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JS垃圾回收机制笔记

直到不久之前,对于JS的垃圾回收机制,还停留在‘所分配的内存不再需要’的阶段。问题来了,浏览器是怎么确定‘所分配的内存不再需要’了呢?

  • 内存简介
  • 垃圾回收简介

内存简介

MDN:像C语言这样的高级语言一般都有底层的内存管理接口,比如 malloc()和free()。另一方面,JavaScript创建变量(对象,字符串等)时分配内存,并且在不再使用它们时“自动”释放。 后一个过程称为垃圾回收。这个“自动”是混乱的根源,并让JavaScript(和其他高级语言)开发者感觉他们可以不关心内存管理。 这是错误的。

内存生命周期

  1. 分配你所需要的内存
  2. 使用分配到的内存(读、写)
  3. 不需要时将其释放\归还

JavaScript内存分配

为了不让程序员费心分配内存,JavaScript 在定义变量时就完成了内存分配。

值的初始化

var n = 123; // 给数值变量分配内存
var s = "azerty"; // 给字符串分配内存

var o = {
  a: 1,
  b: null
}; // 给对象及其包含的值分配内存

// 给数组及其包含的值分配内存(就像对象一样)
var a = [1, null, "abra"]; 

function f(a){
  return a + 2;
} // 给函数(可调用的对象)分配内存

// 函数表达式也能分配一个对象
someElement.addEventListener('click', function(){
  someElement.style.backgroundColor = 'blue';
}, false);
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通过函数调用分配内存

有些函数调用结果是分配对象内存:

var d = new Date(); // 分配一个 Date 对象

var e = document.createElement('div'); // 分配一个 DOM 元素
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有些方法分配新变量或者新对象

var s = "azerty";
var s2 = s.substr(0, 3); // s2 是一个新的字符串
// 因为字符串是不变量,
// JavaScript 可能决定不分配内存,
// 只是存储了 [0-3] 的范围。

var a = ["ouais ouais", "nan nan"];
var a2 = ["generation", "nan nan"];
var a3 = a.concat(a2); 
// 新数组有四个元素,是 a 连接 a2 的结果
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使用值

使用值的过程实际上是对分配内存进行读取与写入的操作。读取与写入可能是写入一个变量或者一个对象的属性值,甚至传递函数的参数。

当内存不再需要时释放

MDN:大多数内存管理的问题都在这个阶段。在这里最艰难的任务是找到“所分配的内存确实已经不再需要了”。它往往要求开发人员来确定在程序中哪一块内存不再需要并且释放它。

高级语言解释器嵌入了“垃圾回收器”,它的主要工作是跟踪内存的分配和使用,以便当分配的内存不再使用时,自动释放它。这只能是一个近似的过程,因为要知道是否仍然需要某块内存是无法判定的(无法通过某种算法解决)


垃圾回收机制策略简介

引用概念

垃圾回收算法主要依赖于引用的概念。

在内存管理的环境中,一个对象如果有访问另一个对象的权限(隐式或者显式),叫做一个对象引用另一个对象。例如,一个Javascript对象具有对它原型的引用(隐式引用)和对它属性的引用(显式引用)。

“对象”的概念不仅特指 JavaScript 对象,还包括函数作用域(或者全局词法作用域)。

引用计数垃圾收集

这是最初级的垃圾收集算法。此算法把“对象是否不再需要”简化定义为“对象有没有其他对象引用到它”。如果没有引用指向该对象(零引用),对象将被垃圾回收机制回收。

var o = { 
  a: {
    b:2
  }
}; 
// 两个对象被创建,一个作为另一个的属性被引用,另一个被分配给变量o
// 很显然,没有一个可以被垃圾收集


var o2 = o; // o2变量是第二个对“这个对象”的引用

o = 1;      // 现在,“这个对象”的原始引用o被o2替换了

var oa = o2.a; // 引用“这个对象”的a属性
// 现在,“这个对象”有两个引用了,一个是o2,一个是oa

o2 = "yo"; // 最初的对象现在已经是零引用了
           // 他可以被垃圾回收了
           // 然而它的属性a的对象还在被oa引用,所以还不能回收

oa = null; // a属性的那个对象现在也是零引用了
           // 它可以被垃圾回收了
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引用计数缺陷

该算法有个限制:无法处理循环引用。在下面的例子中,两个对象被创建,并互相引用,形成了一个循环。它们被调用之后会离开函数作用域,所以它们已经没有用了,可以被回收了。然而,引用计数算法考虑到它们互相都有至少一次引用,所以它们不会被回收。

function f(){
  var o = {};
  var o2 = {};
  o.a = o2; // o 引用 o2
  o2.a = o; // o2 引用 o

  return "azerty";
}

f();
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标记-清除算法

这个算法把“对象是否不再需要”简化定义为“对象是否可以获得”。

此算法可以分为两个阶段,一个是标记阶段(mark),一个是清除阶段(sweep)。

  1. 标记阶段,垃圾回收器会从根对象开始遍历。每一个可以从根对象访问到的对象都会被添加一个标识,于是这个对象就被标识为可到达对象。
  2. 清除阶段,垃圾回收器会对堆内存从头到尾进行线性遍历,如果发现有对象没有被标识为可到达对象,那么就将此对象占用的内存回收,并且将原来标记为可到达对象的标识清除,以便进行下一次垃圾回收操作。

