聊聊V8引擎的垃圾回收
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騰訊題目:
function test() {
var a = 1;
var b = {};
var c = {a: a};
return c;
}
執(zhí)行test后,說(shuō)一說(shuō)，堆棧發(fā)生了啥變化，最后c的內(nèi)存會(huì)被回收嗎？
作者：linxuan
來(lái)源：https://segmentfault.com/a/1190000015437592
前言
我們知道，JavaScript之所以能在瀏覽器環(huán)境和NodeJS環(huán)境運(yùn)行，都是因?yàn)橛蠽8引擎在幕后保駕護(hù)航。從編譯、內(nèi)存分配、運(yùn)行以及垃圾回收等整個(gè)過(guò)程，都離不開(kāi)它。
在寫(xiě)這篇文章之前，我也在網(wǎng)上看了很多博客，包括一些英文原版的內(nèi)容，于是想通過(guò)這篇文章來(lái)做一個(gè)歸納整理，文中加入了我自己的思考，以及純手工制作流程圖~~
希望這篇文章能幫到你，同時(shí)本文也會(huì)收錄到我自己的個(gè)人網(wǎng)站。
為什么要有垃圾回收
在C語(yǔ)言和C++語(yǔ)言中，我們?nèi)绻胍_(kāi)辟一塊堆內(nèi)存的話(huà)，需要先計(jì)算需要內(nèi)存的大小，然后自己通過(guò)malloc函數(shù)去手動(dòng)分配，在用完之后，還要時(shí)刻記得用free函數(shù)去清理釋放，否則這塊內(nèi)存就會(huì)被永久占用，造成內(nèi)存泄露。
但是我們?cè)趯?xiě)JavaScript的時(shí)候，卻沒(méi)有這個(gè)過(guò)程，因?yàn)槿思乙呀?jīng)替我們封裝好了，V8引擎會(huì)根據(jù)你當(dāng)前定義對(duì)象的大小去自動(dòng)申請(qǐng)分配內(nèi)存。
不需要我們?nèi)ナ謩?dòng)管理內(nèi)存了，所以自然要有垃圾回收，否則的話(huà)只分配不回收，豈不是沒(méi)多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)存就被占滿(mǎn)了嗎，導(dǎo)致應(yīng)用崩潰。
垃圾回收的好處是不需要我們?nèi)ス芾韮?nèi)存，把更多的精力放在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)用上，但壞處也來(lái)自于此，不用管理了，就有可能在寫(xiě)代碼的時(shí)候不注意，造成循環(huán)引用等情況，導(dǎo)致內(nèi)存泄露。
內(nèi)存結(jié)構(gòu)分配
由于V8最開(kāi)始就是為JavaScript在瀏覽器執(zhí)行而打造的，不太可能遇到使用大量?jī)?nèi)存的場(chǎng)景，所以它可以申請(qǐng)的最大內(nèi)存就沒(méi)有設(shè)置太大，在64位系統(tǒng)下大約為1.4GB，在32位系統(tǒng)下大約為700MB。
在NodeJS環(huán)境中，我們可以通過(guò)process.memoryUsage()來(lái)查看內(nèi)存分配。
process.memoryUsage返回一個(gè)對(duì)象，包含了 Node 進(jìn)程的內(nèi)存占用信息。該對(duì)象包含四個(gè)字段，含義如下：
rss（resident set size）：所有內(nèi)存占用，包括指令區(qū)和堆棧
heapTotal：V8引擎可以分配的最大堆內(nèi)存，包含下面的 heapUsed
heapUsed：V8引擎已經(jīng)分配使用的堆內(nèi)存
external：V8管理C++對(duì)象綁定到JavaScript對(duì)象上的內(nèi)存以上所有內(nèi)存單位均為字節(jié)（Byte）。
