JavaScript 中的垃圾回收：V8 引擎的 Minor GC（Scavenger） 与 Major GC（Mark-Compact）协同工作机制

在 V8 引擎的垃圾回收中，Minor GC（副垃圾回收） 和 Major GC（主垃圾回收） 是基于“代际假说”的两个核心回收过程，它们协同工作以高效管理内存。我会从基础概念开始，逐步深入它们的工作细节、协同机制和触发时机。

1. 核心背景：代际假说与分代内存布局

代际假说指出：

• 大多数对象生命周期很短（很快变得不可访问）。
• 少数对象会存活较长时间。

基于此，V8 将堆内存分为两代：

• 新生代：存放新创建的对象。特点是对象存活时间短、区域小、垃圾回收频繁。
• 老生代：存放存活时间较长的对象（从新生代晋升而来）。特点是对象存活时间长、区域大、垃圾回收不频繁。

2. 新生代回收：Minor GC（Scavenger）

目标：快速回收新生代中的短暂存活对象。
算法：Cheney 算法（一种复制算法，采用“半空间”设计）。

步骤详解：

步骤 1：内存划分
新生代被划分为两个相等大小的半空间：From-Space（使用中）和 To-Space（闲置）。对象始终只在 From-Space 中分配。

步骤 2：对象分配
新对象在 From-Space 中按顺序分配。当 From-Space 被填满时，触发 Minor GC。

步骤 3：标记活跃对象
从根对象（全局对象、当前函数作用域链等）出发，遍历引用链，标记 From-Space 中所有可访问的对象为“活跃对象”。

步骤 4：复制活跃对象

• 将 From-Space 中的活跃对象复制到 To-Space 中，并紧密排列（消除内存碎片）。
• 复制过程中，会更新对象的指针，使其指向 To-Space 中的新地址。

步骤 5：更新引用指针

• 由于对象被移动，所有指向这些对象的指针（包括老生代中的指针）都必须更新。V8 通过写屏障机制来记录跨代引用，确保引用正确更新。

步骤 6：角色交换
复制完成后，清空 From-Space 并交换 From-Space 和 To-Space 的角色。现在，To-Space 变为新的使用空间，From-Space 变为闲置空间。

步骤 7：对象晋升
在复制过程中，如果一个对象满足以下任一条件，会被晋升到老生代：

• 对象已经经历过一次 Minor GC 且仍然存活。
• 复制时，To-Space 空间不足（避免无限制复制）。

3. 老生代回收：Major GC（Mark-Compact）

目标：回收老生代中长期存活但已死亡的对象。
算法：结合标记-清除和标记-压缩，通常使用“增量标记”和“惰性清理”优化。

步骤详解：

步骤 1：标记阶段

• 从根对象出发，遍历所有可达对象，将它们标记为“活跃”。
• 由于老生代对象多，V8 使用增量标记：将标记过程分解为多个小步骤，穿插在 JavaScript 执行中，避免长时间停顿。

步骤 2：清除/压缩阶段

• 清除未被标记的对象（死亡对象），释放内存。
• 但频繁清除会产生内存碎片，因此 V8 会周期性执行标记-压缩：
  • 将所有活跃对象向内存一端移动。
  • 更新所有引用指针。
  • 释放另一端连续内存，避免碎片。

步骤 3：写屏障的作用

• 在 Minor GC 和 Major GC 之间，写屏障 记录从老生代到新生代的引用，确保跨代引用的正确性。
• 在 Major GC 标记时，写屏障记录的引用会被作为“额外根”来扫描。

4. Minor GC 与 Major GC 的协同工作机制

触发时机：

• Minor GC：当新生代 From-Space 满时触发，频繁且快速。
• Major GC：当老生代内存达到阈值时触发（或由调度算法决定），较慢但全面。

协同流程：

1. 新对象在新生代分配 → 反复经历 Minor GC。
2. 存活对象晋升到老生代。
3. 老生代逐渐积累，触发 Major GC。
4. Major GC 会同时处理新生代和老生代，但以老生代为主：
   • 它从根对象开始标记，包括新生代对象。
   • 由于跨代引用的存在，写屏障确保不会遗漏。

避免全堆回收：

• 通常 Major GC 只标记和清理老生代，但如果内存压力大，V8 可能执行全堆垃圾回收（包含两代）。
• 优化：V8 的 Orinoco 项目 实现了并发标记和并行清理，减少主线程停顿。

5. 举例说明协同过程

假设我们有以下代码：

function createObjects() {
  let shortLived = { name: "temp" }; // 新生代分配
  let longLived = { data: new Array(1000) }; // 新生代分配，但较大
  return longLived; // longLived 被返回，可能被外部引用
}
let globalObj = createObjects();

• 初始：shortLived 和 longLived 在新生代。
• Minor GC 触发：
  • shortLived 在函数结束后不可达 → 被回收。
  • longLived 被 globalObj 引用 → 活跃，晋升到老生代。
• 后续：longLived 在老生代长期存在，直到不可达时由 Major GC 回收。

6. 总结与关键点

• Minor GC：快速、频繁，使用复制算法处理新生代，存活对象晋升。
• Major GC：较慢、全面，使用标记-清除/压缩处理老生代，避免碎片。
• 协同核心：
  • 代际分离：适应对象生命周期差异。
  • 写屏障：维护跨代引用正确性。
  • 晋升机制：连接两代回收。
• 优化目标：减少主线程停顿，提高应用响应速度。

通过这种分代与协同设计，V8 在内存回收效率和应用性能之间取得了平衡。理解这一机制有助于编写内存友好的 JavaScript 代码，并能在性能调优时预判垃圾回收行为。