聊聊V8引擎的垃圾回收

前言

咱們知道，JavaScript之因此能在瀏覽器環境和NodeJS環境運行，都是由於有V8引擎在幕後保駕護航。從編譯、內存分配、運行以及垃圾回收等整個過程，都離不開它。

在寫這篇文章以前，我也在網上看了不少博客，包括一些英文原版的內容，因而想經過這篇文章來作一個概括整理，文中加入了我本身的思考，以及純手工製做流程圖~~

但願這篇文章能幫到你，同時本文也會收錄到我本身的我的網站。

爲何要有垃圾回收

在C語言和C++語言中，咱們若是想要開闢一塊堆內存的話，須要先計算須要內存的大小，而後本身經過malloc函數去手動分配，在用完以後，還要時刻記得用free函數去清理釋放，不然這塊內存就會被永久佔用，形成內存泄露。

可是咱們在寫JavaScript的時候，卻沒有這個過程，由於人家已經替咱們封裝好了，V8引擎會根據你當前定義對象的大小去自動申請分配內存。

不須要咱們去手動管理內存了，因此天然要有垃圾回收，不然的話只分配不回收，豈不是沒多長時間內存就被佔滿了嗎，致使應用崩潰。

垃圾回收的好處是不須要咱們去管理內存，把更多的精力放在實現複雜應用上，但壞處也來自於此，不用管理了，就有可能在寫代碼的時候不注意，形成循環引用等狀況，致使內存泄露。

內存結構分配

因爲V8最開始就是爲JavaScript在瀏覽器執行而打造的，不太可能遇到使用大量內存的場景，因此它能夠申請的最大內存就沒有設置太大，在64位系統下大約爲1.4GB，在32位系統下大約爲700MB。

在NodeJS環境中，咱們能夠經過process.memoryUsage()來查看內存分配。

process.memoryUsage返回一個對象，包含了 Node 進程的內存佔用信息。該對象包含四個字段，含義以下：

rss（resident set size）：全部內存佔用，包括指令區和堆棧

heapTotal：V8引擎能夠分配的最大堆內存，包含下面的 heapUsed

heapUsed：V8引擎已經分配使用的堆內存

external： V8管理C++對象綁定到JavaScript對象上的內存

以上全部內存單位均爲字節（Byte）。

若是說想要擴大Node可用的內存空間，可使用Buffer等堆外內存內存，這裏不詳細說明了，你們有興趣能夠去看一些資料。

下面是Node的總體架構圖，有助於你們理解上面的內容：

Node Standard Library: 是咱們天天都在用的標準庫，如Http, Buffer 模塊

Node Bindings: 是溝通JS 和 C++的橋樑，封裝V8和Libuv的細節，向上層提供基礎API服務

第三層是支撐 Node.js 運行的關鍵，由 C/C++ 實現：
1. V8 是Google開發的JavaScript引擎，提供JavaScript運行環境，能夠說它就是 Node.js 的發動機
2. Libuv 是專門爲Node.js開發的一個封裝庫，提供跨平臺的異步I/O能力
3. C-ares：提供了異步處理 DNS 相關的能力
4. http_parser、OpenSSL、zlib 等：提供包括 http 解析、SSL、數據壓縮等其餘的能力

垃圾回收機制

如何判斷是否能夠回收

1.1 標記清除

當變量進入環境（例如，在函數中聲明一個變量）時，就將這個變量標記爲「進入環境」。從邏輯上講，永遠不能釋放進入環境的變量所佔用的內存，由於只要執行流進入相應的環境，就可能會用到它們。而當變量離開環境時，則將其標記爲「離開環境」。

可使用任何方式來標記變量。好比，能夠經過翻轉某個特殊的位來記錄一個變量什麼時候進入環境，或者使用一個「進入環境的」變量列表及一個「離開環境的」變量列表來跟蹤哪一個變量發生了變化。如何標記變量並不重要，關鍵在於採起什麼策略。

