聊聊JS垃圾回收机制

CatherineYF
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一晃眼到了2020年下半年，之前开通的blog现在已经长草了。懊恼之余，还是痛定思痛，奋起直追，好好写写博客和专栏。

今天聊聊JavaScript的垃圾回收机制

首先明确一点，不同于C、C++这类需要人工管理内存的语言，JavaScript里的内存管理是自动进行的。正因如此，才有了今天我们介绍的GC(Garbage Collection,垃圾回收)算法。所谓垃圾回收机制，意思是把内存中不再有用的空间进行释放并再次利用起来。为了实现这个逻辑，在引擎内部势必存在一种判断内存空间是否“不再有用”的标准，这种不同的标准即不同的GC算法。在JavaScript实现中出现过多种GC算法，下面我们列举出最常见的几种。

1. 引用计数算法

核心思想：在内部设置一个引用计数器，当每个对象空间的引用关系发生变化时，修改计数器的数值。当某个对象空间的引用数为0时，
会立即触发垃圾回收机制，对这个对象空间进行回收。

引用计数算法出现在早期的实现中，现在已经很少被用到。但我们依然可以通过学习这种算法，了解它的思想。下面举个例子来说明：

	let obj = {name:'zhangsan'} // 对象zhangsan被obj引用了一次
    let obj2 = obj1 // 对象zhangsan被第二次引用，计数器值为2
    
    obj = null // 解除obj到对象zhangsan的引用，zhangsan的引用计数器值变为1
    obj2 = null // 此时对象zhangsan的引用变为0，堆内存中存储zhangsan的空间将被当成垃圾回收

引用计数算法优缺点说明

优点：

  1. 由于引用计数算法实时监控着内存空间的引用数，当引用数为0时，能立即回收该内存空间
  2. 引用计数算法能最大程度减少程序的暂停

缺点：

  1. 由于引用计数算法维护着一个计数器，它要时刻监控该数值是否需要修改，因此时间开销较大。
  2. 不能解决循环引用的问题

所谓的循环引用，可以用一个例子说明：

	let obj1={value:obj2}
    let obj2={value:obj1}
    // 这样就构成了一对循环引用。即使obj1和obj2所代表的对象空间在其他地方再没有被引用到，
    // 由于他们互相引用，这两个内存空间也不会被销毁。

2. 标记清除算法

核心思想：将垃圾回收过程分为 标记 和 清除 两个阶段。在标记阶段，从根对象（全局对象）出发遍历所有对象，将所有可达对象
做上标记。在清除阶段，同样会遍历所有对象，对没有标记的对象进行清除操作。

这段定义里有两个关键概念：根对象 和 可达对象，下面依次给出解释：

  • 根对象：在JavaScript中可以认为是全局对象
  • 可达对象：从根对象出发，能够通过层层引用被访问到的对象。 好比全局对象上定义了一个变量obj1,其内部属性value指向了另一个对象obj2,在obj2中，又引用了obj3。在这条引用链上的所有对象，obj1,obj2,obj3都是可达对象，反之，如果某个对象不能通过根对象的引用找到，则为不可达对象，其内存空间将被当做垃圾回收。

标记清除算法优缺点说明

优点：

可以回收循环引用的对象

缺点：

  1. 容易产生碎片化空间，浪费空间
  2. 不会立即回收垃圾对象

3.标记整理算法

标记整理算法是一种运用于v8引擎中的GC算法，它可以看做是标记清除算法的升级版。

标记整理算法分为 标记 和 整理 两个阶段。其中的标记阶段和 标记清除 算法相同，都是将所有可达对象做上标记。 在整理阶段，将所有标记过的可达对象在内存空间上进行移动，使其占有连续的内存空间。

应用： V8中的垃圾回收策略

V8引擎是chrome浏览器内部和Node的JS执行引擎，其特性是运行高效，即时编译，并且内存设置了上限

  • 对64位操作系统上： 上限大约为1.5G
  • 对32位操作系统上： 上限大约为800M

V8引擎的垃圾回收采用了 分代回收 的回收策略

在V8内部，把内存空间分成了新生代和老生代区域,针对不同代采用不同的GC算法

semispace

其中新生代区域空间较小，在64位操作系统上为32M,在32位操作系统上为16M，其中保存着存活时间较短的对象。

v8将新生代空间均分为两个等大空间，使用中的空间称为from,空闲的空间称为to。当from空间使用达到一定上限，就会触发垃圾回收机制。V8新生代的垃圾回收采用的是Scavenge策略。

