V8 垃圾回收机制（准确式 GC）

舒彬琪
355 阅读11分钟

一、浏览器的 V8 垃圾回收机制

V8 垃圾回收机制是什么？

V8 垃圾回收机制是一种内存自动管理技术，它能够检测和清除不再使用的对象，以释放内存并避免内存泄漏。由于 JavaScript 语言的特性，它是一种垃圾回收语言，需要借助于垃圾回收机制来管理内存，以避免内存泄漏等问题。

V8 回收机制的来源

V8 回收机制的来源是基于 JavaScript 的动态性和灵活性。JavaScript 是一种动态语言，它不需要事先声明变量的类型，而是在运行时动态确定。因此，在运行时，需要动态地分配和释放内存。此外，JavaScript 具有自动垃圾回收的特性，它可以在程序运行时自动回收不再使用的内存，从而避免了手动内存管理的麻烦和危险。V8 的垃圾回收机制正是为了满足这些需求而产生的。

V8 实现了准确式 GC，GC 算法采用了分代式垃圾回收机制。因此，V8 将内存（堆）分为新生代和老生代两部分。

什么是准确式 GC？

准确式GC是指垃圾回收器可以精确地识别程序中哪些内存区域是不再使用的，并对这些内存区域进行回收。这种垃圾回收器的实现需要解决一些问题，比如如何准确地标记内存中的对象是否正在使用，以及如何快速地找到这些对象。

在准确式GC中，垃圾回收器使用根对象作为起点，遍历程序的对象引用关系图，并标记所有可以从根对象到达的对象。这些被标记的对象被认为是正在使用的，而未被标记的对象则被认为是可以回收的垃圾。垃圾回收器会回收这些垃圾对象，并将空闲内存返回给程序使用。

与准确式GC相对的是非准确式GC。在非准确式GC中，垃圾回收器只能识别一部分垃圾对象，并对整个内存区域进行回收。这种方式有时候可能会将还在使用的对象误认为是垃圾对象，从而造成内存泄漏或程序崩溃等问题。因此，准确式GC在实际应用中更为广泛。

为什么需要垃圾回收？

JavaScript 是一种解释性语言，通常不需要显式地分配内存。相反，它使用动态内存分配的方法来管理内存。这意味着，当一个对象不再被使用时，开发者不需要显式地释放它，而是由垃圾回收机制自动识别并释放它。这种方式使得开发者能够更加专注于业务逻辑，而无需考虑内存管理的问题。

但是，如果垃圾回收机制不及时或者不够准确，就会出现内存泄漏或者内存占用过多等问题。因此，合理地利用垃圾回收机制是非常重要的。

新、老生代内存大小对比

  • 新生代内存空间的大小为 32MB，由于新生代内存空间比较小，因此 V8 使用了更为轻量级的垃圾回收算法。
  • 老生代内存空间的大小为 1.4GB，因此 V8 使用了更为复杂的垃圾回收算法。

二、新、老生代算法

新生代算法

  1. Scavenge GC 算法
    1. 在 Scavenge 的具体实现中，主要采用 Cheney 算法。
    2. 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，每一部分空间称为 semispace。在这两个 semispace 空间中，只有一个处于使用中，另一个处于闲置状态。处于使用状态的 semispace 空间称为 From 空间，处于闲置状态的空间称为 To 空间。当我们分配对象时，先是在 From 空间中进行分配，当开始进行垃圾回收时，会检查 From 空间中的存活对象，这些存活对象将被复制到 To 空间中，而非存活对象占用的空间将会被释放。完成复制后，From 空间和 To 空间的角色发生对换，简而言之，在垃圾回收的过程中，就是通过将存活对象在两个 semispace 空间之间进行复制。
    3. 缺点：只能使用堆内存中的一半

GC 算法概述

  • 新生代中的对象一般存活时间较短，使用 Scavenge GC 算法。
  • 在新生代空间中，内存空间分为两部分，分别为 From 空间和 To 空间。在这两个空间中，必定有一个空间是使用的，另一个空间是空闲的。新分配的对象会被放入 From 空间中，当 From 空间被占满时，新生代 GC 就会启动了。算法会检查 From 空间中存活的对象并复制到 To 空间中，如果有失活的对象就会销毁。当复制完成后将 From 空间和 To 空间互换，这样 GC 就结束了。

老生代算法

  1. 标记清除算法（Mark-Sweep）
  2. 标记压缩算法（Mark-Compact）
  3. 增量标记算法（Incremental Marking）
  4. 延迟清理（lazy sweeping）
  5. 增量式整理（incremental compaction）

老生代中的对象一般存活时间较长且数量也多，使用了两个算法，分别是标记清除算法和标记压缩算法。

先来说下什么情况下对象会出现在老生代空间中：

  • 新生代中的对象是否已经经历过一次 Scavenge 算法，如果经历过的话，会将对象从新生代空间移到老生代空间中。
  • To 空间的对象占比大小超过 25 %。在这种情况下，为了不影响到内存分配，会将对象从新生代空间移到老生代空间中。

老生代中的空间很复杂，有如下几个空间

enum AllocationSpace {
  // TODO(v8:7464): Actually map this space's memory as read-only.
  RO_SPACE, // 不变的对象空间
  NEW_SPACE, // 新生代用于 GC 复制算法的空间
  OLD_SPACE, // 老生代常驻对象空间
  CODE_SPACE, // 老生代代码对象空间
  MAP_SPACE, // 老生代 map 对象
  LO_SPACE, // 老生代大空间对象
  NEW_LO_SPACE, // 新生代大空间对象
  FIRST_SPACE = RO_SPACE,
  LAST_SPACE = NEW_LO_SPACE,
  FIRST_GROWABLE_PAGED_SPACE = OLD_SPACE,
  LAST_GROWABLE_PAGED_SPACE = MAP_SPACE
};

