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聊聊V8引擎的垃圾回收

程序员文章站 2022-04-22 14:57:39
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原文： 聊聊V8引擎的垃圾回收

 

 

聊聊V8引擎的垃圾回收

前言

我们知道，JavaScript之所以能在浏览器环境和NodeJS环境运行，都是因为有V8引擎在幕后保驾护航。从编译、内存分配、运行以及垃圾回收等整个过程，都离不开它。

 

为什么要有垃圾回收

在C语言和C++语言中，我们如果想要开辟一块堆内存的话，需要先计算需要内存的大小，然后自己通过malloc函数去手动分配，在用完之后，还要时刻记得用free函数去清理释放，否则这块内存就会被永久占用，造成内存泄露。

但是我们在写JavaScript的时候，却没有这个过程，因为人家已经替我们封装好了，V8引擎会根据你当前定义对象的大小去自动申请分配内存。

不需要我们去手动管理内存了，所以自然要有垃圾回收，否则的话只分配不回收，岂不是没多长时间内存就被占满了吗，导致应用崩溃。

垃圾回收的好处是不需要我们去管理内存，把更多的精力放在实现复杂应用上，但坏处也来自于此，不用管理了，就有可能在写代码的时候不注意，造成循环引用等情况，导致内存泄露。

内存结构分配

由于V8最开始就是为JavaScript在浏览器执行而打造的，不太可能遇到使用大量内存的场景，所以它可以申请的最大内存就没有设置太大，在64位系统下大约为1.4GB，在32位系统下大约为700MB。

在NodeJS环境中，我们可以通过process.memoryUsage()来查看内存分配。

聊聊V8引擎的垃圾回收

process.memoryUsage返回一个对象，包含了 Node 进程的内存占用信息。该对象包含四个字段，含义如下：

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rss（resident set size）：所有内存占用，包括指令区和堆栈

heapTotal：V8引擎可以分配的最大堆内存，包含下面的 heapUsed

heapUsed：V8引擎已经分配使用的堆内存

external： V8管理C++对象绑定到JavaScript对象上的内存

以上所有内存单位均为字节（Byte）。

如果说想要扩大Node可用的内存空间，可以使用Buffer等堆外内存内存，这里不详细说明了，大家有兴趣可以去看一些资料。

下面是Node的整体架构图，有助于大家理解上面的内容：

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Node Standard Library: 是我们每天都在用的标准库，如Http, Buffer 模块

Node Bindings: 是沟通JS 和 C++的桥梁，封装V8和Libuv的细节，向上层提供基础API服务

第三层是支撑 Node.js 运行的关键，由 C/C++ 实现：
1. V8 是Google开发的JavaScript引擎，提供JavaScript运行环境，可以说它就是 Node.js 的发动机
2. Libuv 是专门为Node.js开发的一个封装库，提供跨平台的异步I/O能力
3. C-ares：提供了异步处理 DNS 相关的能力
4. http_parser、OpenSSL、zlib 等：提供包括 http 解析、SSL、数据压缩等其他的能力

垃圾回收机制

1. 如何判断是否可以回收

1.1 标记清除

当变量进入环境（例如，在函数中声明一个变量）时，就将这个变量标记为“进入环境”。从逻辑上讲，永远不能释放进入环境的变量所占用的内存，因为只要执行流进入相应的环境，就可能会用到它们。而当变量离开环境时，则将其标记为“离开环境”。

可以使用任何方式来标记变量。比如，可以通过翻转某个特殊的位来记录一个变量何时进入环境，或者使用一个“进入环境的”变量列表及一个“离开环境的”变量列表来跟踪哪个变量发生了变化。如何标记变量并不重要，关键在于采取什么策略。

  • （1）垃圾收集器在运行的时候会给存储在内存中的所有变量都加上标记（当然，可以使用任何标记方式）。
  • （2）然后，它会去掉运行环境中的变量以及被环境中变量所引用的变量的标记
  • （3）此后，依然有标记的变量就被视为准备删除的变量，原因是在运行环境中已经无法访问到这些变量了。
  • （4）最后，垃圾收集器完成内存清除工作，销毁那些带标记的值并回收它们所占用的内存空间。

目前，IE、Firefox、Opera、Chrome和Safari的JavaScript实现使用的都是标记清除式的垃圾回收策略（或类似的策略），只不过垃圾收集的时间间隔互有不同。