• （1）垃圾收集器在運行的時候會給存儲在內存中的全部變量都加上標記（固然，可使用任何標記方式）。
• （2）而後，它會去掉運行環境中的變量以及被環境中變量所引用的變量的標記
• （3）此後，依然有標記的變量就被視爲準備刪除的變量，緣由是在運行環境中已經沒法訪問到這些變量了。
• （4）最後，垃圾收集器完成內存清除工做，銷燬那些帶標記的值並回收它們所佔用的內存空間。

目前，IE、Firefox、Opera、Chrome和Safari的JavaScript實現使用的都是標記清除式的垃圾回收策略（或相似的策略），只不過垃圾收集的時間間隔互有不一樣。

活動對象就是上面的root，若是不清楚活動對象的能夠先查一下資料，當一個對象和其關聯對象再也不經過引用關係被當前root引用了，這個對象就會被垃圾回收。

1.2 引用計數

引用計數的垃圾收集策略不太常見。含義是跟蹤記錄每一個值被引用的次數。當聲明瞭一個變量並將一個引用類型值賦給該變量時，則這個值的引用次數就是1。

若是同一個值又被賦給另外一個變量，則該值的引用次數加1。相反，若是包含對這個值引用的變量改變了引用對象，則該值引用次數減1。

當這個值的引用次數變成0時，則說明沒有辦法再訪問這個值了，於是就能夠將其佔用的內存空間回收回來。

這樣，當垃圾收集器下次再運行時，它就會釋放那些引用次數爲0的值所佔用的內存。

Netscape Navigator 3.0是最先使用引用計數策略的瀏覽器，但很快它就遇到了一個嚴重的問題：循環引用。

循環引用是指對象A中包含一個指向對象B的指針，而對象B中也包含一個指向對象A的引用，看個例子：

function foo () {
    var objA = new Object();
    var objB = new Object();
    
    objA.otherObj = objB;
    objB.anotherObj = objA;
}

這個例子中，objA和objB經過各自的屬性相互引用，也就是說，這兩個對象的引用次數都是2。

在採用標記清除策略的實現中，因爲函數執行後，這兩個對象都離開了做用域，所以這種相互引用不是問題。

但在採用引用次數策略的實現中，當函數執行完畢後，objA和objB還將繼續存在，由於它們的引用次數永遠不會是0。

加入這個函數被重複屢次調用，就會致使大量內存沒法回收。爲此，Netscape在Navigator 4.0中也放棄了引用計數方式，轉而採用標記清除來實現其垃圾回收機制。

還要注意的是，咱們大部分人時刻都在寫着循環引用的代碼，看下面這個例子，相信你們都這樣寫過：

var el = document.getElementById('#el');
el.onclick = function (event) {
    console.log('element was clicked');
}

咱們爲一個元素的點擊事件綁定了一個匿名函數，咱們經過event參數是能夠拿到相應元素el的信息的。

你們想一想，這是否是就是一個循環引用呢？
el有一個屬性onclick引用了一個函數（其實也是個對象），函數裏面的參數又引用了el，這樣el的引用次數一直是2，即便當前這個頁面關閉了，也沒法進行垃圾回收。

若是這樣的寫法不少不少，就會形成內存泄露。咱們能夠經過在頁面卸載時清除事件引用，這樣就能夠被回收了：

var el = document.getElementById('#el');
el.onclick = function (event) {
    console.log('element was clicked');
}

// ...
// ...

