垃圾回收机制

E2coJason
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引用 js垃圾回收机制 jvm垃圾回收机制(GC)详解

介绍背景

我们知道垃圾回收机制是引擎来做的，JS引擎有很多种（各个浏览器都不同），其垃圾回收机制在一些细节及优化上略有不同，==本文我们以一些通用的回收算法作为切入，再由 V8 引擎发展至今对该机制的优化为例==，一步一步深入来助我们了解垃圾回收机制.

主要从以下几个问题进行分析理解:

1. 什么是垃圾回收机制？
2. 垃圾是怎样产生的？
3. 为什么要进行垃圾回收？
4. 垃圾回收是怎样进行的？
5. V8引擎对垃圾回收进行了哪些优化？
6. 垃圾回收时机？

什么是垃圾回收机制？

垃圾回收机制简称 GC（garbage collection）, 我们的程序在工作中会产生一些垃圾，这些垃圾是程序中不用的或者是使用过的，在程序完成后，或者进行中，GC会负责进行回收垃圾，这个过程就是垃圾回收机制。

当然也不是所有语言都有 GC，一般的高级语言里面会自带 GC，比如 Java、Python、JavaScript 等，也有无 GC 的语言，比如 C、C++ 等，那这种就需要程序猿手动管理内存了，相对比较麻烦。

说白了也就是定期找出一些不再用到的内存（变量），然后释放其内存。

垃圾是怎样产生的？

在我们开发中会进行变量声明，这些变量都会在占用内存，这些分配过程不需要我们手动显示的给赋值，这个是V8引擎帮助我们分配的。但是很多时候我们只是进行了声明，未对其进行销毁，内存就没有得到释放，虽然V8引擎他自己有自己的一套回收机制，但是也存在他不能回收的，这部分内容就永远的存在了我们的内容中。这部分内容即是垃圾。

for example

let test = {
  name: "六哥霸王色霸气"
};
test = [1,2,3,4,5,6]

引用类型是保存在堆内存中，然后在栈内存中保存一个对堆内存中的实际对象的引用，因此js中对引用数据类型的操作都是对对象的引用的操作，而不是对对象本身进行操作；基本类型是保存在栈中，因此对基本类型的操作就是直接对其操作

我们首先声明了一个变量test，它引用了对象{name:"六哥霸王色霸气"},接着我们把这个变量重新赋值了一个数组对象，也就是该变量引用了一个数组，==那么之前的对象引用关系就没有。也就说之前的值变成了无用的对象，他就需要被处理==。

为什么要进行垃圾回收？

上一节我们介绍了垃圾产生的一种情况，随着无用变量的不断增加，==越来越多的内存被无价值的占用==，那么我们就需要对其进行清理！

程序的运行需要内存，只要程序提出要求，操作系统或者运行时就必须提供内存，那么对于持续运行的服务进程，必须要及时释放内存，否则，内存占用越来越高，轻则影响系统性能，重则就会导致进程崩溃。

垃圾回收是怎样进行的？

可达性

在 JavaScript 内存管理中有一个概念叫做 可达性，就是那些以某种方式可访问或者说可用的值，它们被保证存储在内存中，反之不可访问则需回收。 至于如何回收，其实就是怎样发现这些不可达的对象（垃圾）它并给予清理的问题。

目前存在几种垃圾回收的方法，各个浏览器也采用不同的回收机制。大致有如下几种：

标记清除法（Mark-Sweep）

标记清除（Mark-Sweep），目前在 JavaScript引擎 里这种算法是最常用的，到目前为止的==大多数浏览器的 JavaScript引擎 都在采用标记清除算法，只是各大浏览器厂商还对此算法进行了优化加工，且不同浏览器的 JavaScript引擎 在运行垃圾回收的频率上有所差异。==

就像它的名字一样，此算法分为 标记 和 清除 两个阶段，标记阶段即为所有活动对象做上标记，清除阶段则把没有标记（也就是非活动对象）销毁。

大致过程

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优点

标记清除算法的优点只有一个，那就是实现比较简单，打标记也无非打与不打两种情况，这使得一位二进制位（0和1）就可以为其标记，非常简单

缺点

标记清除算法有一个很大的缺点，==就是在清除之后，剩余的对象内存位置是不变的，也会导致空闲内存空间是不连续的==，出现了 内存碎片（如下图），并且由于剩余空闲内存不是一整块，它是由不同大小内存组成的内存列表，这就牵扯出了内存分配的问题。