聊聊V8引擎的垃圾回收

活动对象就是上面的root，如果不清楚活动对象的可以先查一下资料，当一个对象和其关联对象不再通过引用关系被当前root引用了，这个对象就会被垃圾回收。

1.2 引用计数

引用计数的垃圾收集策略不太常见。含义是跟踪记录每个值被引用的次数。当声明了一个变量并将一个引用类型值赋给该变量时，则这个值的引用次数就是1。

如果同一个值又被赋给另一个变量，则该值的引用次数加1。相反，如果包含对这个值引用的变量改变了引用对象，则该值引用次数减1。

当这个值的引用次数变成0时，则说明没有办法再访问这个值了，因而就可以将其占用的内存空间回收回来。

这样，当垃圾收集器下次再运行时，它就会释放那些引用次数为0的值所占用的内存。

Netscape Navigator 3.0是最早使用引用计数策略的浏览器，但很快它就遇到了一个严重的问题：循环引用。

循环引用是指对象A中包含一个指向对象B的指针，而对象B中也包含一个指向对象A的引用，看个例子：

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

这个例子中，objA和objB通过各自的属性相互引用，也就是说，这两个对象的引用次数都是2。


在采用标记清除策略的实现中，由于函数执行后，这两个对象都离开了作用域，因此这种相互引用不是问题。这个例子中，objA和objB通过各自的属性相互引用，也就是说，这两个对象的引用次数都是2。

但在采用引用次数策略的实现中，当函数执行完毕后，objA和objB还将继续存在，因为它们的引用次数永远不会是0。

加入这个函数被重复多次调用，就会导致大量内存无法回收。为此，Netscape在Navigator 4.0中也放弃了引用计数方式，转而采用标记清除来实现其垃圾回收机制。

还要注意的是，我们大部分人时刻都在写着循环引用的代码，看下面这个例子，相信大家都这样写过

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


我们为一个元素的点击事件绑定了一个匿名函数，我们通过event参数是可以拿到相应元素el的信息的。

大家想想，这是不是就是一个循环引用呢？
el有一个属性onclick引用了一个函数（其实也是个对象），函数里面的参数又引用了el，这样el的引用次数一直是2，即使当前这个页面关闭了，也无法进行垃圾回收。

如果这样的写法很多很多，就会造成内存泄露。我们可以通过在页面卸载时清除事件引用，这样就可以被回收了：

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

// ...
// ...

// 页面卸载时将绑定的事件清空
window.onbeforeunload = function(){
    el.onclick = null;
}


V8垃圾回收策略

自动垃圾回收有很多算法，由于不同对象的生存周期不同，所以无法只用一种回收策略来解决问题，这样效率会很低。

所以，V8采用了一种代回收的策略，将内存分为两个生代：新生代（new generation）和老生代（old generation）。

新生代中的对象为存活时间较短的对象，老生代中的对象为存活时间较长或常驻内存的对象，分别对新老生代采用不同的垃圾回收算法来提高效率，对象最开始都会先被分配到新生代（如果新生代内存空间不够，直接分配到老生代），新生代中的对象会在满足某些条件后，被移动到老生代，这个过程也叫晋升，后面我会详细说明。

分代内存

默认情况下，32位系统新生代内存大小为16MB，老生代内存大小为700MB，64位系统下，新生代内存大小为32MB，老生代内存大小为1.4GB。

新生代平均分成两块相等的内存空间，叫做semispace，每块内存大小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对象，分配内存也很容易，只保存一个指向内存空间的指针，根据分配对象的大小递增指针就可以了，当存储空间快要满时，就进行一次垃圾回收。

2. 算法

新生代采用Scavenge垃圾回收算法，在算法实现时主要采用Cheney算法。

Cheney算法将内存一分为二，叫做semispace，一块处于使用状态，一块处于闲置状态。

聊聊V8引擎的垃圾回收

处于使用状态的semispace称为From空间，处于闲置状态的semispace称为To空间。

我画了一套详细的流程图，接下来我会结合流程图来详细说明Cheney算法是怎么工作的。
垃圾回收在下面我统称为 GC（Garbage Collection）。

step1. 在From空间中分配了3个对象A、B、C

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step2. GC进来判断对象B没有其他引用，可以回收，对象A和C依然为活跃对象

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step3. 将活跃对象A、C从From空间复制到To空间

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step4. 清空From空间的全部内存

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step5. 交换From空间和To空间

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step6. 在From空间中又新增了2个对象D、E

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step7. 下一轮GC进来发现对象D没有引用了，做标记

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step8. 将活跃对象A、C、E从From空间复制到To空间

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step9. 清空From空间全部内存

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step10. 继续交换From空间和To空间，开始下一轮

聊聊V8引擎的垃圾回收

通过上面的流程图，我们可以很清楚的看到，进行From和To交换，就是为了让活跃对象始终保持在一块semispace中，另一块semispace始终保持空闲的状态。

Scavenge由于只复制存活的对象，并且对于生命周期短的场景存活对象只占少部分，所以它在时间效率上有优异的体现。Scavenge的缺点是只能使用堆内存的一半，这是由划分空间和复制机制所决定的。

由于Scavenge是典型的牺牲空间换取时间的算法，所以无法大规模的应用到所有的垃圾回收中。但我们可以看到，Scavenge非常适合应用在新生代中，因为新生代中对象的生命周期较短，恰恰适合这个算法。