如果說(shuō)想要擴(kuò)大Node可用的內(nèi)存空間，可以使用Buffer等堆外內(nèi)存內(nèi)存，這里不詳細(xì)說(shuō)明了，大家有興趣可以去看一些資料。
下面是Node的整體架構(gòu)圖，有助于大家理解上面的內(nèi)容：
Node Standard Library: 是我們每天都在用的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，如Http, Buffer 模塊
Node Bindings: 是溝通JS 和 C++的橋梁，封裝V8和Libuv的細(xì)節(jié)，向上層提供基礎(chǔ)API服務(wù)
第三層是支撐 Node.js 運(yùn)行的關(guān)鍵，由 C/C++ 實(shí)現(xiàn)：
1. V8 是Google開(kāi)發(fā)的JavaScript引擎，提供JavaScript運(yùn)行環(huán)境，可以說(shuō)它就是 Node.js 的發(fā)動(dòng)機(jī)
2. Libuv 是專(zhuān)門(mén)為Node.js開(kāi)發(fā)的一個(gè)封裝庫(kù)，提供跨平臺(tái)的異步I/O能力
3. C-ares：提供了異步處理 DNS 相關(guān)的能力
4. http_parser、OpenSSL、zlib 等：提供包括 http 解析、SSL、數(shù)據(jù)壓縮等其他的能力垃圾回收機(jī)制
如何判斷是否可以回收
1.1 標(biāo)記清除
當(dāng)變量進(jìn)入環(huán)境（例如，在函數(shù)中聲明一個(gè)變量）時(shí)，就將這個(gè)變量標(biāo)記為“進(jìn)入環(huán)境”。從邏輯上講，永遠(yuǎn)不能釋放進(jìn)入環(huán)境的變量所占用的內(nèi)存，因?yàn)橹灰獔?zhí)行流進(jìn)入相應(yīng)的環(huán)境，就可能會(huì)用到它們。而當(dāng)變量離開(kāi)環(huán)境時(shí)，則將其標(biāo)記為“離開(kāi)環(huán)境”。
可以使用任何方式來(lái)標(biāo)記變量。比如，可以通過(guò)翻轉(zhuǎn)某個(gè)特殊的位來(lái)記錄一個(gè)變量何時(shí)進(jìn)入環(huán)境，或者使用一個(gè)“進(jìn)入環(huán)境的”變量列表及一個(gè)“離開(kāi)環(huán)境的”變量列表來(lái)跟蹤哪個(gè)變量發(fā)生了變化。如何標(biāo)記變量并不重要，關(guān)鍵在于采取什么策略。
（1）垃圾收集器在運(yùn)行的時(shí)候會(huì)給存儲(chǔ)在內(nèi)存中的所有變量都加上標(biāo)記（當(dāng)然，可以使用任何標(biāo)記方式）。
（2）然后，它會(huì)去掉運(yùn)行環(huán)境中的變量以及被環(huán)境中變量所引用的變量的標(biāo)記
（3）此后，依然有標(biāo)記的變量就被視為準(zhǔn)備刪除的變量，原因是在運(yùn)行環(huán)境中已經(jīng)無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)到這些變量了。
（4）最后，垃圾收集器完成內(nèi)存清除工作，銷(xiāo)毀那些帶標(biāo)記的值并回收它們所占用的內(nèi)存空間。
目前，IE、Firefox、Opera、Chrome和Safari的JavaScript實(shí)現(xiàn)使用的都是標(biāo)記清除式的垃圾回收策略（或類(lèi)似的策略），只不過(guò)垃圾收集的時(shí)間間隔互有不同。
活動(dòng)對(duì)象就是上面的root，如果不清楚活動(dòng)對(duì)象的可以先查一下資料，當(dāng)一個(gè)對(duì)象和其關(guān)聯(lián)對(duì)象不再通過(guò)引用關(guān)系被當(dāng)前root引用了，這個(gè)對(duì)象就會(huì)被垃圾回收。
1.2 引用計(jì)數(shù)
