高性能 JavaScript 引擎 V8 - 垃圾回收

陳錦紅，微醫(yī)前端技術(shù)部前端工程師，一位喜歡與大自然接觸的女孩！

JavaScript 是一門具有自動(dòng)垃圾收集機(jī)制的編程語言，由執(zhí)行環(huán)境負(fù)責(zé)在代碼執(zhí)行時(shí)管理內(nèi)存，當(dāng)運(yùn)行 javascript 時(shí)，你需要一個(gè)引擎來處理它，無論是在瀏覽器還是在 node.js 環(huán)境中， V8是你的選擇之一，也一定是你的不二選擇。下面我們就一起來看看V8是怎么進(jìn)行高效的垃圾回收的吧。

垃圾數(shù)據(jù)是怎么產(chǎn)生的

• 首先，我們來看看垃圾數(shù)據(jù)是怎么產(chǎn)生的？看如下代碼：

 let test = new Object()
 test.a = new Array(10)

當(dāng) JavaScript 執(zhí)行這段代碼的時(shí)候，會(huì)先在全局作用域中添加一個(gè) test 變量，并在堆中創(chuàng)建了一個(gè)空對(duì)象，將該對(duì)象的地址指向了 test。

隨后又創(chuàng)建一個(gè)大小為 10 的數(shù)組，并將屬性地址指向了 test.a。此時(shí)的內(nèi)存布局圖如下所示:

如果此時(shí)，我將另外一個(gè)對(duì)象賦給了 a 屬性，代碼如下所示：

test.a = new Object()

那么此時(shí)的內(nèi)存布局如下所示：

我們可以看到，a 屬性之前是指向堆中數(shù)組對(duì)象的，現(xiàn)在已經(jīng)指向了另外一個(gè)空對(duì)象，那么此時(shí)堆中的數(shù)組對(duì)象就成為了垃圾數(shù)據(jù)，因?yàn)槲覀儫o法從一個(gè)根對(duì)象遍歷到這個(gè) Array 對(duì)象，那么此時(shí)數(shù)組對(duì)象就成了垃圾數(shù)據(jù)。

垃圾回收算法

垃圾回收的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單分為以下三個(gè)步驟：

第一步：可訪問性

從 GC Roots 對(duì)象出發(fā)，遍歷 GC Root 中的所有對(duì)象：

• 可訪問對(duì)象：通過 GC Root 遍歷到的對(duì)象，我們就認(rèn)為該對(duì)象是可訪問的（reachable），那么必須保證這些對(duì)象應(yīng)該在內(nèi)存中保留。
• 不可訪問對(duì)象：通過 GC Roots 沒有遍歷到的對(duì)象，則是不可訪問的（unreachable），并會(huì)對(duì)其做上標(biāo)記，那么這些不可訪問的對(duì)象就可能被回收。

瀏覽器環(huán)境中，GC Root 有很多，通常包括了以下幾種 (但是不止于這幾種)：全局的 window 對(duì)象（位于每個(gè) iframe 中）；文檔 DOM 樹，由可以通過遍歷文檔到達(dá)的所有原生 DOM 節(jié)點(diǎn)組成；存放棧上變量。

第二步：回收不可訪問對(duì)象所占據(jù)的內(nèi)存

• 其實(shí)就是在所有的標(biāo)記完成之后，統(tǒng)一清理內(nèi)存中所有被標(biāo)記為可回收的對(duì)象。

第三步：內(nèi)存整理

• 頻繁回收對(duì)象后，內(nèi)存中就會(huì)存在大量不連續(xù)空間，稱為內(nèi)存碎片。當(dāng)出現(xiàn)了大量的內(nèi)存碎片之后，如果需要分配較大的連續(xù)內(nèi)存時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存不足的情況，所以最后一步需要整理這些內(nèi)存碎片。但這步不是必須的，比如接下來我們要介紹的副垃圾回收器就不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片。

以上就是大致的垃圾回收的流程。目前 V8 采用了兩個(gè)垃圾回收器，主垃圾回收器和副垃圾回收器，下面我們?cè)倬唧w來看看兩個(gè)回收器是怎么回收垃圾的。

副垃圾回收器和主垃圾回收器

• 在 V8 中，會(huì)把堆分為新生代（新生代通常只支持 1～8M 的容量）和老生代（容量大）兩個(gè)區(qū)域，新生代中存放的是生存時(shí)間短的對(duì)象，老生代中存放生存時(shí)間久的對(duì)象。

副垃圾回收器

• 負(fù)責(zé)新生代的垃圾回收，大多數(shù)小的對(duì)象都會(huì)被分配到新生代，垃圾回收比較頻繁。

• 新生代中的垃圾數(shù)據(jù)用 Scavenge 算法來處理。分為兩個(gè)區(qū)域：對(duì)象區(qū)域 ，空閑區(qū)域。如下圖所示：

• 垃圾回收過程：

  新加入的對(duì)象都會(huì)存放到對(duì)象區(qū)域，當(dāng)對(duì)象區(qū)域快被寫滿時(shí)，就需要執(zhí)行一次垃圾清理操作。

