由一道騰訊面試題聊聊 V8 引擎的垃圾回收
騰訊題目:
function test() {
var a = 1;
var b = {};
var c = {a: a};
return c;
}
執(zhí)行test后,說一說，堆棧發(fā)生了啥變化，最后c的內(nèi)存會被回收嗎？
題目來自：https://github.com/sisterAn/JavaScript-Algorithms/issues/157
前言
我們知道，JavaScript之所以能在瀏覽器環(huán)境和NodeJS環(huán)境運行，都是因為有V8引擎在幕后保駕護航。從編譯、內(nèi)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，于是想通過這篇文章來做一個歸納整理，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，同時本文也會收錄到我自己的個人網(wǎng)站。
為什么要有垃圾回收
在C語言和C++語言中，我們?nèi)绻胍_辟一塊堆內(nèi)存的話，需要先計算需要內(nèi)存的大小，然后自己通過malloc函數(shù)去手動分配，在用完之后，還要時刻記得用free函數(shù)去清理釋放，否則這塊內(nèi)存就會被永久占用，造成內(nèi)存泄露。
但是我們在寫JavaScript的時候，卻沒有這個過程，因為人家已經(jīng)替我們封裝好了，V8引擎會根據(jù)你當前定義對象的大小去自動申請分配內(nèi)存。
不需要我們?nèi)ナ謩庸芾韮?nèi)存了，所以自然要有垃圾回收，否則的話只分配不回收，豈不是沒多長時間內(nèi)存就被占滿了嗎，導致應用崩潰。
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現(xiàn)復雜應用上，但壞處也來自于此，不用管理了，就有可能在寫代碼的時候不注意，造成循環(huán)引用等情況，導致內(nèi)存泄露。
內(nèi)存結(jié)構(gòu)分配
由于V8最開始就是為JavaScript在瀏覽器執(zhí)行而打造的，不太可能遇到使用大量內(nèi)存的場景，所以它可以申請的最大內(nèi)存就沒有設置太大，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**process.memoryUsage()**來查看內(nèi)存分配。
process.memoryUsage返回一個對象，包含了 Node 進程的內(nèi)存占用信息。該對象包含四個字段，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++對象綁定到JavaScript對象上的內(nèi)存
以上所有內(nèi)存單位均為字節(jié)（Byte）。
如果說想要擴大Node可用的內(nèi)存空間，可以使用Buffer等堆外內(nèi)存內(nèi)存，這里不詳細說明了，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準庫，如Http, Buffer 模塊
Node Bindings: 是溝通JS 和 C++的橋梁，封裝V8和Libuv的細節(jié)，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(xiàn)：
1. V8 是Google開發(fā)的JavaScript引擎，提供JavaScript運行環(huán)境，可以說它就是 Node.js 的發(fā)動機
2. Libuv 是專門為Node.js開發(fā)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(shù)據(jù)壓縮等其他的能力
垃圾回收機制
如何判斷是否可以回收
1.1 標記清除
當變量進入環(huán)境（例如，在函數(shù)中聲明一個變量）時，就將這個變量標記為“進入環(huán)境”。從邏輯上講，永遠不能釋放進入環(huán)境的變量所占用的內(nèi)存，因為只要執(zhí)行流進入相應的環(huán)境，就可能會用到它們。而當變量離開環(huán)境時，則將其標記為“離開環(huán)境”。
可以使用任何方式來標記變量。比如，可以通過翻轉(zhuǎn)某個特殊的位來記錄一個變量何時進入環(huán)境，或者使用一個“進入環(huán)境的”變量列表及一個“離開環(huán)境的”變量列表來跟蹤哪個變量發(fā)生了變化。如何標記變量并不重要，關鍵在于采取什么策略。
（1）垃圾收集器在運行的時候會給存儲在內(nèi)存中的所有變量都加上標記（當然，可以使用任何標記方式）。 （2）然后，它會去掉運行環(huán)境中的變量以及被環(huán)境中變量所引用的變量的標記 （3）此后，依然有標記的變量就被視為準備刪除的變量，原因是在運行環(huán)境中已經(jīng)無法訪問到這些變量了。 （4）最后，垃圾收集器完成內(nèi)存清除工作，銷毀那些帶標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實現(xiàn)使用的都是標記清除式的垃圾回收策略（或類似的策略），只不過垃圾收集的時間間隔互有不同。
活動對象就是上面的root，如果不清楚活動對象的可以先查一下資料，當一個對象和其關聯(lián)對象不再通過引用關系被當前root引用了，這個對象就會被垃圾回收。
1.2 引用計數(shù)