引用計(jì)數(shù)的垃圾收集策略不太常見(jiàn)。含義是跟蹤記錄每個(gè)值被引用的次數(shù)。當(dāng)聲明了一個(gè)變量并將一個(gè)引用類(lèi)型值賦給該變量時(shí)，則這個(gè)值的引用次數(shù)就是1。
如果同一個(gè)值又被賦給另一個(gè)變量，則該值的引用次數(shù)加1。相反，如果包含對(duì)這個(gè)值引用的變量改變了引用對(duì)象，則該值引用次數(shù)減1。
當(dāng)這個(gè)值的引用次數(shù)變成0時(shí)，則說(shuō)明沒(méi)有辦法再訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)值了，因而就可以將其占用的內(nèi)存空間回收回來(lái)。
這樣，當(dāng)垃圾收集器下次再運(yùn)行時(shí)，它就會(huì)釋放那些引用次數(shù)為0的值所占用的內(nèi)存。
Netscape Navigator 3.0是最早使用引用計(jì)數(shù)策略的瀏覽器，但很快它就遇到了一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題：循環(huán)引用。
循環(huán)引用是指對(duì)象A中包含一個(gè)指向?qū)ο驜的指針，而對(duì)象B中也包含一個(gè)指向?qū)ο驛的引用，看個(gè)例子：
function foo () {
var objA = new Object();
var objB = new Object();
objA.otherObj = objB;
objB.anotherObj = objA;
}這個(gè)例子中，objA和objB通過(guò)各自的屬性相互引用，也就是說(shuō)，這兩個(gè)對(duì)象的引用次數(shù)都是2。
在采用標(biāo)記清除策略的實(shí)現(xiàn)中，由于函數(shù)執(zhí)行后，這兩個(gè)對(duì)象都離開(kāi)了作用域，因此這種相互引用不是問(wèn)題。
但在采用引用次數(shù)策略的實(shí)現(xiàn)中，當(dāng)函數(shù)執(zhí)行完畢后，objA和objB還將繼續(xù)存在，因?yàn)樗鼈兊囊么螖?shù)永遠(yuǎn)不會(huì)是0。
加入這個(gè)函數(shù)被重復(fù)多次調(diào)用，就會(huì)導(dǎo)致大量?jī)?nèi)存無(wú)法回收。為此，Netscape在Navigator 4.0中也放棄了引用計(jì)數(shù)方式，轉(zhuǎn)而采用標(biāo)記清除來(lái)實(shí)現(xiàn)其垃圾回收機(jī)制。
還要注意的是，我們大部分人時(shí)刻都在寫(xiě)著循環(huán)引用的代碼，看下面這個(gè)例子，相信大家都這樣寫(xiě)過(guò)：
var el = document.getElementById('#el');
el.onclick = function (event) {
console.log('element was clicked');
}我們?yōu)橐粋€(gè)元素的點(diǎn)擊事件綁定了一個(gè)匿名函數(shù)，我們通過(guò)event參數(shù)是可以拿到相應(yīng)元素el的信息的。
大家想想，這是不是就是一個(gè)循環(huán)引用呢？
el有一個(gè)屬性onclick引用了一個(gè)函數(shù)（其實(shí)也是個(gè)對(duì)象），函數(shù)里面的參數(shù)又引用了el，這樣el的引用次數(shù)一直是2，即使當(dāng)前這個(gè)頁(yè)面關(guān)閉了，也無(wú)法進(jìn)行垃圾回收。
如果這樣的寫(xiě)法很多很多，就會(huì)造成內(nèi)存泄露。我們可以通過(guò)在頁(yè)面卸載時(shí)清除事件引用，這樣就可以被回收了：
var el = document.getElementById('#el');
el.onclick = function (event) {
console.log('element was clicked');
}
// ...
// ...
