浏览器知识点整理（十一）JavaScript 的垃圾数据是怎么回收的？

去追光
987 阅读15分钟

本文的重点是 JavaScript 引擎的垃圾回收机制，先了解数据存放在哪里，然后带你了解在不同的存放位置的垃圾数据是怎么回收的。

数据的存放位置：栈空间和堆空间

我们应该都知道，JS 的数据类型分为两种：基本数据类型 和 引用数据类型。类型不同，数据存放的位置自然也不同：

  • 基本数据类型的数据是存放在栈空间中的
  • 引用数据类型的数据是存放在堆空间中的

来看看下面这些数据都是怎么存储的：

function test() {
  var a = '起风了';
  var b = a;
  b = "心动了";
  var c = { "name": "婷婷" };
  var d = c;
  d.name = "瑶瑶";
  console.log(c.name); // "瑶瑶"
}
test();

这里的栈空间其实就是 调用栈，是用来存储执行上下文的。当执行一段代码时，需要先编译，创建执行上下文，然后再按照顺序执行代码。

当以上代码执行到第 4 行时，调用栈的状态如下所示：

image.png

从图中可以看出来，当代码执行到第 4 行时，变量 a 和变量 b 的 变量值 都被保存在执行上下文中，而执行上下文又被压入到调用栈中，所以也可以认为变量 a 和变量 b 的值都是存放在调用栈中。而当变量 b 修改变量值时，修改的仅仅是它本身的值，并不会影响到变量 a 的值。

所以：

  • 基本数据类型的值直接存储在栈空间中
  • 基础数据类型的值与值之间是独立存在的，修改一个变量不会影响其它变量

当执行到第 5 行代码时，由于 JS 引擎判断变量 c 右边的值是一个引用类型，然后将它分配到堆空间里面，分配后该对象会有一个在 堆空间中的地址，然后再将该数据的地址写进 c 的变量值，此时内存的示意图如下所示：

image.png

当执行第 6 行代码（var d = c;）时，其实是把变量 c 的引用地址（1001）赋给变量 d，所以当执行完第 7 行代码后，内存的示意图如下：

image.png

在 JS 中，赋值操作和其他语言有很大的不同，原始类型的赋值会完整复制变量值，而引用类型的赋值是复制引用地址。因为变量 c 和变量 d 是同一个引用，所以修改变量 d 其实是修改引用地址指向的对象数据，在最后变量 c 打印 c.name 的值是 瑶瑶。

即：

  • 引用数据类型的数据是保存到堆空间中的，每创建一个新的对象，就会在堆空间中开辟一个新的空间
  • 变量保存的是对象的内存地址（对象的引用），如果两个变量保存的是同一个对象引用，当一个变量修改属性时，另一个也会受到影响。

为什么一定要分栈空间和堆空间呢？

也许你会有这样一个疑问：为什么一定要分出来堆空间和栈空间两个内存空间呢？把数据都存放在栈空间里面不可以吗？

答案是不可以的，因为在 JS 中，调用栈是用来维护程序执行期间执行上下文的状态的，如果调用栈空间大了的话，所有的数据都存放在栈空间里面，那么就会影响到执行上下文切换的效率，然后影响到整个程序的执行效率。

为了不影响执行上下文切换的效率，栈空间一般会设置小一些，而因为引用类型的数据占用的空间又比较大，栈空间存放不下，所以会把引用类型的数据存放在堆空间中。

所以在一般情况下，栈空间都不会设置太大，然后用来存放一些基本数据类型的数据。而引用类型的数据占用的空间都比较大，所以这一类数据会被存放到堆中，堆空间很大，能存放很多大的数据，不过缺点是分配内存和回收内存都会占用一定的时间。

什么是垃圾数据？

维基百科的定义： 在计算机科学中，垃圾回收（英语：Garbage Collection，缩写为GC）是一种自动的内存管理机制。当一个电脑上的动态内存不再需要时，就应该予以释放，以让出内存，这种内存资源管理，称为垃圾回收。

换句话说，不再使用的数据称为垃圾数据，需要对这些数据进行回收以释放有限的内存空间。如果有一段数据已经不再使用，但是又没有被销毁回收空间，那么这种情况就被称为 内存泄漏。

垃圾回收有两种策略，分别是：

  • 手动回收策略：何时分配内存、何时销毁内存都是由代码控制的，如 C、C++ 等语言。
  • 自动回收策略：产生的垃圾数据是由垃圾回收器来释放回收的，并不需要手动通过代码来释放。如 JavaScript、Java、Python 等语言。

