JavaScript中的垃圾回收：写屏障与三色标记算法

1. 背景与问题

垃圾回收（Garbage Collection, GC）需要高效区分存活对象和垃圾对象。简单标记-清除算法会暂停整个应用（Stop-The-World），导致性能问题。三色标记算法通过并发标记减少暂停时间，但并发标记时，若用户代码修改对象引用关系，可能错误回收存活对象（漏标问题）。例如：

• 黑色对象（已标记）引用一个白色对象（未标记），同时用户代码删除了该黑色对象对白色对象的引用，并让另一个黑色对象引用该白色对象。若GC未感知这一变化，白色对象会被错误回收。

2. 三色标记原理

1. 颜色状态：
   • 白色：未访问的对象（初始状态）。
   • 灰色：已访问但子引用未完全扫描的对象。
   • 黑色：已访问且子引用完全扫描的对象。
2. 标记流程：
   • 初始时，根对象（如全局变量、活动函数栈）标记为灰色。
   • 从灰色对象队列中取出一个对象，将其子引用标记为灰色，自身标记为黑色。
   • 重复直到灰色队列为空，剩余白色对象即为垃圾。

3. 并发标记的漏标问题

并发标记时，用户线程可能修改引用关系，导致两种漏标情况：

1. 黑色对象新增对白色对象的引用（需保证白色对象被标记）。
2. 灰色对象到白色对象的引用被删除（需防止白色对象被遗漏）。
   漏标条件需同时满足：
   • 黑色对象重新引用白色对象（用户代码修改）。
   • 灰色对象到该白色对象的所有路径被删除（GC未扫描到）。

4. 写屏障（Write Barrier）解决方案

写屏障是GC在对象引用被修改时触发的机制，记录引用变化。V8引擎的解决方案：

1. 增量更新（Incremental Update）：
   • 当黑色对象引用白色对象时，通过写屏障将黑色对象降级为灰色，重新加入扫描队列。
   • 确保新增引用的白色对象被标记。
   • 类似“保守策略”，避免漏标。
2. 快照策略（Snapshot-at-the-Beginning, SATB）：
   • 记录并发标记开始时所有灰色对象到白色对象的引用关系。
   • 若用户代码删除这些引用，写屏障会记录被删除的白色对象，强制将其标记为灰色。
   • 确保原始引用路径上的对象不被遗漏。

5. 写屏障的实现细节

V8中，写屏障在对象属性赋值时（如obj.field = value）触发：

// 伪代码示例：写屏障逻辑
function writeBarrier(obj, field, value) {
  // 记录旧值（用于SATB策略）
  let oldValue = obj[field];
  // 执行实际赋值
  obj[field] = value;
  
  // 若当前处于并发标记阶段且新值为白色对象
  if (isGCMarkingActive() && isWhite(value)) {
    // 增量更新：将当前对象（黑色）降级为灰色
    downgradeToGrey(obj);
    // 或 SATB：记录旧值引用的对象
    recordForSnapshot(oldValue);
  }
}

6. 性能权衡

• 开销：写屏障增加每次属性赋值的成本，但远低于全暂停标记的延迟。
• 优化：V8通过忽略不可变对象（如数字、字符串）减少屏障触发，并利用并行标记线程分担压力。

7. 总结

写屏障是三色标记算法实现并发GC的核心保障，通过增量更新或快照策略解决漏标问题，平衡了内存回收效率与应用响应速度。理解这一机制有助于优化高频数据修改场景下的GC表现。