8是如何优化垃圾回收器执行效率的？

Posted 2022-07-13 凯小默

说明

图解 Google V8 学习笔记

全停顿（Stop-The-World）

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

全停顿的执行效果示意图：下面的 200 毫秒内无法执行其他事情，可能造成页面的卡顿 (Jank)。

怎么解决垃圾回收效率？

1. 将一个完整的垃圾回收的任务拆分成多个小的任务，这样就消灭了单个长的垃圾回收任务；
2. 将标记对象、移动对象等任务转移到后台线程进行，这会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

并行回收机制：主线程在执行垃圾回收的任务时，引入多个辅助线程来并行处理，这样就会加速垃圾回收的执行速度。

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

老生代存放的都是一些大的对象，如 window、DOM 这种，完整执行老生代的垃圾回收，时间依然会很久。这些大的对象都是主垃圾回收器的，所以在 2011 年，V8 又引入了增量标记的方式，称之为增量式垃圾回收。

所谓增量式垃圾回收，是指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。

增量垃圾回收示意图：

实现增量执行，需要满足：

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，那么垃圾回收器需要能够正确地处理。

V8 是如何实现垃圾回收器的暂停和恢复执行的？

1. 黑白色标记数据（采用增量算法之前）

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。

这种标记存在的问题：当你暂停了当前的垃圾回收器之后，再次恢复垃圾回收器，那么垃圾回收器就不知道从哪个位置继续开始执行。

2. 三色标记法

• 黑色：表示这个节点被 GC Root 引用到，且该节点的子节点都已经标记完成;
• 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；
• 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。

引入灰色标记之后，垃圾回收器就可以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，如果没有灰色节点了，就可以进行清理工作了。如果还有灰色标记，当下次恢复垃圾回收器时，便从灰色的节点开始继续执行。

V8 是如何处理被 JavaScript 修改标记好的垃圾数据？

例子：

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

当执行到这里，垃圾回收器标记示意图：

然后执行下面的代码

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

垃圾回收器标记示意图：

当垃圾回收器将某个节点标记成了黑色，然后这个黑色的节点被续上了一个白色节点，那么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。

解决方案：添加约束条件——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。这个方法也被称为强三色不变性。

并发回收

所谓并发 (concurrent) 回收，是指主线程在执行 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。

并发标记的流程示意图：

并发回收难点：

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，这就需要额外实现读写锁的一些功能。

总结

V8 的主垃圾回收器就融合了这三种机制，来实现垃圾回收。

三种策略示意图：

1. 在主线程执行 JavaScript，辅助线程就开始执行标记操作
2. 标记完成之后，主线程在执行清理操作时，多个辅助线程也在执行清理操作。
3. 清理的任务会穿插在各种 JavaScript 任务之间执行。

内存泄漏问题的定位

来自 sugar 网友：

内存泄漏问题的定位，一般是通过 chrome 的 devtool 中 memory report 来观察的，nodejs 环境中的 mem leak case 我们研究的比较多，一般通过结合 memwatch 等 c++ 扩展包把 report 文件 dump 在线上机磁盘上，然后 download 下来在本地的 chrome 浏览器 devtool 中进行复盘。比较常见的 case 是一些 js 工程师对 scope 的理解不够深，复杂的闭包里出现了隐式的引用持有却没释放。此类问题一般隐蔽性比较强，而且如果不是大厂的业务线（业务高峰产生高并发环境），往往可能压根发现不了，因为就算有 leak 内存逐渐增长到 v8 的 heap limit 后 node 进程死掉就会被 pm2/forever 等守护进程复活，这个重启只要不是非常频繁往往是业务无感的～