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高性能 JavaScript 引擎 V8 - 垃圾回收

陈锦红,微医前端技术部前端工程师,一位喜欢与大自然接触的女孩!

JavaScript 是一门具有自动垃圾收集机制的编程语言,由执行环境负责在代码执行时管理内存,当运行 javascript 时,你需要一个引擎来处理它,无论是在浏览器还是在 node.js 环境中, V8是你的选择之一,也一定是你的不二选择。下面我们就一起来看看V8是怎么进行高效的垃圾回收的吧。

垃圾数据是怎么产生的

  • 首先,我们来看看垃圾数据是怎么产生的?看如下代码:
 let test = new Object()
 test.a = new Array(10)
复制代码

当 JavaScript 执行这段代码的时候,会先在全局作用域中添加一个 test 变量,并在堆中创建了一个空对象,将该对象的地址指向了 test。

随后又创建一个大小为 10 的数组,并将属性地址指向了 test.a。此时的内存布局图如下所示:

如果此时,我将另外一个对象赋给了 a 属性,代码如下所示:

test.a = new Object()

那么此时的内存布局如下所示:

我们可以看到,a 属性之前是指向堆中数组对象的,现在已经指向了另外一个空对象,那么此时堆中的数组对象就成为了垃圾数据,因为我们无法从一个根对象遍历到这个 Array 对象,那么此时数组对象就成了垃圾数据。

垃圾回收算法

垃圾回收的实现简单分为以下三个步骤:

第一步:可访问性

从 GC Roots 对象出发,遍历 GC Root 中的所有对象:

  • 可访问对象:通过 GC Root 遍历到的对象,我们就认为该对象是可访问的(reachable),那么必须保证这些对象应该在内存中保留。
  • 不可访问对象:通过 GC Roots 没有遍历到的对象,则是不可访问的(unreachable),并会对其坐上标记,那么这些不可访问的对象就可能被回收。

浏览器环境中,GC Root 有很多,通常包括了以下几种 (但是不止于这几种):全局的 window 对象(位于每个 iframe 中);文档 DOM 树,由可以通过遍历文档到达的所有原生 DOM 节点组成;存放栈上变量。

第二步:回收不可访问对象所占据的内存

  • 其实就是在所有的标记完成之后,统一清理内存中所有被标记为可回收的对象。

第三步:内存整理

  • 频繁回收对象后,内存中就会存在大量不连续空间,称为内存碎片。当出现了大量的内存碎片之后,如果需要分配较大的连续内存时,就会出现内存不足的情况,所以最后一步需要整理这些内存碎片。但这步不是必须的,比如接下来我们要介绍的副垃圾回收器就不会产生内存碎片。

以上就是大致的垃圾回收的流程。目前 V8 采用了两个垃圾回收器,主垃圾回收器和副垃圾回收器,下面我们再具体来看看两个回收器是怎么回收垃圾的。

副垃圾回收器和主垃圾回收器

  • 在 V8 中,会把堆分为新生代(新生代通常只支持 1~8M 的容量)和老生代(容量大)两个区域,新生代中存放的是生存时间短的对象,老生代中存放生存时间久的对象。

副垃圾回收器

  • 负责新生代的垃圾回收,大多数小的对象都会被分配到新生代,垃圾回收比较频繁。
  • 新生代中的垃圾数据用 Scavenge 算法来处理。分为两个区域:对象区域 ,空闲区域。如下图所示:

  • 垃圾回收过程:

    新加入的对象都会存放到对象区域,当对象区域快被写满时,就需要执行一次垃圾清理操作。

    • 1.垃圾标记和清理:首先要对对象区域中的垃圾做标记;标记完成之后,就进入垃圾清理阶段,如下图:

> 图中可以看到,副垃圾回收器会把这些我们仍然在用的对象复制到空闲区域中,同时它还会把这些对象有序地排列起来,在复制过程,相当于完成了内存整理操作,复制后空闲区域就没有内存碎片了。
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  • 2.角色翻转:完成复制后,进行角色翻转。把原来的对象区变成空闲区,把原来的空闲区变成对象区,如下图:

主垃圾回收器

  • 负责老生代中的垃圾回收,大多数占用空间大、存活时间长的对象都会被分配到老生代里。

  • 老生代中的垃圾数据用——标记 - 清除算法进行垃圾回收,因为老生代中的对象通常比较大,复制大对象非常耗时,会导致回收执行效率不高,所以采用标记清除法。

  • 垃圾回收过程:

    • 1.标记:标记阶段就是从一组根元素开始,递归遍历这组根元素,在这个遍历过程中,能到达的元素称为活动对象,没有到达的元素就可以判断为垃圾数据。

    • 2.清除:它和副垃圾回收器的垃圾清除过程完全不同,主垃圾回收器会直接将标记为垃圾的数据清理掉,如下图:

  • 3.整理:从上图可以看到,清除后会产生大量不连续的内存碎片,过多的碎片会导致大对象无法分配到足够的连续内存,于是需要引进另一种算法——标记 - 整理,整理过程如下图:

优化垃圾回收器

  • 由于 JavaScript 是运行在主线程之上的,在垃圾回收时会阻塞 JavaScript 脚本的执行,会造成页面卡顿等问题,使得用户体验不佳。

  • 为了解决上述问题,V8 团队推出了并行、并发和增量等垃圾回收技术,这些技术主要是从两方面来解决垃圾回收效率问题的:

    • 1.将一个完整的垃圾回收的任务拆分成多个小的任务,解决单个垃圾回收时间长的问题。
    • 2.将标记对象、移动对象等任务转移到后台线程进行,减少主阻塞线程的时间。

接下来我们一起来看下具体这几种技术时怎么优化的。

并行回收

  • 如果只有一个主线程进行垃圾回收,会造成停顿时间过长。所以 V8 团队推出主线程在执行垃圾回收的任务时,引入多个辅助线程来并行处理,这样就会加速垃圾回收的执行速度,如下图:

  • 副垃圾回收器所采用的就是并行策略,它在执行垃圾回收的过程中,启动了多个线程来负责新生代中的垃圾清理操作,这些线程同时将对象空间中的数据移动到空闲区域。由于数据的地址发生了改变,所以还需要同步更新引用这些对象的指针

增量回收

  • 并行回收虽然能增加垃圾回收效率,但是还是一种阻塞的方式进行垃圾回收,试想下引老生代中存在一个很大的对象,还是会造成一个长时间暂停。

  • 增量回收采用将标记工作把垃圾回收工作分解为更小的块,每次只进行小部分垃圾回收,减少主线程阻塞时间,如下图:

并发回收

  • 虽然增量回收已经能大大降低我们主线程阻塞的时间,但是所有的标记和清除还是在主线程上。那有没有办法可以在不阻塞主线程情况下执行呢?也由此 V8 推出了并发回收。

  • 并发回收,是指主线程在执行 JavaScript 的过程中,辅助线程能够在后台完成执行垃圾回收的操作,如下图:

在实际的应用中,这三种回收机制通常是融合在一起用的。

参考资料

  • 图解 Google V8
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