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假设我们新建对象分配内存时需要大小为 size，由于空闲内存是间断的、不连续的，则需要对空闲内存列表进行一次单向遍历找出大于等于 size 的块才能为其分配（如下图）

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新对象的内存分配采用以下三种策略:

  • First-fit 找到大于等于 size 的块立即返回
  • Best-fit 遍历整个空闲列表，返回大于等于 size 的最小分块
  • Worst-fit 遍历整个空闲列表，找到最大的分块，然后切成两部分，一部分 size 大小，并将该部分返回

第三种看起来挺牛的，不过再考虑分配的速度和效率上 First-fit 才是最明智的选择。因为第三种在实际使用上会造成更多的小块，行程更多更难处理的内存碎片。

综上所诉，内存碎片化和分配速度慢是标记清除算法两个比较明显的缺点。

由标记清除法的缺点进行优化，提出标记整理法（Mark-Compact）

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标记整理（Mark-Compact）算法 就可以有效地解决，它的标记阶段和标记清除算法没有什么不同，只是标记结束后，==标记整理算法会将活着的对象（即不需要清理的对象）向内存的一端移动==，最后清理掉边界的内存。

引用计数法（Reference Counting）

目前很少使用这种算法了，因为它的问题很多！

引用计数（Reference Counting），这其实是早先的一种垃圾回收算法，它把 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==。所以我们只对它的策略进行大概了解即可。

function test(){
  let A = new Object()
  let B = new Object()
  
  A.b = B
  B.a = A
}

对象 A 和 B 通过各自的属性相互引用着，按照上文的引用计数策略，它们的引用数量都是 2，但是，在函数 test 执行完成之后，对象 A 和 B 是要被清理的，但使用引用计数则不会被清理，因为它们的引用数量不会变成 0，假如此函数在程序中被多次调用，那么就会造成大量的内存不会被释放。

优点

引用计数在引用值为 0 时，也就是在变成垃圾的那一刻就会被回收，所以它可以立即回收垃圾。相比于标记清除算法，更加可以体现 即时性。

缺点

它需要一个计数器，而此计数器需要占很大的位置，因为我们也不知道被引用数量的上限，还有就是无法解决循环引用无法回收的问题，这也是最严重的。

V8引擎对垃圾回收进行了哪些优化

每次都要对内存中所有对象进行检查，这样真的合理吗？

内存对象分析

  • 新、小、存活时间短
  • 老、大、存活时间长

如果从这点出发，对两种类型的对象进行 ==不同方式不同频率== 的处理，是不是更好呢？所以V8提出了 分代式垃圾回收

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将 新、小、存活时间短 称为 新生代（新产生的对象） 将 老、大、存活时间长 称为 老生代（存活事件较长或常驻内存的对象，简单来说就是经历过新生代垃圾回收后还存活下来的对象）

分代式机制把一些新、小、存活时间短的对象作为新生代，采用一小块内存频率较高的快速清理，而一些大、老、存活时间长的对象作为老生代，使其很少接受检查，新老生代的回收机制及频率是不同的，可以说此机制的出现很大程度提高了垃圾回收机制的效率。

新生代垃圾回收

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在新生代中又细分为 使用区 和 空闲区

  • 新加入的对象都会存放到 使用区，当 使用区 快被写满时，就需要执行一次垃圾清理操作。

  • 然后开始对使用区做标记，标记后复制一份活动对象到空闲区（这里做了整理的操作，也就是排序，避免内存碎片）

  • 再然后清除使用区数据对象，把原来的使用区改称空闲区，把原来的空闲区改成使用区，这样的话新使用区就是空的，继续存数据，当快存满了开始下一轮GC

  • 再看第二轮GC，还是重复上面的步骤，先标记，再把活动对象从使用区复制到空闲区，这个时候假如发现了上次就存在的对象这次还是活动对象，那这个对象就会被晋级，扔到老生代里去。

  • 接着说复制之后，使用区又被清空了，并且再次和空闲区转换，那每一轮GC过后，使用区就会变成空的

需要注意的是：

  1. 当一个对象经过多次复制后依然存活，它将会被认为是生命周期较长的对象，随后会被移动到老生代中，采用老生代的垃圾回收策略进行管理。

  2. 另外还有一种情况，如果复制一个对象到空闲区时，空闲区空间占用超过了25%，那么这个对象会被直接晋升到老生代空间中。

老生代垃圾回收

老生代不会像新生代一般分区然后复制来复制去就会非常耗时，从而导致回收执行效率不高，所以老生代垃圾回收器来管理其垃圾回收执行，它的整个流程就采用的就是上文所说的==标记清除算法==了。

