JavaScript 中的垃圾回收：增量标记、惰性清理与并发回收的权衡与实现
字数 2340 2025-12-12 03:31:01

JavaScript 中的垃圾回收：增量标记、惰性清理与并发回收的权衡与实现

1. 问题描述

当我们谈到 JavaScript 的垃圾回收（GC），V8 引擎的标记-清除算法是核心。但在实际应用中，简单的标记-清除可能带来性能问题：长时间的垃圾回收会导致应用暂停（Stop-The-World），用户可能感知到卡顿。为解决此问题，现代垃圾回收器引入了增量标记（Incremental Marking）、惰性清理（Lazy Sweeping） 和并发回收（Concurrent GC） 等优化策略。本专题将深入探讨这些技术如何协同工作，以降低 GC 对应用性能的影响。

2. 背景：为什么需要优化标记-清除？

首先，回顾基本标记-清除过程：

  1. 标记阶段：从根对象（全局对象、活动调用栈等）出发，遍历所有可达对象并标记为“活动”。
  2. 清除阶段：遍历整个堆内存，回收未被标记的对象内存。

问题：如果堆内存很大（几百 MB），完整执行一次标记-清除可能阻塞主线程几十甚至几百毫秒。对于动画、用户交互等需要 60 帧/秒（每帧 16.6 毫秒）的应用，这种暂停是不可接受的。

3. 增量标记（Incremental Marking）

核心思想：将标记阶段分解成多个小步骤，穿插在 JavaScript 主线程执行间隙。

3.1 实现原理

  • 传统标记是“一气呵成”的深度/广度优先遍历。增量标记则：

    1. 将标记任务划分为多个增量标记步进（incremental marking steps）。
    2. 每执行一小步，就让主线程执行一些 JavaScript 代码。
    3. 重复直到标记完成。

  • 如何穿插？
    利用浏览器的空闲时段（idle time） 或任务间隙，通过类似 setImmediate 或微任务调度来执行增量步骤。

3.2 技术挑战与解决

挑战1：对象图变化
在增量标记的间隙，JavaScript 代码可能修改对象引用（例如：obj1.field = obj2），导致标记遗漏或错误。

解决方案：写屏障（Write Barrier）

  • 在代码修改对象引用时，插入一个“屏障”函数，记录被修改的对象。
  • 具体实现（简化）： 
    // 伪代码：写屏障逻辑
function writeBarrier(obj, field, newValue) {
  // 如果 obj 已被标记，而 newValue 未被标记，则记录 newValue 需要后续标记
  if (isMarked(obj) && !isMarked(newValue)) {
    addToMarkingQueue(newValue); // 加入标记队列
  }
  obj[field] = newValue; // 实际赋值
}
  • 这样确保增量标记期间新产生的引用不会被遗漏。

挑战2：标记进度跟踪
需要维护标记状态（哪些已标记、哪些待标记）。V8 使用三色标记算法（后续详述）来管理。

4. 惰性清理（Lazy Sweeping）

核心思想：清除阶段不必在标记后立即执行，可以延迟并在需要时逐步清理。

4.1 工作原理

  • 标记完成后，堆内存被分为：
    • 已标记区域：活动对象。
    • 未标记区域：待回收垃圾。
  • 惰性清理并不立即回收所有垃圾内存，而是：
    1. 维护一个空闲内存列表。
    2. 当应用需要分配新对象时，先从空闲列表中查找可用内存块；如果不够，再触发部分清理。
    3. 逐步将垃圾内存加入空闲列表。

4.2 优点

  • 减少单次暂停时间：清理被分摊到多次内存分配中。
  • 提高内存重用率：刚刚释放的内存可能很快被同类型对象使用，缓存友好。

5. 并发回收（Concurrent GC）

核心思想：将部分 GC 工作（尤其是标记）移动到后台线程执行，与 JavaScript 主线程并发运行，进一步减少暂停。

5.1 并发标记

  • 主线程和 GC 线程同时运行，GC 线程标记对象时，主线程可能修改引用。
  • 解决方案：同样使用写屏障，但更复杂，需要线程同步（如原子操作）来记录引用变化。
  • V8 的 Orinoco 项目 实现了并发标记。

