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V8 之分代回收策略 ​

V8 引擎（以及其他现代垃圾回收器）采用分代垃圾回收策略，其核心思想基于一个观察：在大多数程序中，绝大多数对象都是“朝生夕死”的（生命周期很短），只有少数对象会存活较长时间。

这个观察被称为弱分代假说。分代回收策略就是利用这一特点，将堆内存划分为不同的“代”，并对不同代采用不同的、更高效的垃圾回收算法，从而显著减少垃圾回收的总体开销和停顿时间。

V8 分代回收的核心机制 ​

  1. 代际划分：

    • 新生代： 新创建的对象首先被分配在这里。新生代区域相对较小（通常在 1MB 到 8MB 之间）。这个区域的对象生命周期极短，大部分很快变得不可达。
    • 老生代： 在新生代中经历过一定次数垃圾回收后仍然存活下来的对象，会被晋升到老生代。老生代区域要大得多（可达几百 MB 甚至 GB），存放生命周期较长的对象。老生代中也包含一些直接分配的大对象（避免在新生代中复制）。

  2. 针对不同代的回收策略：

    • 新生代回收 (Minor GC / Scavenge)：

      • 算法： 主要采用 Scavenge 算法（一种Cheney算法的实现），这是一种复制算法。
      • 过程：
        1. 将新生代空间等分为两块：From-Space (活动区/对象区) 和 To-Space (空闲区/空闲区)。
        2. 新对象只分配在 From-Space。
        3. 当 From-Space 快满时，触发一次 Minor GC。
        4. 垃圾回收器从根对象（全局变量、活动函数栈上的变量等）开始扫描，标记所有在 From-Space 中可达的对象。
        5. 将标记为可达的对象复制到 To-Space 中，并紧密排列（消除内存碎片）。
        6. 复制完成后，清除整个 From-Space（因为剩下的都是不可达的垃圾）。
        7. 交换 From-Space 和 To-Space 的角色。原来的 To-Space 变为新的 From-Space（用于新对象分配），原来的 From-Space 变为新的空闲 To-Space。
      • 特点： 速度非常快（只处理活动对象，不处理死对象；操作在连续空间内进行，效率高），停顿时间短。但空间利用率只有 50%（因为需要一半空间作为空闲区）。适用于频繁回收大量短命对象的场景。
      • 对象晋升： 如果一个对象在新生代中经历了一次 Minor GC 后仍然存活，或者 To-Space 空间不足以容纳所有要复制的存活对象，那么这个对象会被晋升到老生代。

    • 老生代回收 (Major GC / Full GC)：

      • 算法： 主要采用 标记-清除 (Mark-Sweep) 和 标记-整理 (Mark-Compact) 的组合。通常增量标记、并发标记/清除等优化技术会应用在这里以减少停顿。
      • 过程：
        1. 标记阶段： 从根对象开始，递归遍历对象图，标记所有可达的老生代对象。
        2. 清除阶段 (Mark-Sweep)： 遍历整个老生代堆，回收所有未被标记的对象所占用的内存。回收后内存空间是不连续的（有碎片）。
        3. 整理阶段 (Mark-Compact - 可选)： 为了解决 Mark-Sweep 产生的碎片问题，V8 有时（当碎片达到一定程度时）会在 Mark-Sweep 之后或代替 Mark-Sweep 进行 Mark-Compact。它会将所有存活的对象移动到堆的一端，紧密排列，然后清理掉边界外的所有空间。这样回收的空间是连续的。
      • 特点： 回收整个老生代，速度相对较慢（对象多、存活率高、对象图复杂），停顿时间长（但通过增量标记、并发回收等优化可以显著减少感知停顿）。空间利用率高（Mark-Compact 后无碎片）。适用于回收生命周期长的对象和低频回收。

  3. 代际引用与写屏障：

    • 问题： 分代策略的一个关键挑战是代际引用。老生代中的对象可能持有指向新生代对象的引用。如果只扫描新生代本身，那么一个被老生代对象引用的新生代对象会被认为是可达的（即使它本应在新生代回收中被回收），反之，如果只回收老生代，可能漏掉仅被新生代引用的老生代对象（但这种情况较少）。
    • 解决方案：写屏障：
      • V8 引入了一种称为写屏障的机制。当 JavaScript 代码写入一个对象的属性（即修改引用关系）时，V8 会检查：
        1. 被写入属性的对象是否位于老生代。
        2. 被赋值的新值是否是一个新生代中的对象。
      • 如果以上两个条件都满足，V8 会将这个老生代对象记录下来（例如，将其加入一个特殊的“store buffer”或“card table”）。
    • 作用： 在 Minor GC 进行可达性扫描时，除了扫描新生代内部的引用和根对象，还需要将记录了的老生代对象（通过写屏障记录的）作为额外的根来扫描。这确保了即使新生代对象只被老生代引用，也不会在 Minor GC 中被错误回收。这解决了“老生代引用新生代”的问题，保证了新生代回收的正确性。老生代回收通常需要扫描整个堆（包括新生代），或者利用类似机制处理反向引用。

分代回收的优势 ​

  1. 提高吞吐量： 大部分短命对象在快速高效的新生代回收中被回收，避免了在老生代上执行昂贵的回收操作。
  2. 减少停顿时间： Minor GC 速度非常快，停顿时间很短。虽然 Major GC 停顿较长，但发生的频率远低于 Minor GC（因为老生代对象存活率高，变化慢）。优化技术（增量标记、并发回收）主要应用在 Major GC 上进一步降低停顿。
  3. 空间局部性： Scavenge 算法通过复制整理存活对象，使它们紧密排列在连续的内存中，提高了 CPU 缓存命中率。标记-整理也有类似效果。

总结 ​

V8 的分代垃圾回收策略是其高性能的关键之一。它通过将堆划分为新生代和老生代，并针对不同代对象的生存特点采用不同的回收算法（Scavenge 用于新生代，Mark-Sweep/Mark-Compact 用于老生代），显著提高了垃圾回收的效率，减少了应用停顿时间。写屏障机制的引入巧妙地解决了代际引用带来的正确性问题，使得分代策略能够安全高效地运行。