引用計數(shù)的垃圾收集策略不太常見。含義是跟蹤記錄每個值被引用的次數(shù)。當聲明了一個變量并將一個引用類型值賦給該變量時，則這個值的引用次數(shù)就是1。
如果同一個值又被賦給另一個變量，則該值的引用次數(shù)加1。相反，如果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(shù)減1。
當這個值的引用次數(shù)變成0時，則說明沒有辦法再訪問這個值了，因而就可以將其占用的內(nèi)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(shù)為0的值所占用的內(nèi)存。
Netscape Navigator 3.0是最早使用引用計數(shù)策略的瀏覽器，但很快它就遇到了一個嚴重的問題：循環(huán)引用。
循環(huán)引用是指對象A中包含一個指向?qū)ο驜的指針，而對象B中也包含一個指向?qū)ο驛的引用，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通過各自的屬性相互引用，也就是說，這兩個對象的引用次數(shù)都是2。
在采用標記清除策略的實現(xiàn)中，由于函數(shù)執(zhí)行后，這兩個對象都離開了作用域，因此這種相互引用不是問題。
但在采用引用次數(shù)策略的實現(xiàn)中，當函數(shù)執(zhí)行完畢后，objA和objB還將繼續(xù)存在，因為它們的引用次數(shù)永遠不會是0。
加入這個函數(shù)被重復多次調(diào)用，就會導致大量內(nèi)存無法回收。為此，Netscape在Navigator 4.0中也放棄了引用計數(shù)方式，轉(zhuǎn)而采用標記清除來實現(xiàn)其垃圾回收機制。
還要注意的是，我們大部分人時刻都在寫著循環(huán)引用的代碼，看下面這個例子，相信大家都這樣寫過：
var el = document.getElementById('#el');
el.onclick = function (event) {
console.log('element was clicked');
}
我們?yōu)橐粋€元素的點擊事件綁定了一個匿名函數(shù)，我們通過event參數(shù)是可以拿到相應元素el的信息的。
大家想想，這是不是就是一個循環(huán)引用呢？el有一個屬性onclick引用了一個函數(shù)（其實也是個對象），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，即使當前這個頁面關閉了，也無法進行垃圾回收。
如果這樣的寫法很多很多，就會造成內(nèi)存泄露。我們可以通過在頁面卸載時清除事件引用，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
自動垃圾回收有很多算法，由于不同對象的生存周期不同，所以無法只用一種回收策略來解決問題，這樣效率會很低。
所以，V8采用了一種代回收的策略，將內(nèi)存分為兩個生代：新生代（new generation）和老生代（old generation）。
新生代中的對象為存活時間較短的對象，老生代中的對象為存活時間較長或常駐內(nèi)存的對象，分別對新老生代采用不同的垃圾回收算法來提高效率，對象最開始都會先被分配到新生代（如果新生代內(nèi)存空間不夠，直接分配到老生代），新生代中的對象會在滿足某些條件后，被移動到老生代，這個過程也叫晉升，后面我會詳細說明。
分代內(nèi)存
默認情況下，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象，分配內(nèi)存也很容易，只保存一個指向內(nèi)存空間的指針，根據(jù)分配對象的大小遞增指針就可以了，當存儲空間快要滿時，就進行一次垃圾回收。
2. 算法
新生代采用Scavenge垃圾回收算法，在算法實現(xiàn)時主要采用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稱為From空間，處于閑置狀態(tài)的semispace稱為To空間。
我畫了一套詳細的流程圖，接下來我會結(jié)合流程圖來詳細說明Cheney算法是怎么工作的。垃圾回收在下面我統(tǒng)稱為 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沒有其他引用，可以回收，對象A和C依然為活躍對象
step3. 將活躍對象A、C從From空間復制到To空間
step4. 清空From空間的全部內(nèi)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(fā)現(xiàn)對象D沒有引用了，做標記
step8. 將活躍對象A、C、E從From空間復制到To空間
step9. 清空From空間全部內(nèi)存
step10. 繼續(xù)交換From空間和To空間，開始下一輪
通過上面的流程圖，我們可以很清楚的看到，進行From和To交換，就是為了讓活躍對象始終保持在一塊semispace中，另一塊semispace始終保持空閑的狀態(tài)。
Scavenge由于只復制存活的對象，并且對于生命周期短的場景存活對象只占少部分，所以它在時間效率上有優(yōu)異的體現(xiàn)。Scavenge的缺點是只能使用堆內(nèi)存的一半，這是由劃分空間和復制機制所決定的。
