V8 的垃圾回收为什么要分新生代和老生代？Scavenge、标记清除和标记整理分别用在哪里？

简答

V8 把堆分成新生代和老生代，依据是“分代假说”：大多数对象刚分配不久就变得不可达了。新对象先分配在新生代，活得久的才搬进老生代，两边用不同的回收器。

新生代由 Scavenger（副垃圾回收器）回收。新生代分成两半，一半用来分配，另一半一直空着。回收时把活着的对象复制到空的那一半，再交换两半的角色。因为活下来的对象很少，复制的成本只和存活对象的数量有关，和分配了多少无关。已经活过一次回收的对象，再活一次就晋升到老生代。

老生代由主垃圾回收器（Mark-Compact）负责，它回收整个堆：先标记可达对象，再把死对象留下的空隙记进空闲列表，这是清除；对碎片多的页，把活对象复制到别的页，这是整理。整理要复制对象，代价高，所以只对一部分页做。

要注意两点。Scavenge 只扫新生代，老生代指向新生代的引用靠写屏障记录下来当作根。另外 V8 用并行、增量、并发三种方式缩短主线程的停顿，短命对象对垃圾回收来说很便宜。

为什么要分代

可达性和标记清除的基本思路见《垃圾回收为什么无法自动解决所有内存泄漏？》，这里讲 V8 怎样把它落到不同区域。

V8 的博客把“分代假说”概括为：大多数对象死得早，分配后几乎立刻就变得不可达，而且这一点对大多数动态语言都成立。如果每次回收都扫一遍整个堆，就会为那些早就没用的临时对象反复付出代价。

所以 V8 把堆分成代。新生代内部还分成 nursery 和 intermediate 两个子代：对象先分配到 nursery，活过一次回收后变成 intermediate，再活过一次就搬进老生代。新对象最可能变成垃圾，就让专门的回收器频繁地只回收新生代。

Scavenge 怎样回收新生代

新生代采用 semi-space（半空间）设计，总空间的一半始终空着。回收时，空着的那一半叫 To-Space，正在用的叫 From-Space。

Scavenger 的根除了调用栈和全局对象，还有老生代指向新生代的引用。它从这些根出发，把可达的活对象复制到 To-Space，整齐地挨在一起，死对象留下的空隙就全部消失了。复制完交换两半的角色，之后新分配从新的 From-Space 下一个空闲地址开始。每个被搬走的对象会留下转发地址，用来把指向旧位置的指针改到新位置。标记、搬移、更新指针这三步是交错进行的。

只靠来回复制，新生代很快就会装满。所以活过第二次回收的对象不再复制进 To-Space，而是晋升到老生代。

下面的模拟只演示“复制存活对象、第二次存活就晋升”这条规则，不代表 V8 的真实数据结构。

function createHeap() {
  return { fromSpace: [], old: [] };
}

function allocate(heap, name, refs = []) {
  const obj = { name, refs, survived: 0 };
  heap.fromSpace.push(obj);
  return obj;
}

function scavenge(heap, roots) {
  const toSpace = [];
  const seen = new Set();
  const stack = [...roots];
  while (stack.length > 0) {
    const obj = stack.pop();
    if (seen.has(obj) || heap.old.includes(obj)) continue;
    seen.add(obj);
    if (obj.survived >= 1) {
      heap.old.push(obj);
    } else {
      obj.survived += 1;
      toSpace.push(obj);
    }
    stack.push(...obj.refs);
  }
  heap.fromSpace = toSpace;
}

const heap = createHeap();
const user = allocate(heap, 'user');
allocate(heap, 'temp1');
allocate(heap, 'temp2');
scavenge(heap, [user]);
console.log(heap.fromSpace.map((o) => o.name).join(',')); // user
console.log(heap.old.length); // 0

allocate(heap, 'temp3');
scavenge(heap, [user]);
console.log(heap.fromSpace.length); // 0
console.log(heap.old.map((o) => o.name).join(',')); // user

第一次回收后，temp1、temp2 从根走不到，没有被复制，user 被复制进新的半空间。回收器根本没有逐个处理那两个临时对象，它们随旧的半空间一起被丢弃，这就是成本只和存活对象有关的原因。第二次回收时 user 已经活过一次，所以直接晋升到老生代。

老生代为什么不也用复制

复制式回收的弱点是：长寿对象很多时，每次都要复制它们，代价很高。老生代里恰恰都是活得久的对象，所以主垃圾回收器换了做法。

它先标记。V8 用两个标记位给每个对象编码三种颜色：白色是还没发现，灰色是发现了但字段还没处理，黑色是字段都处理完了。没有灰色对象时标记结束，剩下的白色对象不可达。

接着是清除：把死对象留下的连续空隙加入按大小分开的空闲列表，之后分配内存时直接从里面找合适大小的块。

整理只针对一部分页。主垃圾回收器根据碎片情况挑出碎片多的页，把上面的活对象复制到其他页，让零散的小空隙能被重新利用；其余的页只做清除，不复制对象。

写屏障解决什么问题

写屏障是 V8 在对象字段写入后插入的一小段代码，用来把引用变化告诉垃圾回收器。它在这里出现在两处。

第一处是 Scavenge。为了不在每次回收新生代时都遍历整个老生代，V8 用写屏障维护一份老生代指向新生代的引用列表，加上调用栈和全局对象，就知道了所有指向新生代的引用。

第二处是增量和并发标记。标记进行时 JavaScript 还在运行，可能把一个白色对象挂到已经标记完的黑色对象上，回收器就会漏掉它。V8 采用 Dijkstra 风格的写屏障：执行 object.field = value 后，如果 object 是黑色、value 是白色，就把 value 标成灰色放进待处理列表。这保证了黑色对象不会指向白色对象，活对象不会被误回收。

并行、增量、并发有什么区别

Orinoco 是 V8 垃圾回收项目的代号，目标是减少主线程停顿，用到三种技术。

并行是主线程和辅助线程同时做差不多的垃圾回收工作，JavaScript 仍然暂停，但停顿时间按线程数分摊。增量是主线程每次只做一小段垃圾回收，中间让 JavaScript 运行，总时间不减少，甚至略增，但停顿被拆散，页面能及时响应输入。并发是 JavaScript 在主线程上一直运行，辅助线程在后台做垃圾回收，最难实现，因为堆随时在变，还要处理读写竞争。

V8 现在用并行 Scavenge 回收新生代，多个线程一起搬移对象，用原子操作避免同一个对象被搬两次。主垃圾回收器在堆接近动态计算的上限时开始并发标记；标记完成后主线程短暂暂停做标记收尾，重新扫描根，再和辅助线程一起并行整理、更新指针；清除则并发进行，JavaScript 恢复运行后还能继续。

常见追问

分代对写代码有什么启发？

V8 的博客明确说，因为分代结构，短命对象对垃圾回收来说其实很便宜，回收只为存活下来的对象付出代价。所以不必为了“少创建临时对象”而把代码写得别扭，真正要关心的是别让本该短命的对象被长期引用、拖进老生代。

能在 JavaScript 里手动触发垃圾回收吗？

不能。JavaScript 程序不能直接访问垃圾回收器，行为完全由实现决定。V8 提供了让嵌入方触发回收的机制，比如 Chrome 可以在一帧的渲染工作提前做完时，利用剩下的空闲时间执行垃圾回收发出的空闲任务。