V8 Garbage Collection

学习目标

理解：

JavaScript 为什么需要 GC
GC 如何判断对象是否存活
GC 如何避免长时间卡顿
GC 如何与 JavaScript 一起运行
现代 V8 GC 的整体设计思想

一、为什么需要 GC

JavaScript 没有：

1 2	delete obj; free(ptr);

对象什么时候释放，由 V8 Garbage Collector 自动决定。

GC 的目标：

回收已经无法访问的对象，释放 Heap 内存。

二、JavaScript 内存模型

Stack（栈）

存放：

局部变量
参数
返回地址
对象引用（Reference）

例如：

1
2
3

function test() {
    let a = {};
}

运行时：

Stack

a
 │
 ▼
Heap Object

Stack 保存的是引用。

不是对象。

Heap（堆）

真正对象存放的位置：

{}
[]
Function
Map
Set
Date
DOM Wrapper

GC 回收的是 Heap。

三、GC 如何判断对象是否存活

现代 GC：

不是：

Reference Counting（引用计数）

而是：

Root Reachability（Root 可达性）

Root

GC 从 Root 开始遍历对象图。

主要 Root：

Global Object

Call Stack

当前执行上下文

例如：

1	let a = {};

Root

↓

a

↓

{}

对象可达。

不会回收。

函数结束：

function test() {
    let a = {};
}

test();

Root

×

{}

对象不可达。

GC 可回收。

四、循环引用不会导致泄漏

例如：

let a = {};
let b = {};

a.child = b;
b.parent = a;

对象图：

A

↓

B

↑

只要：

Root

×

A

整个环都会释放。

原因：

现代 GC 使用 Reachability。

不是 Reference Count。

五、Mark-Sweep

GC 分两步：

Mark

从 Root 开始：

Root

↓

A

↓

B

↓

C

标记：

A ✓

B ✓

C ✓

Sweep

所有没有标记：

D

E

F

全部释放。

六、为什么需要 Stop-The-World（STW）

假设：

GC：

扫描 A

同时：

JS：

1	A.child = C;

对象图发生变化：

Root

↓

A

↓

C

GC：

可能已经扫描完 A。

不会再回来。

于是：

C 被漏掉。

因此：

传统 GC：

暂停 JavaScript

↓

扫描对象图

↓

恢复 JavaScript

目的：

保证对象图一致。

七、Incremental Marking（增量标记）

传统：

Mark

↓

300ms

页面卡顿。

现代：

JS

↓

Mark 一点

↓

JS

↓

Mark 一点

↓

JS

↓

Mark 一点

一次大暂停。

拆成很多小暂停。

八、Tri-color Marking（三色标记）

对象分三种状态。

White（白）

1
2
3

GC 还没有发现。

当前认为可能是垃圾。

Gray（灰）

已经发现。

但是：

引用的对象还没有扫描完成。

例如：

Root

↓

A(Gray)

↓

B(White)

Black（黑）

1
2
3

自己扫描完成。

所有引用对象也扫描完成。

例如：

Root

↓

A(Black)

↓

B(Gray)

最终：

Root

↓

A(Black)

↓

B(Black)

九、为什么需要 Write Barrier

问题：

A(Black)

↓

扫描完成

JS：

1	A.child = C;

变成：

Black

↓

White

GC：

不会重新扫描 Black。

于是：

C 被漏标。

Write Barrier

执行：

1	A.child = C;

内部概念：

修改引用

↓

Write Barrier

↓

通知 GC：

对象图发生变化

↓

GC 加入 WorkList

↓

以后继续扫描

注意：

Write Barrier：

不是负责扫描。

它只是：

通知 GC。

十、GC 调度

GC：

不是：

Event Loop

↓

GC Task

GC 并不是普通 Task。

而是：

执行 JS

↓

Safe Point

↓

检查是否需要 GC

↓

需要

↓

暂停 JS

↓

GC

↓

恢复 JS

所以：

GC 更像：

Runtime Maintenance

不是：

Business Task

十一、Safe Point（安全点）

Safe Point：

不是：

操作系统提供
浏览器提供
Event Loop 提供

而是：

V8 编译器主动插入的检查点。

例如：

源码：

function foo() {

    a();

    b();

    c();