// 頁(yè)面卸載時(shí)將綁定的事件清空
window.onbeforeunload = function(){
el.onclick = null;
}V8垃圾回收策略
自動(dòng)垃圾回收有很多算法，由于不同對(duì)象的生存周期不同，所以無(wú)法只用一種回收策略來(lái)解決問(wèn)題，這樣效率會(huì)很低。
所以，V8采用了一種代回收的策略，將內(nèi)存分為兩個(gè)生代：新生代（new generation）和老生代（old generation）。
新生代中的對(duì)象為存活時(shí)間較短的對(duì)象，老生代中的對(duì)象為存活時(shí)間較長(zhǎng)或常駐內(nèi)存的對(duì)象，分別對(duì)新老生代采用不同的垃圾回收算法來(lái)提高效率，對(duì)象最開(kāi)始都會(huì)先被分配到新生代（如果新生代內(nèi)存空間不夠，直接分配到老生代），新生代中的對(duì)象會(huì)在滿(mǎn)足某些條件后，被移動(dòng)到老生代，這個(gè)過(guò)程也叫晉升，后面我會(huì)詳細(xì)說(shuō)明。
分代內(nèi)存
默認(rèn)情況下，32位系統(tǒng)新生代內(nèi)存大小為16MB，老生代內(nèi)存大小為700MB，64位系統(tǒng)下，新生代內(nèi)存大小為32MB，老生代內(nèi)存大小為1.4GB。
新生代平均分成兩塊相等的內(nèi)存空間，叫做semispace，每塊內(nèi)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周期短的對(duì)象，分配內(nèi)存也很容易，只保存一個(gè)指向內(nèi)存空間的指針，根據(jù)分配對(duì)象的大小遞增指針就可以了，當(dāng)存儲(chǔ)空間快要滿(mǎn)時(shí)，就進(jìn)行一次垃圾回收。
2. 算法
新生代采用Scavenge垃圾回收算法，在算法實(shí)現(xiàn)時(shí)主要采用Cheney算法。
Cheney算法將內(nèi)存一分為二，叫做semispace，一塊處于使用狀態(tài)，一塊處于閑置狀態(tài)。
處于使用狀態(tài)的semispace稱(chēng)為From空間，處于閑置狀態(tài)的semispace稱(chēng)為To空間。
我畫(huà)了一套詳細(xì)的流程圖，接下來(lái)我會(huì)結(jié)合流程圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明Cheney算法是怎么工作的。
垃圾回收在下面我統(tǒng)稱(chēng)為 GC（Garbage Collection）。
step1. 在From空間中分配了3個(gè)對(duì)象A、B、C
step2. GC進(jìn)來(lái)判斷對(duì)象B沒(méi)有其他引用，可以回收，對(duì)象A和C依然為活躍對(duì)象
step3. 將活躍對(duì)象A、C從From空間復(fù)制到To空間
step4. 清空From空間的全部?jī)?nèi)存
step5. 交換From空間和To空間
step6. 在From空間中又新增了2個(gè)對(duì)象D、E
step7. 下一輪GC進(jìn)來(lái)發(fā)現(xiàn)對(duì)象D沒(méi)有引用了，做標(biāo)記
step8. 將活躍對(duì)象A、C、E從From空間復(fù)制到To空間
step9. 清空From空間全部?jī)?nèi)存
step10. 繼續(xù)交換From空間和To空間，開(kāi)始下一輪
通過(guò)上面的流程圖，我們可以很清楚的看到，進(jìn)行From和To交換，就是為了讓活躍對(duì)象始終保持在一塊semispace中，另一塊semispace始終保持空閑的狀態(tài)。