新生代对象回收实现

  1. 标记阶段。将from空间中的活跃对象（使用中对象）进行标记，识别出等待回收的对象 step1

  2. 排序整理阶段。

    • 将from空间中的活跃对象拷贝到to空间中 step2.1
    • 将from空间完全释放 step2.2

  3. 交换阶段。 将from空间和to空间进行互换，完成本次垃圾回收操作。 step3

与新生代区域不同，老生代区域存放的是活动时间较长的对象，比如全局对象、闭包等。

与新生代区域一样，老生代内存区同样也存在大小限制，和进行垃圾回收的特有策略

在64位操作系统中，老生代内存的存储上限是1.4G

在32位操作系统中，老生代内存代存储上限是700M

新生代对象向老生代晋升

当新生代中一个对象多次出现在to空间里，或者当to空间内存超过25%时，该对象会被移入老生代空间。这种操作被成为晋升。

默认情况下，程序生成的对象会首先被放置在from空间中。当进行垃圾回收，将对象们从from移至to时，会通过检查该对象的内存地址来判断该对象是否已经经历过一次Scavenge运算，如果是，则将该对象移至老生代空间。接下来，判断to空间是否超过25%,如果是，则仍将该对象移至老生代空间。

晋升

老生代对象回收实现

新生代对象中之所以能使用Scavenge算法这种利用空间来交换时间的算法，是因为新生代对象存储空间本身比较小，即使被一分为二，损失的存储空间也很有限。相比新生代的这种策略，老生代对象的存储空间更大，使用分代回收的话将会损失很大的存储空间，得不偿失。另外，由于老生代内存存储了大量对象，用这种算法复制对象，会使效率大幅降低。

因此，老生代内存的垃圾回收，采用了与新生代不同的策略。具体来说，主要有标记清除(mark-sweep)和标记整理(mark-compact)两种算法。没错，就是文章前面提到的两种基本算法。 在此，我们用图示进一步说明这两种算法：

  • 标记清除算法在老生代空间内的应用：

    1. 开始阶段，其中ABCDEF为已使用内存 sweep1

    2. 标记阶段，其中ACE为活跃对象，其余为待清除对象 sweep2

    3. 清除阶段，将待清除对象的空间释放 sweep3

    由以上图示不难发现，标记清除算法在每次清除过后，内存会出现不连续的状态。后续继续在老生代空间里分配内存时，如果需要分配一个大内存，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。

    因此，在标记清除算法的基础上，又发展出标记整理算法。标记整理算法在标记阶段和清除算法是一样的。不同的是，在标记完活跃对象后，会将活跃对象移动到堆内存的另一端，然后将边界外的内存全部清除。

  • 标记整理算法在老生代空间内的应用：

    1. 标记阶段，和标记清除算法一致。 compact1
    2. 整理阶段，将活跃对象拷贝直堆内存的另一端 compact2
    3. 清除阶段，将拷贝对象边界外的内存清空 compact3

  • 标记清除算法和标记整理算法的结合使用

    在取舍上，由于标记整理算法需要移动对象，所以速度不会很快；因此，老生代算法主要采用标记清除，当新生代晋升过来的对象大小大于老生代可用空间时，才启动标记整理算法。

总结

以上就是关于JS垃圾回收机制的内容。总的来说，JavaScript中存在多种GC算法，在V8引擎中，主要利用了标记清除、标记整理和scavenge算法，分别对新生代和老生代内存进行垃圾回收。

  • 其中新生代采用scavenge算法，利用空间的损失换取时间上的优势。

  • 老生代混合采用标记清除和标记整理算法，对保存至老生代空间的对象进行回收。

  • 新生代空间内的对象满足一定条件，可用晋升至老生代空间。

  • 另外在老版本的js引擎中，还使用过引用计数算法，目前已经不再使用。

写作时参考到的文章，感谢你们的帮助：

一文搞懂V8引擎的垃圾回收 by 小维FE

聊聊V8引擎的垃圾回收 by leocoder

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