5.2 并发清理

  • 清理阶段也可以并发：后台线程识别出垃圾内存，主线程在分配时直接重用。
  • 注意：并发清理时，内存地址可能被复用，需确保主线程不会访问到已被回收的内存（通过指针更新同步）。

6. 三色标记算法（Tri-color Marking）

这是增量/并发标记的基础模型，用三种颜色表示对象状态：

  • 白色：未访问（初始状态）。
  • 灰色：已访问，但子引用未处理。
  • 黑色：已访问，且所有子引用已处理。

标记过程：

  1. 根对象标记为灰色。
  2. 从灰色集合中取出一个对象：
    • 将其子引用标记为灰色（如果原是白色）。
    • 将自己标记为黑色。
  3. 重复直到灰色集合为空。

在增量标记中：

  • 每次增量步进只处理一部分灰色对象。
  • 写屏障负责在引用变化时，将黑色对象重新标记为灰色（如果它引用了白色对象），防止漏标。

7. 实际权衡与性能考量

7.1 增量 vs 并发

  • 增量标记：减少主线程长暂停，但总体 GC 时间可能增加（因调度开销）。
  • 并发标记：利用多核，GC 时间与主线程执行重叠，但需要写屏障开销和内存同步。

7.2 何时触发？

V8 使用动态策略：

  • 基于堆内存分配速率和剩余空间。
  • 当内存快满时，启动增量标记；压力大时可能升级为并发标记。

8. 代码示例与观察

虽然无法直接控制 GC，但可通过 Chrome DevTools 观察：

  1. 打开 Performance 面板，录制一段时间。
  2. 查看 Main 线程活动，GC 任务显示为黄色块（标记）和青色块（清理）。
  3. 注意增量标记的小块分布，与长任务对比。

示例：模拟大量对象分配

// 持续分配对象，触发 GC
let list = [];
function allocateMemory() {
  for (let i = 0; i < 100000; i++) {
    list.push({ data: new Array(100).fill('x') });
  }
}
allocateMemory();
// 在 DevTools Performance 面板观察 GC 行为

9. 总结

  • 增量标记：将标记过程分段，穿插在主线程执行中，减少单次暂停。
  • 惰性清理：延迟清理，分摊到内存分配时进行。
  • 并发回收：利用后台线程并行 GC，最小化主线程影响。
  • 三色标记 + 写屏障：确保增量/并发期间引用变化的安全性。

这些优化使得现代 JavaScript 应用即使在大内存场景下，也能保持流畅的用户体验。理解这些机制有助于编写内存友好的代码，并能在性能分析时识别 GC 相关问题。