Scavenge由于只復(fù)制存活的對(duì)象，并且對(duì)于生命周期短的場(chǎng)景存活對(duì)象只占少部分，所以它在時(shí)間效率上有優(yōu)異的體現(xiàn)。Scavenge的缺點(diǎn)是只能使用堆內(nèi)存的一半，這是由劃分空間和復(fù)制機(jī)制所決定的。
由于Scavenge是典型的犧牲空間換取時(shí)間的算法，所以無(wú)法大規(guī)模的應(yīng)用到所有的垃圾回收中。但我們可以看到，Scavenge非常適合應(yīng)用在新生代中，因?yàn)樾律袑?duì)象的生命周期較短，恰恰適合這個(gè)算法。
3. 晉升
當(dāng)一個(gè)對(duì)象經(jīng)過(guò)多次復(fù)制仍然存活時(shí)，它就會(huì)被認(rèn)為是生命周期較長(zhǎng)的對(duì)象。這種較長(zhǎng)生命周期的對(duì)象隨后會(huì)被移動(dòng)到老生代中，采用新的算法進(jìn)行管理。
對(duì)象從新生代移動(dòng)到老生代的過(guò)程叫作晉升。
對(duì)象晉升的條件主要有兩個(gè)：
對(duì)象從From空間復(fù)制到To空間時(shí)，會(huì)檢查它的內(nèi)存地址來(lái)判斷這個(gè)對(duì)象是否已經(jīng)經(jīng)歷過(guò)一次Scavenge回收。如果已經(jīng)經(jīng)歷過(guò)了，會(huì)將該對(duì)象從From空間移動(dòng)到老生代空間中，如果沒(méi)有，則復(fù)制到To空間。總結(jié)來(lái)說(shuō)，如果一個(gè)對(duì)象是第二次經(jīng)歷從From空間復(fù)制到To空間，那么這個(gè)對(duì)象會(huì)被移動(dòng)到老生代中。
當(dāng)要從From空間復(fù)制一個(gè)對(duì)象到To空間時(shí)，如果To空間已經(jīng)使用了超過(guò)25%，則這個(gè)對(duì)象直接晉升到老生代中。設(shè)置25%這個(gè)閾值的原因是當(dāng)這次Scavenge回收完成后，這個(gè)To空間會(huì)變?yōu)镕rom空間，接下來(lái)的內(nèi)存分配將在這個(gè)空間中進(jìn)行。如果占比過(guò)高，會(huì)影響后續(xù)的內(nèi)存分配。
老生代
1. 介紹
在老生代中，存活對(duì)象占較大比重，如果繼續(xù)采用Scavenge算法進(jìn)行管理，就會(huì)存在兩個(gè)問(wèn)題：
由于存活對(duì)象較多，復(fù)制存活對(duì)象的效率會(huì)很低。
采用Scavenge算法會(huì)浪費(fèi)一半內(nèi)存，由于老生代所占堆內(nèi)存遠(yuǎn)大于新生代，所以浪費(fèi)會(huì)很?chē)?yán)重。
所以，V8在老生代中主要采用了Mark-Sweep和Mark-Compact相結(jié)合的方式進(jìn)行垃圾回收。
2. Mark-Sweep
Mark-Sweep是標(biāo)記清除的意思，它分為標(biāo)記和清除兩個(gè)階段。
與Scavenge不同，Mark-Sweep并不會(huì)將內(nèi)存分為兩份，所以不存在浪費(fèi)一半空間的行為。Mark-Sweep在標(biāo)記階段遍歷堆內(nèi)存中的所有對(duì)象，并標(biāo)記活著的對(duì)象，在隨后的清除階段，只清除沒(méi)有被標(biāo)記的對(duì)象。
也就是說(shuō)，Scavenge只復(fù)制活著的對(duì)象，而Mark-Sweep只清除死了的對(duì)象?；顚?duì)象在新生代中只占較少部分，死對(duì)象在老生代中只占較少部分，這就是兩種回收方式都能高效處理的原因。
我們還是通過(guò)流程圖來(lái)看一下：
step1. 老生代中有對(duì)象A、B、C、D、E、F
step2. GC進(jìn)入標(biāo)記階段，將A、C、E標(biāo)記為存活對(duì)象
step3. GC進(jìn)入清除階段，回收掉死亡的B、D、F對(duì)象所占用的內(nèi)存空間