// 頁面卸載時將綁定的事件清空
window.onbeforeunload = function(){
    el.onclick = null;
}

V8垃圾回收策略

自動垃圾回收有不少算法，因爲不一樣對象的生存週期不一樣，因此沒法只用一種回收策略來解決問題，這樣效率會很低。

因此，V8採用了一種代回收的策略，將內存分爲兩個生代：新生代（new generation）和老生代（old generation）。

新生代中的對象爲存活時間較短的對象，老生代中的對象爲存活時間較長或常駐內存的對象，分別對新老生代採用不一樣的垃圾回收算法來提升效率，對象最開始都會先被分配到新生代（若是新生代內存空間不夠，直接分配到老生代），新生代中的對象會在知足某些條件後，被移動到老生代，這個過程也叫晉升，後面我會詳細說明。

分代內存

默認狀況下，32位系統新生代內存大小爲16MB，老生代內存大小爲700MB，64位系統下，新生代內存大小爲32MB，老生代內存大小爲1.4GB。

新生代平均分紅兩塊相等的內存空間，叫作semispace，每塊內存大小8MB（32位）或16MB（64位）。

新生代

1. 分配方式

新生代存的都是生存週期短的對象，分配內存也很容易，只保存一個指向內存空間的指針，根據分配對象的大小遞增指針就能夠了，當存儲空間快要滿時，就進行一次垃圾回收。

2. 算法

新生代採用Scavenge垃圾回收算法，在算法實現時主要採用Cheney算法。

Cheney算法將內存一分爲二，叫作semispace，一塊處於使用狀態，一塊處於閒置狀態。

處於使用狀態的semispace稱爲From空間，處於閒置狀態的semispace稱爲To空間。

我畫了一套詳細的流程圖，接下來我會結合流程圖來詳細說明Cheney算法是怎麼工做的。
垃圾回收在下面我統稱爲 GC（Garbage Collection）。

step1. 在From空間中分配了3個對象A、B、C

step2. GC進來判斷對象B沒有其餘引用，能夠回收，對象A和C依然爲活躍對象

step3. 將活躍對象A、C從From空間複製到To空間

step4. 清空From空間的所有內存

step5. 交換From空間和To空間

step6. 在From空間中又新增了2個對象D、E

step7. 下一輪GC進來發現對象D沒有引用了，作標記

step8. 將活躍對象A、C、E從From空間複製到To空間

step9. 清空From空間所有內存

step10. 繼續交換From空間和To空間，開始下一輪

經過上面的流程圖，咱們能夠很清楚的看到，進行From和To交換，就是爲了讓活躍對象始終保持在一塊semispace中，另外一塊semispace始終保持空閒的狀態。

Scavenge因爲只複製存活的對象，而且對於生命週期短的場景存活對象只佔少部分，因此它在時間效率上有優異的體現。Scavenge的缺點是隻能使用堆內存的一半，這是由劃分空間和複製機制所決定的。

因爲Scavenge是典型的犧牲空間換取時間的算法，因此沒法大規模的應用到全部的垃圾回收中。但咱們能夠看到，Scavenge很是適合應用在新生代中，由於新生代中對象的生命週期較短，偏偏適合這個算法。

3. 晉升

當一個對象通過屢次複製仍然存活時，它就會被認爲是生命週期較長的對象。這種較長生命週期的對象隨後會被移動到老生代中，採用新的算法進行管理。

對象重新生代移動到老生代的過程叫做晉升。

對象晉升的條件主要有兩個：

1. 對象從From空間複製到To空間時，會檢查它的內存地址來判斷這個對象是否已經經歷過一次Scavenge回收。若是已經經歷過了，會將該對象從From空間移動到老生代空間中，若是沒有，則複製到To空間。總結來講，若是一個對象是第二次經歷從From空間複製到To空間，那麼這個對象會被移動到老生代中。
2. 當要從From空間複製一個對象到To空間時，若是To空間已經使用了超過25%，則這個對象直接晉升到老生代中。設置25%這個閾值的緣由是當此次Scavenge回收完成後，這個To空間會變爲From空間，接下來的內存分配將在這個空間中進行。若是佔比太高，會影響後續的內存分配。