在老生代中，以下情况会先启动标记清除算法：

  • 某一个空间没有分块的时候
  • 空间中被对象超过一定限制
  • 空间不能保证新生代中的对象移动到老生代中

在这个阶段中，会遍历堆中所有的对象，然后标记活的对象，在标记完成后，销毁所有没有被标记的对象。在标记大型对内存时，可能需要几百毫秒才能完成一次标记。这就会导致一些性能上的问题。为了解决这个问题，2011 年，V8 从 stop-the-world 标记切换到增量标志。在增量标记期间，GC 将标记工作分解为更小的模块，可以让 JS 应用逻辑在模块间隙执行一会，从而不至于让应用出现停顿情况。但在 2018 年，GC 技术又有了一个重大突破，这项技术名为并发标记。该技术可以让 GC 扫描和标记对象时，同时允许 JS 运行。

清除对象后会造成堆内存出现碎片的情况，当碎片超过一定限制后会启动压缩算法。在压缩过程中，将活的对象向一端移动，直到所有对象都移动完成然后清理掉不需要的内存。

增量标记算法（Incremental Marking）

为了避免出现 JavaScript 应用逻辑与垃圾回收器看到的不一致的情况，垃圾回收的 3 种基本算法都需要将应用逻辑暂停下来，待执行完垃圾回收后再恢复执行应用逻辑，这种行为被称为“全停顿”（ stop-the-world ）。在 V8 的分代式垃圾回收中，一次小垃圾回收只收集新生代，由于新生代默认配置得较小，且其中存活对象通常较少，所以即便它是全停顿的影响也不大。但 V8 的老生代通常配置得较大，且存活对象较多，全堆垃圾回收（full 垃圾回收）的标记、清理、整理等动作造成的停顿就会比较可怕，需要设法改善。

为了降低全堆垃圾回收带来的停顿时间，V8 先从标记阶段入手，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“步进”就让 JavaScript 应用逻辑执行一会，垃圾回收与应用逻辑交替执行直到标记阶段完成。

V8 在经过增量标记的改进后，垃圾回收的最大停顿时间可以减少到原本的 1/6 左右。

V8 后续还引入了延迟清理（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。同时还计划引入并行标记与并行整理，进一步利用多核性能降低每次停顿的时间。

三、内存泄露

什么是内存泄露？

内存泄露指的是应用程序中的内存被错误地分配或使用，导致内存不能被及时地释放或回收，最终导致内存资源的浪费或耗尽的现象。当内存泄露严重时，会导致应用程序运行缓慢或崩溃。

哪些操作会造成内存泄漏？

  1. 没有及时清理不再使用的对象和变量：在 JavaScript 中，对象和变量都是通过引用来传递和使用的。如果一个对象或变量不再使用，但没有被释放，就会导致内存泄露。
  2. 意外的全局变量：由于使用未声明的变量，而意外的创建了一个全局变量，意外的全局变量会一直存在于内存中，因为它们不会被垃圾回收器回收。
  3. 定时器和回调函数未清理：定时器（setInterval）和回调函数的引用需要被清理，否则它们可能会一直留在内存中，导致内存泄露。
  4. 循环引用：循环引用是指两个或多个对象相互引用，导致它们之间无法被垃圾回收器回收，进而导致内存泄露。（例如：获取一个 DOM 元素的引用，而后面这个元素被删除，由于我们一直保留了对这个元素的引用，所以它也无法被回收。）
  5. 闭包：不合理的使用闭包，从而导致某些变量一直被留在内存当中。

如何避免造成内存泄露？

  1. 及时清理不再使用的对象和变量：确保及时清理不再使用的对象和变量，使它们能够被垃圾回收器及时回收。
  2. 避免使用全局变量：尽可能地避免使用全局变量，特别是未声明的全局变量。
  3. 清理定时器和回调函数：及时清理定时器和回调函数的引用。
  4. 避免循环引用：避免循环引用，可以使用弱引用或手动解除引用的方式来处理对象之间的循环引用。
  5. 使用内存分析工具：可以使用内存分析工具来监测内存泄露，找出泄露的原因，并及时解决问题。

四、内存溢出

什么是内存溢出？

内存溢出是指程序在申请内存时，没有足够的内存可供使用，导致操作系统分配给程序的内存空间不足，出现异常情况，例如程序崩溃、运行变慢等现象。

哪些会造成内存溢出？

内存泄漏：程序中存在一些无用的对象或变量没有被及时释放，导致内存占用逐渐增加，最终导致内存溢出。

递归调用：如果递归调用的层数太多，会导致栈空间不足，从而引发栈溢出。

数据库连接未关闭：如果程序中打开了大量数据库连接但没有及时关闭，会导致内存占用逐渐增加，最终导致内存溢出。

如何避免造成内存溢出？

及时释放无用的对象和变量：当一个对象或变量不再需要时，应该及时将其释放，避免占用过多内存空间。

避免无限递归调用：当需要使用递归算法时，应该设置递归调用的最大层数，避免栈溢出。

合理使用数据库连接：当不需要使用数据库连接时，应该及时关闭连接，避免占用过多内存空间。

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