简单看看下面两张图片

  • 在标记阶段,从根对象1可以访问到B,从B又可以访问到E,那么B和E都是可到达对象,同样的道理,F、G、J和K都是可到达对象。
  • 在回收阶段,所有未标记为可到达的对象都会被垃圾回收器回收。

这个算法比前一个要好,因为“有零引用的对象”总是不可获得的,但是相反却不一定,参考“循环引用”。

从2012年起,所有现代浏览器都使用了标记-清除垃圾回收算法。所有对JavaScript垃圾回收算法的改进都是基于标记-清除算法的改进,并没有改进标记-清除算法本身和它对“对象是否不再需要”的简化定义。

何时开始垃圾回收

通常来说,在使用标记清除算法时,未引用对象并不会被立即回收。取而代之的做法是,垃圾对象将一直累计到内存耗尽为止。当内存耗尽时,程序将会被挂起,垃圾回收开始执行。

标记-清楚算法缺陷

  • 那些无法从根对象查询到的对象都将被清除
  • 垃圾收集后有可能会造成大量的内存碎片,像上面的图片所示,垃圾收集后内存中存在三个内存碎片,假设一个方格代表1个单位的内存,如果有一个对象需要占用3个内存单位的话,那么就会导致Mutator一直处于暂停状态,而Collector一直在尝试进行垃圾收集,直到Out of Memory。

ChromeV8垃圾回收算法分代回收(Generation GC)

这个和 Java 回收策略思想是一致的。目的是通过区分「临时」与「持久」对象;多回收「临时对象区」(young generation),少回收「持久对象区」(tenured generation),减少每次需遍历的对象,从而减少每次GC的耗时。Chrome 浏览器所使用的 V8 引擎就是采用的分代回收策略。

「临时」与「持久」对象也被叫做作「新生代」与「老生代」对象

V8分代回收

V8内存限制

在node中javascript能使用的内存是有限制的.

  1. 64位系统下约为1.4GB。
  2. 32位系统下约为0.7GB。

对应到分代内存中,默认情况下。

  1. 32位系统新生代内存大小为16MB,老生代内存大小为700MB。
  2. 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)。

这个限制在node启动的时候可以通过传递--max-old-space-size 和 --max-new-space-size来调整,如:

node --max-old-space-size=1700 app.js //单位为MB
node --max-new-space-size=1024 app.js //单位为MB
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上述参数在V8初始化时生效,一旦生效就不能再动态改变。

V8为什么会有内存限制

  • 表面上的原因是V8最初是作为浏览器的JavaScript引擎而设计,不太可能遇到大量内存的场景。
  • 而深层次的原因则是由于V8的垃圾回收机制的限制。由于V8需要保证JavaScript应用逻辑与垃圾回收器所看到的不一样,V8在执行垃圾回收时会阻塞JavaScript应用逻辑,直到垃圾回收结束再重新执行JavaScript应用逻辑,这种行为被称为“全停顿”(stop-the-world)。
  • 若V8的堆内存为1.5GB,V8做一次小的垃圾回收需要50ms以上,做一次非增量式的垃圾回收甚至要1秒以上。
  • 这样浏览器将在1s内失去对用户的响应,造成假死现象。如果有动画效果的话,动画的展现也将显著受到影响。

V8新生代算法(Scavenge)

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Cheney算法。

  • Cheney算法是一种采用复制的方式实现的垃圾回收算法,它将堆内存一分为二,这两个空间中只有一个处于使用中,一个处于闲置状态。
  • 处于使用状态的空间称为From空间,处于闲置的空间称为To空间。
  • 分配对象时,先是在From空间中进行分配,当开始垃圾回收时,会检查From空间中的存活对象,并将这些存活对象复制到To空间中,而非存活对象占用的空间被释放。
  • 完成复制后,From空间和To空间的角色互换。
  • 简而言之,垃圾回收过程中,就是通过将存活对象在两个空间中进行复制。
    Scavenge算法的缺点是只能使用堆内存中的一半,但由于它只复制存活的对象,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着优异的表现。

晋升

以上所说的是在纯Scavenge算法中,但是在分代式垃圾回收的前提下,From空间中存活的对象在复制到To空间之前需要进行检查,在一定条件下,需要将存活周期较长的对象移动到老生代中,这个过程称为对象晋升。

对象晋升的条件有两个,一种是对象是否经历过Scacenge回收:

另外一种情况是当To空间的使用应超过25%时,则这个对象直接晋升到老生代空间中。

V8老生代算法(Mark-Sweep,Mark-Compact)

在老生代中的对象,由于存活对象占比较大,再采用Scavenge方式会有两个问题:

  • 一个是存活对象就较多,复制存活对象的效率将会降低;
  • 另一个依然是浪费一半空间的问题。为此,V8在老生代中主要采用Mark-Sweep和Mark-Compact相结合的方式进行垃圾回收。

Mark-Sweep(标记- 清除算法)

这个算法上文有提到过,这里再说一下。

  • 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。
  • 但是这个算法有个比较大的问题是,内存碎片太多。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。
  • 所以在此基础上提出Mark-Compact算法。

Mark-Compact(标记-整理算法)

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。


内存问题

  1. 现在的chrome浏览器是否还会存在内存泄漏?
  2. 内存泄漏跟内存溢出的区别是什么?
  3. chrome何时开始内存回收?
  4. 回收分配的内存一定比不回收要好吗?

ps: 请勿转载,只学习交流使用。

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