}

概念模型：

function foo() {

    a();

    CheckSafepoint();

    b();

    CheckSafepoint();

    c();

    CheckSafepoint();

}

注意：

这里不是：

GC();

而是：

1	CheckSafepoint();

十二、CheckSafepoint

作用：

if (gc_requested) {

    PauseJavaScript();

    RunGC();

    ResumeJavaScript();

}

如果：

1	gc_requested == false

立即返回：

继续执行 JS

绝大多数时候：

CheckSafepoint()

↓

什么都不会发生

十三、为什么需要 Safe Point

GC 必须知道：

Stack

↓

寄存器

↓

局部变量

哪些对象属于 Root。

如果：

CPU：

对象写了一半

寄存器更新一半

引用关系还没建立

GC：

无法得到一致对象图。

因此：

只能停在：

V8 提前设计好的位置。

十四、GC Scheduler（GC 调度器）

现代 GC：

不是：

1
2
3

每100ms

GC一次

而是：

根据：

Heap 使用率

↓

内存压力

↓

增量标记是否完成

↓

后台 GC 状态

决定：

1	gc_requested = true

等待：

1	Safe Point

开始 GC。

十五、GC 线程模型

早期

Main Thread

↓

Mark

↓

Sweep

全部主线程完成。

现代 V8

主线程：

JavaScript

+

Safe Point 检查

+

部分 GC

后台线程：

Concurrent Mark

Concurrent Sweep

Concurrent Compact

多个线程协同工作。

涉及对象图一致性的阶段：

仍然需要：

短暂 STW。

十六、Write Barrier 与 Safe Point 的区别

Write Barrier

发生：

1	obj.child = other;

作用：

对象图发生变化

↓

通知 GC

↓

避免漏标

解决：

对象图一致性。

Safe Point

发生：

1	执行 JavaScript 过程中

作用：

检查：

GC 是否请求暂停？

↓

如果需要

↓

暂停 JS

↓

GC

↓

恢复 JS

解决：

什么时候可以安全暂停 JavaScript。

十七、现代 GC 的完整流程

           JS

            │

     执行 JavaScript

            │

       Safe Point

            │

  CheckSafepoint()

            │

  gc_requested ?

    │        │

    │否      │是

    ▼        ▼

继续执行     Pause JS

              │

      Incremental GC

              │

Mark / Sweep / Compact

              │

        Resume JS

              │

         继续执行

十八、当前形成的完整知识体系

JS Object
        │
        ▼
      Heap
        │
        ▼
   Object Graph
        │
        ▼
       Root
        │
        ▼
 Reachability
        │
        ▼
   Mark-Sweep
        │
        ▼
 Stop-The-World
        │
        ▼
Incremental Marking
        │
        ▼
 Tri-color Marking
        │
        ▼
 Write Barrier
        │
        ▼
 Safe Point
        │
        ▼
 CheckSafepoint
        │
        ▼
 GC Scheduler
        │
        ▼
Concurrent GC

今天真正掌握的知识

GC 基础

JavaScript 为什么需要 GC
Stack 与 Heap 的区别
Root 是什么
Reachability 如何判断对象存活
为什么循环引用不会泄漏

GC 算法

Mark-Sweep
Stop-The-World
Incremental Marking
Tri-color Marking

GC 与 JavaScript 协作

Write Barrier
Safe Point
CheckSafepoint
GC Scheduler
主线程 GC
后台并发 GC

总结

①

GC 判断对象是否存活，不看引用计数，而看 Root Reachability（可达性）。

②

Write Barrier 不负责回收对象，它负责通知 GC：”对象图发生变化了。”

③

Safe Point 不执行 GC，它只是检查：”现在是否可以安全暂停并运行 GC？”

④

现代 V8 的 GC 是一个持续运行、增量推进、并发协作的运行时系统，而不是一个偶尔执行的大任务。