3. 晋升

当一个对象经过多次复制仍然存活时，它就会被认为是生命周期较长的对象。这种较长生命周期的对象随后会被移动到老生代中，采用新的算法进行管理。

对象从新生代移动到老生代的过程叫作晋升。

对象晋升的条件主要有两个：

  1. 对象从From空间复制到To空间时，会检查它的内存地址来判断这个对象是否已经经历过一次Scavenge回收。如果已经经历过了，会将该对象从From空间移动到老生代空间中，如果没有，则复制到To空间。总结来说，如果一个对象是第二次经历从From空间复制到To空间，那么这个对象会被移动到老生代中。

  2. 当要从From空间复制一个对象到To空间时，如果To空间已经使用了超过25%，则这个对象直接晋升到老生代中。设置25%这个阈值的原因是当这次Scavenge回收完成后，这个To空间会变为From空间，接下来的内存分配将在这个空间中进行。如果占比过高，会影响后续的内存分配。

老生代

1. 介绍

在老生代中，存活对象占较大比重，如果继续采用Scavenge算法进行管理，就会存在两个问题：

  1. 由于存活对象较多，复制存活对象的效率会很低。
  2. 采用Scavenge算法会浪费一半内存，由于老生代所占堆内存远大于新生代，所以浪费会很严重。

所以，V8在老生代中主要采用了Mark-Sweep和Mark-Compact相结合的方式进行垃圾回收。

2. Mark-Sweep

Mark-Sweep是标记清除的意思，它分为标记和清除两个阶段。

与Scavenge不同，Mark-Sweep并不会将内存分为两份，所以不存在浪费一半空间的行为。Mark-Sweep在标记阶段遍历堆内存中的所有对象，并标记活着的对象，在随后的清除阶段，只清除没有被标记的对象。

也就是说，Scavenge只复制活着的对象，而Mark-Sweep只清除死了的对象。活对象在新生代中只占较少部分，死对象在老生代中只占较少部分，这就是两种回收方式都能高效处理的原因。

我们还是通过流程图来看一下：

step1. 老生代中有对象A、B、C、D、E、F

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step2. GC进入标记阶段，将A、C、E标记为存活对象

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step3. GC进入清除阶段，回收掉死亡的B、D、F对象所占用的内存空间

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可以看到，Mark-Sweep最大的问题就是，在进行一次清除回收以后，内存空间会出现不连续的状态。这种内存碎片会对后续的内存分配造成问题。

如果出现需要分配一个大内存的情况，由于剩余的碎片空间不足以完成此次分配，就会提前触发垃圾回收，而这次回收是不必要的。

2. Mark-Compact

为了解决Mark-Sweep的内存碎片问题，Mark-Compact就被提出来了。

Mark-Compact是标记整理的意思，是在Mark-Sweep的基础上演变而来的。Mark-Compact在标记完存活对象以后，会将活着的对象向内存空间的一端移动，移动完成后，直接清理掉边界外的所有内存。如下图所示：

step1. 老生代中有对象A、B、C、D、E、F（和Mark-Sweep一样）

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step2. GC进入标记阶段，将A、C、E标记为存活对象（和Mark—Sweep一样）
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step3. GC进入整理阶段，将所有存活对象向内存空间的一侧移动，灰色部分为移动后空出来的空间

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step4. GC进入清除阶段，将边界另一侧的内存一次性全部回收

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3. 两者结合

在V8的回收策略中，Mark-Sweep和Mark-Compact两者是结合使用的。

由于Mark-Compact需要移动对象，所以它的执行速度不可能很快，在取舍上，V8主要使用Mark-Sweep，在空间不足以对从新生代中晋升过来的对象进行分配时，才使用Mark-Compact。

总结

V8的垃圾回收机制分为新生代和老生代。

新生代主要使用Scavenge进行管理，主要实现是Cheney算法，将内存平均分为两块，使用空间叫From，闲置空间叫To，新对象都先分配到From空间中，在空间快要占满时将存活对象复制到To空间中，然后清空From的内存空间，此时，调换From空间和To空间，继续进行内存分配，当满足那两个条件时对象会从新生代晋升到老生代。

老生代主要采用Mark-Sweep和Mark-Compact算法，一个是标记清除，一个是标记整理。两者不同的地方是，Mark-Sweep在垃圾回收后会产生碎片内存，而Mark-Compact在清除前会进行一步整理，将存活对象向一侧移动，随后清空边界的另一侧内存，这样空闲的内存都是连续的，但是带来的问题就是速度会慢一些。在V8中，老生代是Mark-Sweep和Mark-Compact两者共同进行管理的。

以上就是本文的全部内容，书写过程中参考了很多中外文章，参考书籍包括朴大大的《深入浅出NodeJS》以及《JavaScript高级程序设计》等。我们这里并没有对具体的算法实现进行探讨，感兴趣的朋友可以继续深入研究一下。

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