浅谈V8引擎中的垃圾回收机制(4)

标记清除分为标记和清除两个阶段。在标记阶段需要遍历堆中的所有对象,并标记那些活着的对象,然后进入清除阶段。在清除阶段总,只清除没有被标记的对象。由于标记清除只清除死亡对象,而死亡对象在老生代中占用的比例很小,所以效率较高

标记清除有一个问题就是进行一次标记清楚后,内存空间往往是不连续的,会出现很多的内存碎片。如果后续需要分配一个需要内存空间较多的对象时,如果所有的内存碎片都不够用,将会使得V8无法完成这次分配,提前触发垃圾回收。

Mark-Compact(标记整理)

标记整理正是为了解决标记清除所带来的内存碎片的问题。标记整理在标记清除的基础进行修改,将其的清除阶段变为紧缩极端。在整理的过程中,将活着的对象向内存区的一段移动,移动完成后直接清理掉边界外的内存。紧缩过程涉及对象的移动,所以效率并不是太好,但是能保证不会生成内存碎片

算法思路

标记清除和标记整理都分为两个阶段:标记阶段、清除或紧缩阶段

在标记阶段,所有堆上的活跃对象都会被标记。每个内存页有一个用来标记对象的位图,位图中的每一位对应内存页中的一个字。这个位图需要占据一定的空间(32位下为3.1%,64位为1.6%)。另外有两位用来标记对象的状态,这个状态一共有三种(所以要两位)——白,灰,黑:
* 如果一个对象为白对象,它还没未被垃圾回收器发现
* 如果一个对象为灰对象,它已经被垃圾回收器发现,但其邻接对象尚未全部处理
* 如果一个对象为黑对象,说明他步进被垃圾回收器发现,其邻接对象也全部被处理完毕了

如果将对中的对象看做由指针做边的有向图,标记算法的核心就是深度优先搜索。在初始时,位图为空,所有的对象也都是白对象。从根对象到达的对象会背染色为灰色,放入一个单独的双端队列中。标记阶段的每次循环,垃圾回收器都会从双端队列中取出一个对象并将其转变为黑对象,并将其邻接的对象转变为灰,然后把其邻接对象放入双端队列。如果双端队列为空或所有对象都变成黑对象,则结束。特别大的对象,可能会在处理时进行分片,防止双端队列溢出。如果双端队列溢出,则对象仍然会成为灰对象,但不会被放入队列中,这将导致其邻接对象无法被转变为灰对象。所以在双端队列为空时,需要扫描所有对象,如果仍有灰对象,将它们重新放入队列中进行处理。标记结束后,所有的对象都应该非黑即白,白对象将成为垃圾,等待释放

清除和紧缩阶段都是以内存页为单位回收内存

清除时垃圾回收器会扫描连续存放的死对象,将其变成空闲空间,并保存到一个空闲空间的链表中。这个链表常被scavenge算法用于分配被晋升对象的内存,但也被紧缩算法用于移动对象

紧缩算法会尝试将碎片页整合到一起来释放内存。由于页上的对象会被移动到新的页上,需要重新分配一些页。大致过程是,对目标碎片页中的每个活跃对象,在空闲内存链表中分配一块内存页,将该对象复制过去,并在碎片页中的该对象上写上新的内存地址。随后在迁出过程中,对象的旧地址将会被记录下来,在迁出结束后,V8会遍历所有它所记录的旧对象的地址,将其更新为新地址。由于标记过程中也记录了不同页之间的指针,这些指针在此时也会进行更新。如果一个页非常活跃,如其中有过多需要记录的指针,那么地址记录会跳过它,等到下一轮垃圾回收进行处理

结合使用标记清除和标记整理

V8的老生代使用标记清除和标记整理结合的方式,主要采用标记清除算法,如果空间不足以分配从新生代晋升过来的对象时,才使用标记整理

V8的优化 Incremental Marking(增量标记)

由于全停顿会造成了浏览器一段时间无响应,所以V8使用了一种增量标记的方式,将完整的标记拆分成很多部分,每做完一部分就停下来,让JS的应用逻辑执行一会,这样垃圾回收与应用逻辑交替完成。经过增量标记的改进后,垃圾回收的最大停顿时间可以减少到原来的1/6左右

惰性清理

由于标记完成后,所有的对象都已经被标记,不是死对象就是活对象,堆上多少空间格局已经确定。我们可以不必着急释放那些死对象所占用的空间,而延迟清理过程的执行。垃圾回收器可以根据需要逐一清理死对象所占用的内存页

其他

V8后续还引入了增量式整理(incremental compaction),以及并行标记和并行清理,通过并行利用多核CPU来提升垃圾回收的性能

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