对于 JS 而言，也正是这个自动释放资源的特性带来了很多困惑，也让一些 JS 开发者误以为可以不关心内存管理，这是一个很大的误解。

栈空间的数据是怎么回收的？

栈空间即调用栈，栈它是有一个先入后出的特性，调用栈亦是如此。

  • 在调用栈中会有一个 记录当前执行状态的指针（称为 ESP ），指向调用栈中正在执行函数 A 的执行上下文，表示当前正在执行 A 函数。
  • 当 A 函数执行完成后会进入 B 函数，这时 JS 会将 ESP 下移到 B 函数，这个 ESP 下移操作就是销毁 A 函数执行上下文的过程
  • 当 A 函数执行结束之后， ESP 向下移动到 B 函数的执行上下文中，上面 A 函数的执行上下文虽然保存在栈内存中，但是已经是无效内存了。比如当 B 函数再次调用另外一个函数时，这块内容会被直接覆盖掉，用来存放另外一个函数的执行上下文。

image.png

即 当一个函数执行结束之后，JS 引擎会通过向下移动 ESP 来销毁该函数保存在栈中的执行上下文，简单来说，当函数执行完成之后，它对应的执行上下文已经不会再用了，在执行上下文里面的变量自然也会被回收。

堆空间的数据是怎么回收的？

相对于栈空间来说，堆空间回收数据会复杂很多，要回收堆空间中的垃圾数据，会用到 JS 引擎中的垃圾回收器。这里的 JS 引擎还是指 V8，而 V8 的垃圾回收策略是建立在代际假说的基础上的，所以先来了解一下代际假说。

代际假说

代际假说有以下两个特点：

  • 大部分对象在内存中存在的时间很短，简单来说，就是很多对象一经分配内存，很快就会变得不可访问；
  • 不死的对象，会活得更久。

分代收集

通常，垃圾回收算法有很多种，但是 并没有哪一种能胜任所有的场景，需要权衡各种场景，根据对象的生存周期的不同而使用不同的算法，以便达到最好的效果。

在 V8 中会把堆分为新生代和老生代两个区域：

  • 顾名思义，新生代中存放的是生存时间短的对象；通常只支持 1～8M 的容量
  • 老生代中存放的生存时间久的对象和占用空间大的对象；支持的容量会大很多

对于这两块区域，V8 会分别使用两个不同的垃圾回收器，其中 新生代的垃圾主要用副垃圾回收器来回收；老生代的垃圾主要用主垃圾回收器来回收，以便更高效地实施垃圾回收。

image.png

垃圾回收器的工作流程

不论什么类型的垃圾回收器，基本上它们都有一套共同的执行流程。

  • 第一步是 标记空间中活动对象和非活动对象。
    • 所谓活动对象就是还在使用的对象
    • 非活动对象就是可以进行垃圾回收的对象
  • 第二步是 回收非活动对象所占据的内存。
    • 即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
  • 第三步是 做内存整理。
    • 一般来说，频繁回收对象后，内存中会存在一些不连续的空间，这些不连续的内存空间被称为 内存碎片，当内存中出现了大量的内存碎片之后，如果需要分配较大连续内存的时候，就有可能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。
    • 不过这一步其实是可选的，因为像副垃圾回收器（新生区）就不会产生内存碎片，自然也不用做内存整理。

新生区的垃圾回收

新生区的垃圾主要由副垃圾回收器来回收。一般情况下，大多数小的对象都会被分配到新生区，这个区域虽然不大，但是垃圾回收还是比较频繁的。

新生代中用 Scavenge 算法来处理。所谓 Scavenge 算法，是把新生代空间对半划分为两个区域，一半是对象区域（From），一半是空闲区域（To），如上图所示。

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。过程如下：

  • 在垃圾回收过程中，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，副垃圾回收器 把这些存活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，所以这个复制过程，也就相当于完成了 内存整理 操作，复制后空闲区域就没有内存碎片了。
  • 完成复制后，对象区域与空闲区域进行角色翻转。
    • 即原来的对象区域变成空闲区域，原来的空闲区域变成了对象区域。这样就完成了垃圾对象的回收操作，同时这种角色翻转的操作还能让新生代中的这两块区域无限重复使用下去。

简单来说，就是将新生区分为两个大小相同的区域，然后利用对象区域进行分配，当对象区域满的时候，副垃圾回收器将其中的活动对象复制到空闲区域，之后将两个空间互换即完成一次垃圾回收。

由于新生代中采用的 Scavenge 算法，所以每次执行清理操作时，都需要将存活的对象从对象区域复制到空闲区域。但复制操作需要时间成本，如果新生区空间设置得太大了，那么每次清理的时间就会过久，所以 为了执行效率，一般新生区的空间会被设置得比较小。

