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V8 之标记 ​

V8 的垃圾回收（GC）中，标记（Marking） 阶段是整个回收过程的核心，其目标是准确识别堆内存中所有可达对象（存活对象）。V8 采用了一种高效且复杂的标记策略，主要基于 三色标记法（Tri-color Marking） 并结合了 增量标记（Incremental Marking） 和 并发标记（Concurrent Marking） 技术来显著减少 GC 停顿时间（Stop-The-World Pauses）。

核心：三色标记法（Tri-color Marking） ​

这是一种抽象模型，将堆中的对象根据其标记状态分为三类颜色：

  1. 白色（White）：

    • 初始状态：所有对象在 GC 开始时都是白色。
    • 含义：未访问或未标记。GC 结束时，白色对象被视为垃圾，将被回收。

  2. 灰色（Grey）：

    • 含义：对象已被标记为可达，但其直接引用的子对象（属性、元素等）还未被扫描/标记。
    • 作用：表示“待处理”。这些对象存放在一个专门的 标记工作列表（Marking Worklist） 中。

  3. 黑色（Black）：

    • 含义：对象已被标记为可达，并且其所有直接引用的子对象也已被标记（即扫描完成）。
    • 作用：表示“处理完成”。黑色对象是确定存活的。

标记过程（以老生代回收为例） ​

  1. 初始化（Initialization）：

    • 所有对象设置为白色。
    • 根对象（Roots） 被识别并放入标记工作列表（变成灰色）。根对象包括：
      • 全局对象（window/global）。
      • 当前执行栈上的所有变量（局部变量、参数）。
      • 激活的函数作用域链。
      • 编译缓存（字节码、内联缓存）。
      • 所有 WeakMap、WeakSet 中的键（仅用于标记值，不影响键本身存活）。
      • （在 Minor GC 中）写屏障记录的跨代引用（来自老生代指向新生代的指针）。

  2. 标记阶段（Marking Phase）：

    • 循环处理工作列表：
      • 从标记工作列表中取出一个灰色对象。
      • 扫描这个对象的所有属性（包括数组元素、Map/Set 条目、原型链等），查找它引用的所有子对象。
      • 对于扫描到的每一个子对象：
        • 如果该子对象是白色（未标记），则将其标记为灰色（放入工作列表）。
        • 如果该子对象已经是灰色或黑色（已标记或在处理中），则跳过。
      • 将当前处理的对象标记为黑色（表示它及其所有直接引用都已处理完）。
    • 结束条件：当标记工作列表为空时，标记阶段结束。此时所有可达对象都变成了黑色，所有不可达对象仍然是白色。

关键优化技术：减少停顿时间 ​

标记整个堆（尤其是大型应用的老生代）可能非常耗时，导致明显的应用卡顿（Stop-The-World）。V8 采用以下技术解决：

  1. 增量标记（Incremental Marking）：

    • 核心思想：将原本一次性的、长时间的完整标记过程，拆分成许多小的增量步骤，穿插在 JavaScript 主线程的执行间隙中执行（利用事件循环的空闲时间）。
    • 如何实现：
      • GC 启动增量标记后，每次主线程执行一小段时间 JS 代码（如几毫秒），就暂停 JS 执行，让 GC 执行一小部分标记任务（处理工作列表中的一些灰色对象），然后再恢复 JS 执行。如此反复，直到标记完成。
    • 挑战：JS 代码在标记过程中修改了对象图（添加/删除引用），可能导致标记不准确（漏标活对象 - 导致错误回收，或多标死对象 - 影响不大但浪费内存）。
    • 解决方案：写屏障（Write Barrier）：
      • 在 JS 代码写入对象的属性（即修改引用）时，插入一小段特殊的“屏障”代码。
      • 当写入操作满足特定条件时（通常是：被写入的对象是黑色，且新写入的值是一个白色对象），写屏障会将这个白色对象直接标记为灰色，并放入标记工作列表。
      • 作用：确保在增量标记过程中，新产生的、被黑色对象引用的白色对象不会被错误地当成垃圾回收（满足了强三色不变性：黑色对象不能直接指向白色对象）。这是增量标记正确性的关键保障！

  2. 并发标记（Concurrent Marking）：

    • 核心思想：在后台线程（Worker Threads） 上执行大部分标记工作，与 JavaScript 主线程并发执行（几乎不阻塞主线程）。
    • 如何实现：
      • V8 启动一个或多个专用的后台线程。
      • 主线程负责扫描根对象（快照），并将其放入共享的标记工作列表。
      • 后台线程不断从工作列表中取出灰色对象，扫描其引用，标记子对象（白变灰），并将其自身变黑。新发现的灰色对象放回工作列表。
    • 挑战：并发执行时，JS 主线程可能同时修改对象图（添加/删除引用），导致后台标记线程看到不一致的对象图状态。
    • 解决方案：
      • 写屏障（Write Barrier again）：同样至关重要！当主线程修改引用时（如设置属性），如果可能破坏标记正确性（如使黑色对象指向白色对象），写屏障会将被引用的白色对象标记为灰色（并记录到工作列表），或者将修改前的引用关系记录下来供后台线程处理。
      • 原子操作与内存屏障：确保标记线程和主线程对标记位（颜色）的读写操作是原子的，并且内存可见性得到保障（使用内存屏障指令）。
      • 保守处理与重新扫描：并发标记结束时，主线程需要短暂停顿，执行一次最终标记（Finalization Marking）。此时主线程会：
        • 再次快速扫描根对象（可能发生了变化）。
        • 处理写屏障在并发阶段积累的所有记录（Marking Deque 或 Remembered Sets）。
        • 确保所有在并发期间被修改的对象及其影响都被正确处理，完成最终的标记状态确认。这个停顿比一次完整标记的停顿短得多。

  3. 其他标记优化：

    • 位图标记（Bitmap Marking）：对象头中不直接存储颜色标记位，而是在独立的内存位图中存储标记信息。这提高了缓存局部性（GC 扫描时连续访问位图），也便于并发标记时减少对对象内存的争用。
    • 懒惰标记（Lazy Sweeping）：标记完成后，清除（Sweep）阶段不立即执行，而是延迟到需要分配内存且空闲内存不足时，按需清理内存页。减少一次性停顿。
    • 并行标记（Parallel Marking）：在多个后台线程上并行执行标记任务（处理工作列表的不同部分），充分利用多核 CPU。这通常与并发标记结合使用。

总结 V8 的标记过程 ​

  1. 基于三色抽象：白（未处理）、灰（待处理）、黑（已处理完）。
  2. 广度优先遍历：通过工作列表实现，高效遍历对象图。
  3. 增量标记：拆分成小任务穿插在 JS 执行中，依赖写屏障保证正确性，大幅减少感知停顿。
  4. 并发标记：后台线程执行大部分标记工作，与主线程并发，极度依赖写屏障和原子操作保证一致性和正确性，最小化主线程停顿。
  5. 优化手段：位图标记、懒惰清除、并行标记等进一步提升效率和吞吐量。

正是通过这些精妙的设计（尤其是三色标记+写屏障+增量/并发），V8 能够在保证垃圾回收正确性的前提下，将 GC 对 JavaScript 应用性能的影响（尤其是卡顿）降到最低，支撑了现代高性能 Web 应用和 Node.js 的运行。