可以看到，Mark-Sweep最大的問(wèn)題就是，在進(jìn)行一次清除回收以后，內(nèi)存空間會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)的狀態(tài)。這種內(nèi)存碎片會(huì)對(duì)后續(xù)的內(nèi)存分配造成問(wèn)題。
如果出現(xiàn)需要分配一個(gè)大內(nèi)存的情況，由于剩余的碎片空間不足以完成此次分配，就會(huì)提前觸發(fā)垃圾回收，而這次回收是不必要的。
2. Mark-Compact
為了解決Mark-Sweep的內(nèi)存碎片問(wèn)題，Mark-Compact就被提出來(lái)了。
Mark-Compact是標(biāo)記整理的意思，是在Mark-Sweep的基礎(chǔ)上演變而來(lái)的。Mark-Compact在標(biāo)記完存活對(duì)象以后，會(huì)將活著的對(duì)象向內(nèi)存空間的一端移動(dòng)，移動(dòng)完成后，直接清理掉邊界外的所有內(nèi)存。如下圖所示：
step1. 老生代中有對(duì)象A、B、C、D、E、F（和Mark—Sweep一樣）
step2. GC進(jìn)入標(biāo)記階段，將A、C、E標(biāo)記為存活對(duì)象（和Mark—Sweep一樣）
step3. GC進(jìn)入整理階段，將所有存活對(duì)象向內(nèi)存空間的一側(cè)移動(dòng)，灰色部分為移動(dòng)后空出來(lái)的空間
step4. GC進(jìn)入清除階段，將邊界另一側(cè)的內(nèi)存一次性全部回收
3. 兩者結(jié)合
在V8的回收策略中，Mark-Sweep和Mark-Conpact兩者是結(jié)合使用的。
由于Mark-Conpact需要移動(dòng)對(duì)象，所以它的執(zhí)行速度不可能很快，在取舍上，V8主要使用Mark-Sweep，在空間不足以對(duì)從新生代中晉升過(guò)來(lái)的對(duì)象進(jìn)行分配時(shí)，才使用Mark-Compact。
總結(jié)
V8的垃圾回收機(jī)制分為新生代和老生代。
新生代主要使用Scavenge進(jìn)行管理，主要實(shí)現(xiàn)是Cheney算法，將內(nèi)存平均分為兩塊，使用空間叫From，閑置空間叫To，新對(duì)象都先分配到From空間中，在空間快要占滿(mǎn)時(shí)將存活對(duì)象復(fù)制到To空間中，然后清空From的內(nèi)存空間，此時(shí)，調(diào)換From空間和To空間，繼續(xù)進(jìn)行內(nèi)存分配，當(dāng)滿(mǎn)足那兩個(gè)條件時(shí)對(duì)象會(huì)從新生代晉升到老生代。
老生代主要采用Mark-Sweep和Mark-Compact算法，一個(gè)是標(biāo)記清除，一個(gè)是標(biāo)記整理。兩者不同的地方是，Mark-Sweep在垃圾回收后會(huì)產(chǎn)生碎片內(nèi)存，而Mark-Compact在清除前會(huì)進(jìn)行一步整理，將存活對(duì)象向一側(cè)移動(dòng)，隨后清空邊界的另一側(cè)內(nèi)存，這樣空閑的內(nèi)存都是連續(xù)的，但是帶來(lái)的問(wèn)題就是速度會(huì)慢一些。在V8中，老生代是Mark-Sweep和Mark-Compact兩者共同進(jìn)行管理的。
以上就是本文的全部?jī)?nèi)容，書(shū)寫(xiě)過(guò)程中參考了很多中外文章，參考書(shū)籍包括樸大大的《深入淺出NodeJS》以及《JavaScript高級(jí)程序設(shè)計(jì)》等。我們這里并沒(méi)有對(duì)具體的算法實(shí)現(xiàn)進(jìn)行探討，感興趣的朋友可以繼續(xù)深入研究一下。
最后，謝謝大家能夠讀到這里，如果文中有任何不明確或錯(cuò)誤的地方，歡迎給我留言~~
感謝大家
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