首先是标记阶段，从一组根元素开始，递归遍历这组根元素，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非活动对象。清除阶段老生代垃圾回收器会直接将非活动对象，也就是数据清理掉。

前面我们也提过，==标记清除算法==在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，而 V8 中就采用了我们上文中说的==标记整理算法==来解决这一问题来优化空间。

垃圾回收策略

在介绍并行之前，我们先要了解一个概念 全停顿（Stop-The-World），我们都知道 JavaScript ==是一门单线程的语言，它是运行在主线程上的，那在进行垃圾回收时就会阻塞 JavaScript 脚本的执行==，需等待垃圾回收完毕后再恢复脚本执行，我们把这种行为叫做 全停顿

所以每次进行GC，都会是我们的应用逻辑暂停，加入一次GC的时间过长，那对用户来讲就是可能造成页面卡顿的问题！

切换到程序这边，那我们可不可以引入多个辅助线程来同时处理，

这样是不是就会加速垃圾回收的执行速度呢？因此 V8 团队引入了 并行回收机制

所谓并行，也就是同时的意思，它指的是垃圾回收器在主线程上执行的过程中，开启多个辅助线程，同时执行同样的回收工作

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并行操作，也就是说 同一个活多个人同时干 这样会大大减小GC耗时。

新生代对象空间就采用并行策略，在执行垃圾回收的过程中，==会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，这个过程中由于数据地址会发生改变，所以还需要同步更新引用这些对象的指针。

对于新生代垃圾回收器能够有很好的优化，但是其实它还是一种全停顿式的垃圾回收方式， 对于老生代来说，它的内部存放的都是一些比较大的对象，对于这些大的对象 GC 时哪怕我们使用并行策略依然可能会消耗大量时间！

所以为了减少全停顿的时间，在 2011 年，V8 对老生代的标记进行了优化，从全停顿标记切换到 增量标记

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增量就是将一次 GC 标记的过程，分成了很多小步，每执行完一小步就让应用逻辑执行一会儿，这样交替多次后完成一轮 GC 标记

增量标记中采用了 三色标记法 及 写屏障 的方法来实现。

三色标记法

作用：==可以很好的配合增量回收进行暂停恢复的一些操作==

即使用每个对象的两个标记位和一个标记工作表来实现标记，两个标记位编码三种颜色：白、灰、黑

  • 白色指的是未被标记的对象
  • 灰色指自身被标记，成员变量（该对象的引用对象）未被标记
  • 黑色指自身和成员变量皆被标记

写屏障

作用：保证增量标记中暂停后由于逻辑代码修改导致对象指向问题。从而保证下一次增量 GC 标记阶段可以正确标记

懒性清理

增量标记其实只是对活动对象和非活动对象进行标记，对于真正的清理释放内存 V8 采用的是惰性清理(Lazy Sweeping)

增量标记完成后，惰性清理就开始了。当增量标记完成后，假如当前的可用内存足以让我们快速的执行代码，其实我们是没必要立即清理内存的，可以将清理过程稍微延迟一下，让 JavaScript 脚本代码先执行，也无需一次性清理完所有非活动对象内存，可以按需逐一进行清理直到所有的非活动对象内存都清理完毕，后面再接着执行增量标记。

并发回收

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它指的是主线程在执行 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，辅助线程在执行垃圾回收的时候，主线程也可以自由执行而不会被挂起

V8中GC优化总结

V8 的垃圾回收策略主要基于分代式垃圾回收机制

这我们说过，关于新生代垃圾回收器，我们说使用并行回收可以很好的增加垃圾回收的效率，

那老生代垃圾回收器用的哪个策略呢？我上面说了并行回收、增量标记与惰性清理、并发回收这几种回收方式来提高效率、优化体验，看着一个比一个好，那老生代垃圾回收器到底用的哪个策略？

其实，这三种方式各有优缺点，所以在老生代垃圾回收器中这几种策略都是融合使用的。

老生代主要使用并发标记，主线程在开始执行 JavaScript 时，辅助线程也同时执行标记操作（标记操作全都由辅助线程完成） 标记完成之后，再执行并行清理操作。（主线程在执行清理操作时，多个辅助线程也同时执行清理操作）

同时，清理的任务会采用增量的方式分批在各个 JavaScript 任务之间执行。

作者：E2coJason 邮箱：keepfightingzzz@163.com

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