正是因为新生区的空间不大，所以很容易被存活的对象装满整个区域。为了解决这个问题，JS 引擎采用了 对象晋升策略，也就是 经过两次垃圾回收依然还存活的对象，会被移动到老生区中。

新生区垃圾回收的优点如下：

  • 具有优秀的吞吐量，只需要关心活动对象
  • 可实现高速分配，因为分块是连续的，不需要使用空闲链表
  • 不会发生碎片化
  • 与缓存兼容 缺点：
  • 堆使用率低
  • 与保守式GC不兼容
  • 递归调用函数，制子对象需要递归调用复制函数

老生区的垃圾回收

老生区中的垃圾主要由主垃圾回收器来负责回收。除了新生区中晋升的对象，一些大的对象也会直接被分配到老生区。

所以老生区中的对象会有以下两个特点：它要么是 对象占用空间大，要么是 对象存活时间长，或者两者兼有之。

由于老生区的对象比较大，若要在老生区中使用 Scavenge 算法进行垃圾回收，复制这些大的对象将会花费比较多的时间，从而导致回收执行效率不高，同时还会浪费一半的空间。因而，主垃圾回收器是采用标记 - 清除（Mark-Sweep）的算法进行垃圾回收的。

标记-清除算法

标记-清除 回收的过程如下：

  • 首先是 标记过程阶段。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。
  • 接下来是 垃圾的清除过程。它和副垃圾回收器的垃圾清除过程不同，它是直接把垃圾数据清除的，因此会产生大量不连续的内存碎片。

标记-清除算法的优点是实现简单，比较容易和其他算法组合；但是也有一些缺点，如下：

  • 碎片化，会产生大量不连续的内存碎片
  • 分配速度不理想，每次分配都需要遍历空闲列表找到足够大的分块
  • 与写时复制技术不兼容，因为每次都会在活动对象上打上标记
标记-整理算法

对一块内存多次执行标记-清除算法后，会产生大量不连续的内存碎片；而碎片过多会导致大对象无法分配到足够的连续内存，于是又产生了 标记-整理（Mark-Compact）算法。

标记过程仍然与标记-清除算法里的是一样的，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是 让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存，这样消除了内存碎片。但是这个整理是需要花费计算成本的，标记后需要定位各个活动对象的新内存地址，然后再移动对象，总共搜索了 3 次堆。

  • 优点：有效利用了堆，不会出现内存碎片，也不会像复制算法那样只能利用堆的一部分
  • 缺点：整理过程开销会变大，需要多次搜索堆
全停顿

由于 JavaScript 是运行在主线程之上的，一旦执行垃圾回收算法，都需要将正在执行的 JavaScript 脚本暂停下来，待垃圾回收完毕后再恢复脚本执行。这种行为叫做 全停顿（Stop-The-World）。

比如堆中的数据有 1.5GB，V8 实现一次完整的垃圾回收需要 1 秒以上的时间，这也是由于垃圾回收而引起 JavaScript 线程暂停执行的时间，若是这样的时间花销，那么应用的性能和响应能力都会直线下降。

在 V8 新生代的垃圾回收中，因其空间较小，且存活对象较少，所以全停顿的影响不大，但老生代就不一样了。如果在执行垃圾回收的过程中，占用主线程时间过久，在垃圾回收的这段时间（比如200ms）内，主线程是不能做其他事情的。比如页面正在执行一个 JavaScript 动画，因为垃圾回收器在工作，就会导致这个动画在这 200 毫秒内无法执行的，这将会造成页面的卡顿现象。

增量标记算法

为了降低老生代的垃圾回收而造成的卡顿，V8 将标记过程分为一个个的 子标记过程，同时让垃圾回收标记和 JavaScript 应用逻辑交替进行，直到标记阶段完成，这个算法称为增量标记（Incremental Marking）算法。

使用增量标记算法，可以把一个完整的垃圾回收任务拆分为很多小的任务，这些小的任务执行时间比较短，可以穿插在其他的 JavaScript 任务中间执行，这样当执行上述动画效果时，就不会让用户因为垃圾回收任务而感受到页面的卡顿了。

总结

  • 基本数据类型的数据存放在栈空间，引用数据类型的数据存放在堆空间。
  • 调用栈是用来维护程序执行期间执行上下文的状态的，不能设置太大，所以会分出一个堆空间来存储引用类型的数据。
  • 不再使用的数据称为垃圾数据，需要对这些数据进行回收以释放有限的内存空间。
  • 栈空间的数据通过向下移动指针 ESP 来销毁该函数保存在栈中的执行上下文（包括变量环境、词法环境、this、outer）
  • 堆空间的数据会分两个区域（新生区和老生区）存放，不同的区域会采用不同的算法回收。
avatar
文章
阅读
粉丝