老生代

1. 介紹

在老生代中，存活對象佔較大比重，若是繼續採用Scavenge算法進行管理，就會存在兩個問題：

1. 因爲存活對象較多，複製存活對象的效率會很低。
2. 採用Scavenge算法會浪費一半內存，因爲老生代所佔堆內存遠大於新生代，因此浪費會很嚴重。

因此，V8在老生代中主要採用了Mark-Sweep和Mark-Compact相結合的方式進行垃圾回收。

2. Mark-Sweep

Mark-Sweep是標記清除的意思，它分爲標記和清除兩個階段。

與Scavenge不一樣，Mark-Sweep並不會將內存分爲兩份，因此不存在浪費一半空間的行爲。Mark-Sweep在標記階段遍歷堆內存中的全部對象，並標記活着的對象，在隨後的清除階段，只清除沒有被標記的對象。

也就是說，Scavenge只複製活着的對象，而Mark-Sweep只清除死了的對象。活對象在新生代中只佔較少部分，死對象在老生代中只佔較少部分，這就是兩種回收方式都能高效處理的緣由。

咱們仍是經過流程圖來看一下：

step1. 老生代中有對象A、B、C、D、E、F

step2. GC進入標記階段，將A、C、E標記爲存活對象

step3. GC進入清除階段，回收掉死亡的B、D、F對象所佔用的內存空間

能夠看到，Mark-Sweep最大的問題就是，在進行一次清除回收之後，內存空間會出現不連續的狀態。這種內存碎片會對後續的內存分配形成問題。

若是出現須要分配一個大內存的狀況，因爲剩餘的碎片空間不足以完成這次分配，就會提早觸發垃圾回收，而此次回收是沒必要要的。

2. Mark-Compact

爲了解決Mark-Sweep的內存碎片問題，Mark-Compact就被提出來了。

Mark-Compact是標記整理的意思，是在Mark-Sweep的基礎上演變而來的。Mark-Compact在標記完存活對象之後，會將活着的對象向內存空間的一端移動，移動完成後，直接清理掉邊界外的全部內存。以下圖所示：

step1. 老生代中有對象A、B、C、D、E、F（和Mark—Sweep同樣）

step2. GC進入標記階段，將A、C、E標記爲存活對象（和Mark—Sweep同樣）

step3. GC進入整理階段，將全部存活對象向內存空間的一側移動，灰色部分爲移動後空出來的空間

step4. GC進入清除階段，將邊界另外一側的內存一次性所有回收

3. 二者結合

在V8的回收策略中，Mark-Sweep和Mark-Conpact二者是結合使用的。

因爲Mark-Conpact須要移動對象，因此它的執行速度不可能很快，在取捨上，V8主要使用Mark-Sweep，在空間不足以對重新生代中晉升過來的對象進行分配時，才使用Mark-Compact。

總結

V8的垃圾回收機制分爲新生代和老生代。

新生代主要使用Scavenge進行管理，主要實現是Cheney算法，將內存平均分爲兩塊，使用空間叫From，閒置空間叫To，新對象都先分配到From空間中，在空間快要佔滿時將存活對象複製到To空間中，而後清空From的內存空間，此時，調換From空間和To空間，繼續進行內存分配，當知足那兩個條件時對象會重新生代晉升到老生代。

老生代主要採用Mark-Sweep和Mark-Compact算法，一個是標記清除，一個是標記整理。二者不一樣的地方是，Mark-Sweep在垃圾回收後會產生碎片內存，而Mark-Compact在清除前會進行一步整理，將存活對象向一側移動，隨後清空邊界的另外一側內存，這樣空閒的內存都是連續的，可是帶來的問題就是速度會慢一些。在V8中，老生代是Mark-Sweep和Mark-Compact二者共同進行管理的。

以上就是本文的所有內容，書寫過程當中參考了不少中外文章，參考書籍包括樸大大的《深刻淺出NodeJS》以及《JavaScript高級程序設計》等。咱們這裏並無對具體的算法實現進行探討，感興趣的朋友能夠繼續深刻研究一下。

最後，謝謝你們可以讀到這裏，若是文中有任何不明確或錯誤的地方，歡迎給我留言~~

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