• 1.垃圾標(biāo)記和清理：首先要對(duì)對(duì)象區(qū)域中的垃圾做標(biāo)記；標(biāo)記完成之后，就進(jìn)入垃圾清理階段,如下圖：

  圖中可以看到，副垃圾回收器會(huì)把這些我們?nèi)匀辉谟玫膶?duì)象復(fù)制到空閑區(qū)域中，同時(shí)它還會(huì)把這些對(duì)象有序地排列起來，在復(fù)制過程，相當(dāng)于完成了內(nèi)存整理操作，復(fù)制后空閑區(qū)域就沒有內(nèi)存碎片了。

• 2.角色翻轉(zhuǎn)：完成復(fù)制后，進(jìn)行角色翻轉(zhuǎn)。把原來的對(duì)象區(qū)變成空閑區(qū)，把原來的空閑區(qū)變成對(duì)象區(qū)，如下圖：

主垃圾回收器

• 負(fù)責(zé)老生代中的垃圾回收，大多數(shù)占用空間大、存活時(shí)間長(zhǎng)的對(duì)象都會(huì)被分配到老生代里。

• 老生代中的垃圾數(shù)據(jù)用——標(biāo)記 - 清除算法進(jìn)行垃圾回收，因?yàn)槔仙械膶?duì)象通常比較大，復(fù)制大對(duì)象非常耗時(shí)，會(huì)導(dǎo)致回收?qǐng)?zhí)行效率不高，所以采用標(biāo)記清除法。

• 垃圾回收過程：

• 1.標(biāo)記：標(biāo)記階段就是從一組根元素開始，遞歸遍歷這組根元素，在這個(gè)遍歷過程中，能到達(dá)的元素稱為活動(dòng)對(duì)象，沒有到達(dá)的元素就可以判斷為垃圾數(shù)據(jù)。

• 2.清除：它和副垃圾回收器的垃圾清除過程完全不同，主垃圾回收器會(huì)直接將標(biāo)記為垃圾的數(shù)據(jù)清理掉，如下圖：

• 3.整理：從上圖可以看到，清除后會(huì)產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片，過多的碎片會(huì)導(dǎo)致大對(duì)象無法分配到足夠的連續(xù)內(nèi)存，于是需要引進(jìn)另一種算法——標(biāo)記 - 整理，整理過程如下圖：

優(yōu)化垃圾回收器

• 由于 JavaScript 是運(yùn)行在主線程之上的，在垃圾回收時(shí)會(huì)阻塞 JavaScript 腳本的執(zhí)行，會(huì)造成頁(yè)面卡頓等問題，使得用戶體驗(yàn)不佳。

• 為了解決上述問題，V8 團(tuán)隊(duì)推出了并行、并發(fā)和增量等垃圾回收技術(shù)，這些技術(shù)主要是從兩方面來解決垃圾回收效率問題的：

• 1.將一個(gè)完整的垃圾回收的任務(wù)拆分成多個(gè)小的任務(wù)，解決單個(gè)垃圾回收時(shí)間長(zhǎng)的問題。
• 2.將標(biāo)記對(duì)象、移動(dòng)對(duì)象等任務(wù)轉(zhuǎn)移到后臺(tái)線程進(jìn)行，減少主阻塞線程的時(shí)間。

接下來我們一起來看下具體這幾種技術(shù)是怎么優(yōu)化的。

并行回收

• 如果只有一個(gè)主線程進(jìn)行垃圾回收，會(huì)造成停頓時(shí)間過長(zhǎng)。所以 V8 團(tuán)隊(duì)推出主線程在執(zhí)行垃圾回收的任務(wù)時(shí)，引入多個(gè)輔助線程來并行處理，這樣就會(huì)加速垃圾回收的執(zhí)行速度，如下圖：

• 副垃圾回收器所采用的就是并行策略，它在執(zhí)行垃圾回收的過程中，啟動(dòng)了多個(gè)線程來負(fù)責(zé)新生代中的垃圾清理操作，這些線程同時(shí)將對(duì)象空間中的數(shù)據(jù)移動(dòng)到空閑區(qū)域。由于數(shù)據(jù)的地址發(fā)生了改變，所以還需要同步更新引用這些對(duì)象的指針。

增量回收

• 并行回收雖然能增加垃圾回收效率，但是還是一種阻塞的方式進(jìn)行垃圾回收，試想下如果老生代中存在一個(gè)很大的對(duì)象，還是會(huì)造成一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間暫停。

• 增量回收采用將標(biāo)記工作把垃圾回收工作分解為更小的塊，每次只進(jìn)行小部分垃圾回收，減少主線程阻塞時(shí)間，如下圖：

并發(fā)回收

• 雖然增量回收已經(jīng)能大大降低我們主線程阻塞的時(shí)間，但是所有的標(biāo)記和清除還是在主線程上。那有沒有辦法可以在不阻塞主線程情況下執(zhí)行呢？也由此 V8 推出了并發(fā)回收。

• 并發(fā)回收，是指主線程在執(zhí)行 JavaScript 的過程中，輔助線程能夠在后臺(tái)完成執(zhí)行垃圾回收的操作，如下圖：

在實(shí)際的應(yīng)用中，這三種回收機(jī)制通常是融合在一起用的。

參考資料

• 圖解 Google V8