由于Scavenge是典型的犧牲空間換取時間的算法，所以無法大規(guī)模的應用到所有的垃圾回收中。但我們可以看到，Scavenge非常適合應用在新生代中，因為新生代中對象的生命周期較短，恰恰適合這個算法。
3. 晉升
當一個對象經(jīng)過多次復制仍然存活時，它就會被認為是生命周期較長的對象。這種較長生命周期的對象隨后會被移動到老生代中，采用新的算法進行管理。
對象從新生代移動到老生代的過程叫作晉升。
對象晉升的條件主要有兩個：
對象從From空間復制到To空間時，會檢查它的內(nèi)存地址來判斷這個對象是否已經(jīng)經(jīng)歷過一次Scavenge回收。如果已經(jīng)經(jīng)歷過了，會將該對象從From空間移動到老生代空間中，如果沒有，則復制到To空間。總結(jié)來說，如果一個對象是第二次經(jīng)歷從From空間復制到To空間，那么這個對象會被移動到老生代中。 當要從From空間復制一個對象到To空間時，如果To空間已經(jīng)使用了超過25%，則這個對象直接晉升到老生代中。設置25%這個閾值的原因是當這次Scavenge回收完成后，這個To空間會變?yōu)镕rom空間，接下來的內(nèi)存分配將在這個空間中進行。如果占比過高，會影響后續(xù)的內(nèi)存分配。
老生代
1. 介紹
在老生代中，存活對象占較大比重，如果繼續(xù)采用Scavenge算法進行管理，就會存在兩個問題：
由于存活對象較多，復制存活對象的效率會很低。 采用Scavenge算法會浪費一半內(nèi)存，由于老生代所占堆內(nèi)存遠大于新生代，所以浪費會很嚴重。
所以，V8在老生代中主要采用了Mark-Sweep和Mark-Compact相結(jié)合的方式進行垃圾回收。
2. Mark-Sweep
Mark-Sweep是標記清除的意思，它分為標記和清除兩個階段。
與Scavenge不同，Mark-Sweep并不會將內(nèi)存分為兩份，所以不存在浪費一半空間的行為。Mark-Sweep在標記階段遍歷堆內(nèi)存中的所有對象，并標記活著的對象，在隨后的清除階段，只清除沒有被標記的對象。
也就是說，Scavenge只復制活著的對象，而Mark-Sweep只清除死了的對象?；顚ο笤谛律兄徽驾^少部分，死對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標記為存活對象
step3. GC進入清除階段，回收掉死亡的B、D、F對象所占用的內(nèi)存空間
可以看到，Mark-Sweep最大的問題就是，在進行一次清除回收以后，內(nèi)存空間會出現(xiàn)不連續(xù)的狀態(tài)。這種內(nèi)存碎片會對后續(xù)的內(nèi)存分配造成問題。
如果出現(xiàn)需要分配一個大內(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在標記完存活對象以后，會將活著的對象向內(nèi)存空間的一端移動，移動完成后，直接清理掉邊界外的所有內(nèi)存。如下圖所示：
step1. 老生代中有對象A、B、C、D、E、F（和Mark—Sweep一樣）
step2. GC進入標記階段，將A、C、E標記為存活對象（和Mark—Sweep一樣）
step3. GC進入整理階段，將所有存活對象向內(nèi)存空間的一側(cè)移動，灰色部分為移動后空出來的空間
step4. GC進入清除階段，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需要移動對象，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，在空間不足以對從新生代中晉升過來的對象進行分配時，才使用Mark-Compact。
總結(jié)
V8的垃圾回收機制分為新生代和老生代。
新生代主要使用Scavenge進行管理，主要實現(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，新對象都先分配到From空間中，在空間快要占滿時將存活對象復制到To空間中，然后清空From的內(nèi)存空間，此時，調(diào)換From空間和To空間，繼續(xù)進行內(nèi)存分配，當滿足那兩個條件時對象會從新生代晉升到老生代。
老生代主要采用Mark-Sweep和Mark-Compact算法，一個是標記清除，一個是標記整理。兩者不同的地方是，Mark-Sweep在垃圾回收后會產(chǎn)生碎片內(nèi)存，而Mark-Compact在清除前會進行一步整理，將存活對象向一側(cè)移動，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，但是帶來的問題就是速度會慢一些。在V8中，老生代是Mark-Sweep和Mark-Compact兩者共同進行管理的。
以上就是本文的全部內(nèi)容，書寫過程中參考了很多中外文章，參考書籍包括樸大大的《深入淺出NodeJS》以及《JavaScript高級程序設計》等。我們這里并沒有對具體的算法實現(xiàn)進行探討，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誤的地方，歡迎給我留言~~
文章來源：https://segmentfault.com/a/1190000014383214
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