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V8 的垃圾回收机制

我们在使用 javaScript 这门语言开发时，不需要像 C / C++ 开发那样需要时刻关注内存的分配和释放问题，与 Java 一样，由垃圾回收机制来进行自动的内存管理。

虽然前端开发中几乎是很少碰到由垃圾回收导致的性能问题，但是也还是有必要了解一下 V8 引擎的垃圾回收机制。

1.V8 的对象分配

在 V8 中，所有 JavaScript 对象都是通过堆来进行分配的。当我们在代码中声明变量并赋值时，所使用的对象的内存就分配在堆中。如果已申请的堆空闲内存不够分配新的对象，将继续申请堆内存，知道堆的大小超过 V8 限制。

V8 为何要限制堆的大小

表层原因是因为 V8 最初为浏览器而设计，不太可能遇到用大量内存的场景。对于网页来说 V8 的限制值已经绰绰有余。深层原因是 V8 的垃圾回收机制的限制。按官方的说法，以 1.5 GB 的垃圾回收堆内存为例，V8 做一次小的垃圾回收需要 50 毫秒以上，做一次非增量式的垃圾回收甚至要 1 秒以上。这是垃圾回收中引起 JavaScript 线程暂停执行的时间，这显然是无法接受的。

2.V8 的垃圾回收算法

V8 的垃圾回收策略主要基于分代式垃圾回收机制。没有一种垃圾回收算法能够胜任所有的场景，因为在实际应用中，对象的生存周期长短不一，不同的算法只能针对特定情况具有最好的效果。按照对象的存活时间将内存的垃圾回收进行不同的分代，然后分别对不同分代的内存施以更高效的算法。

V8 的内存分代

主要将内存分为新生代和老生代两代。新生代的对象存活时间较短，老生代则是较长的。

  • Scavenge 算法

    新生代中的对象主要通过 Scavenge 算法进行垃圾回收。在 Scavenge 的具体实现中主要采用了 Cheney 算法。

    Cheney 算法是一种采用复制方式实现的垃圾回收算法。将内存一分为二，每一部分空间成为 semispace。使用其中一个，这一个成为 From 空间，另一个闲置的称为 To 空间。当垃圾回收开始时，会检查 From 空间中的存活对象，并将其复制到 To 空间，然后释放掉这个空间。之后 From 和 To 角色互换（翻转）。

    Scavenge 只能使用堆内存的一半，但是对于生命周期短的场景存活对象只占少部分，所以在时间效率上有优异的表现，典型的空间换时间的算法，适合应用在新生代。

    当一个对象经过多次复制依然存活时，他将被认为是生命周期较长的对象，随后便会呗移动到老生代。

    对象从新生代移动到老生代这个过程叫做晋升。

    对象晋升的条件主要是两个
    • （是否经历过 Scavenge 回收）在从 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过一次回收。经历过的会呗复制到老生代空间中。
    • （To 空间的内存占用比）当复制到 To 空间时，如果 To 空间已经使用了超过 25%，则会被直接晋级到老生代空间。这是因为这个 To 空间将要变成 From 空间，如果占比过高，会影响后续的内存分配。

  • Mark-Sweep & Mark-Compact

    对于老生代中的对象，由于存活对象占较大比重，不适合 Scavenge 的方式，复制效率低、浪费一半空间。

    Mark-Sweep（标记清除），在标记阶段遍历堆中的所有对象，并标记活着的对象，清除阶段只清除没有被标记的对象。

    但是在进行一次标记清除回收后，内存空间会出现不连续的状态。

    Mark-Compact（标记整理），在 Mark-Sweep 的基础上演变而来。在标记阶段过后，在整理的过程中，将活着的对象往一端移动，然后清理边界外的内存。

    在 V8 中会将这两种方式结合使用。

    回收算法Mark-SweepMark-CompactScavenge
    速度中等最慢最快
    空间开销少（有碎片）少（无碎片）双倍空间（无碎片）
    是否移动对象否是是

    V8 主要使用 Mark-Sweep，在空间不足以分配从新生代中晋升过来的对象时才使用 Mark-Compact。

  • Incremental Marking

    在执行垃圾回收时，应用逻辑会被暂停，这种行为叫做“全停顿”（stop-the-world）。

    在停顿时间过长时，用户就能够感觉到卡顿，为了降低垃圾回收带来的停顿时间，V8 从标记阶段入手，将原本要一口气停顿完成的动作改为增量标记（incremental marking），也就是拆分为许多小“步进”，每做完一个就让 JavaScript 应用逻辑执行一小会儿，垃圾回收与应用逻辑交替执行知道标记阶段完成。

    V8 还引入了延迟清理（lazy sweeping）与增量式整理（incremental compaction），让清理与整理动作也变成增量式的。

参考文献 [1] 朴灵. (2013). 深入浅出node.js. 人民邮电出版社.