JavaScript 中的垃圾回收：增量标记、惰性清理与并发回收的权衡与实现 1. 问题描述 当我们谈到 JavaScript 的垃圾回收（GC），V8 引擎的标记-清除算法是核心。但在实际应用中，简单的标记-清除可能带来性能问题： 长时间的垃圾回收会导致应用暂停（Stop-The-World） ，用户可能感知到卡顿。为解决此问题，现代垃圾回收器引入了 增量标记（Incremental Marking） 、 惰性清理（Lazy Sweeping） 和 并发回收（Concurrent GC） 等优化策略。本专题将深入探讨这些技术如何协同工作，以降低 GC 对应用性能的影响。 2. 背景：为什么需要优化标记-清除？ 首先，回顾基本标记-清除过程： 标记阶段 ：从根对象（全局对象、活动调用栈等）出发，遍历所有可达对象并标记为“活动”。 清除阶段 ：遍历整个堆内存，回收未被标记的对象内存。 问题 ：如果堆内存很大（几百 MB），完整执行一次标记-清除可能阻塞主线程几十甚至几百毫秒。对于动画、用户交互等需要 60 帧/秒（每帧 16.6 毫秒）的应用，这种暂停是不可接受的。 3. 增量标记（Incremental Marking） 核心思想 ：将标记阶段分解成多个小步骤，穿插在 JavaScript 主线程执行间隙。 3.1 实现原理 传统标记是“一气呵成”的深度/广度优先遍历。增量标记则： 将标记任务划分为多个 增量标记步进（incremental marking steps） 。 每执行一小步，就让主线程执行一些 JavaScript 代码。 重复直到标记完成。 如何穿插？ 利用浏览器的 空闲时段（idle time） 或 任务间隙 ，通过类似 setImmediate 或微任务调度来执行增量步骤。 3.2 技术挑战与解决 挑战1：对象图变化 在增量标记的间隙，JavaScript 代码可能修改对象引用（例如： obj1.field = obj2 ），导致标记遗漏或错误。 解决方案：写屏障（Write Barrier） 在代码修改对象引用时，插入一个“屏障”函数，记录被修改的对象。 具体实现（简化）： 这样确保增量标记期间新产生的引用不会被遗漏。 挑战2：标记进度跟踪 需要维护标记状态（哪些已标记、哪些待标记）。V8 使用 三色标记算法 （后续详述）来管理。 4. 惰性清理（Lazy Sweeping） 核心思想 ：清除阶段不必在标记后立即执行，可以延迟并在需要时逐步清理。 4.1 工作原理 标记完成后，堆内存被分为： 已标记区域 ：活动对象。 未标记区域 ：待回收垃圾。 惰性清理并不立即回收所有垃圾内存，而是： 维护一个 空闲内存列表 。 当应用需要分配新对象时，先从空闲列表中查找可用内存块；如果不够，再触发部分清理。 逐步将垃圾内存加入空闲列表。 4.2 优点 减少单次暂停时间 ：清理被分摊到多次内存分配中。 提高内存重用率 ：刚刚释放的内存可能很快被同类型对象使用，缓存友好。 5. 并发回收（Concurrent GC） 核心思想 ：将部分 GC 工作（尤其是标记）移动到 后台线程 执行，与 JavaScript 主线程 并发运行 ，进一步减少暂停。 5.1 并发标记 主线程和 GC 线程同时运行，GC 线程标记对象时，主线程可能修改引用。 解决方案 ：同样使用 写屏障 ，但更复杂，需要线程同步（如原子操作）来记录引用变化。 V8 的 Orinoco 项目 实现了并发标记。 5.2 并发清理 清理阶段也可以并发：后台线程识别出垃圾内存，主线程在分配时直接重用。 注意：并发清理时，内存地址可能被复用，需确保主线程不会访问到已被回收的内存（通过指针更新同步）。 6. 三色标记算法（Tri-color Marking） 这是增量/并发标记的基础模型，用三种颜色表示对象状态： 白色 ：未访问（初始状态）。 灰色 ：已访问，但子引用未处理。 黑色 ：已访问，且所有子引用已处理。 标记过程 ： 根对象标记为灰色。 从灰色集合中取出一个对象： 将其子引用标记为灰色（如果原是白色）。 将自己标记为黑色。 重复直到灰色集合为空。 在增量标记中 ： 每次增量步进只处理一部分灰色对象。 写屏障负责在引用变化时，将黑色对象重新标记为灰色（如果它引用了白色对象），防止漏标。 7. 实际权衡与性能考量 7.1 增量 vs 并发 增量标记 ：减少主线程长暂停，但总体 GC 时间可能增加（因调度开销）。 并发标记 ：利用多核，GC 时间与主线程执行重叠，但需要写屏障开销和内存同步。 7.2 何时触发？ V8 使用 动态策略 ： 基于堆内存分配速率和剩余空间。 当内存快满时，启动增量标记；压力大时可能升级为并发标记。 8. 代码示例与观察 虽然无法直接控制 GC，但可通过 Chrome DevTools 观察： 打开 Performance 面板，录制一段时间。 查看 Main 线程活动，GC 任务显示为黄色块（标记）和青色块（清理）。 注意增量标记的小块分布，与长任务对比。 示例：模拟大量对象分配 9. 总结 增量标记 ：将标记过程分段，穿插在主线程执行中，减少单次暂停。 惰性清理 ：延迟清理，分摊到内存分配时进行。 并发回收 ：利用后台线程并行 GC，最小化主线程影响。 三色标记 + 写屏障 ：确保增量/并发期间引用变化的安全性。 这些优化使得现代 JavaScript 应用即使在大内存场景下，也能保持流畅的用户体验。理解这些机制有助于编写内存友好的代码，并能在性能分析时识别 GC 相关问题。