浏览器V8工作原理相关知识点

嗨_嗨_嗨
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JavaScript的内存机制

1. JavaScript是弱类型的、动态的语言。

2. JavaScript的三种类型内存空间：代码空间、栈空间、堆空间

  • 代码空间：主要存储可执行代码的
  • 栈空间：保存原始类型的数据值
  • 堆空间： 保存引用类型的值

为什么一定要分“堆”和“栈”两个存储空间呢？

因为 JavaScript 引擎需要用栈来维护程序执行期间上下文的状态，如果栈空间大了话，所有的数据都存放在栈空间里面，那么会影响到上下文切换的效率，进而又影响到整个程序的执行效率。

所以通常情况下，栈空间都不会设置太大，主要用来存放一些原始类型的小数据。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

内存角度看闭包

function foo() {
    var myName = "极客时间"
    let test1 = 1
    const test2 = 2
    var innerBar = { 
        setName:function(newName){
            myName = newName
        },
        getName:function(){
            console.log(test1)
            return myName
        }
    }
    return innerBar
}
var bar = foo()
bar.setName("极客邦")
bar.getName()
console.log(bar.getName())

执行这段代码的时候，有过这样的分析：

由于变量myName、test1、test2 都是原始类型数据，所以在执行 foo 函数的时候，它们会被压入到调用栈中；当 foo 函数执行结束之后，调用栈中 foo 函数的执行上下文会被销毁，其内部变量 myName、test1、test2 也应该一同被销毁。

但是，当foo函数的执行上下文销毁时，由于foo函数产生了闭包，所以变量myName 和 test1 并没有被销毁，而是保存在内存中，那么应该如何解释这个现象呢？

  1. 当JavaScript引擎执行到foo函数时，首先会编译，并创建一个空执行上下文。

  2. 在编译过程中，遇到内部函数setName, JavaScript引擎还要对内部函数做一次快速词法扫描，发现该内部函数引用了foo函数中的myName变量，由于内部函数引用了外部函数的变量，所以JavaScript引擎判断这是个闭包，于是在堆空间创建换一个“closure(foo)”的对象（这是一个内部对象，JavaScript 是无法访问的），用来保存 myName 变量。

    • 遇到变量之所以有查找过程，是因为该变量的地址还没确定，需要通过作用域链来查找正确的地址，但是闭包中的变量的地址是确定的，就不在需要再查找作用域了，直接将闭包中地址写在了执行代码中，正是由于该地址引用，结束时才不会将闭包销毁。所以从内存模型来理解闭包的话，闭包就是堆中一块地址，且该地址只能被引用的函数持有。从语言角度理解的话，闭包是堆内存+引用函数，也就说的过去了。毕竟除了引用函数，没有谁可以再访问这块内存了。

  3. 接着继续扫描到 getName 方法时，发现该函数内部还引用变量 test1，于是 JavaScript 引擎又将 test1 添加到“closure(foo)”对象中。这时候堆中的“closure(foo)”对象中就包含了 myName 和 test1 两个变量了。

  4. 由于 test2 并没有被内部函数引用，所以 test2 依然保存在调用栈中。 通过上面的分析，可以画出执行到foo函数中“return innerBar”语句时的调用栈状态，如下图所示：

image.png

从上图你可以清晰地看出，当执行到 foo 函数时，闭包就产生了；当 foo 函数执行结束之后，返回的 getName 和 setName 方法都引用“closure(foo)”对象，所以即使 foo 函数退出了，“ closure(foo)”依然被其内部的 getName 和 setName 方法引用。所以在下次调用bar.setName或者bar.getName时，创建的执行上下文中就包含了“closure(foo)”。

总的来说，产生闭包的核心有两步：

  • 第一步是需要预扫描内部函数；
  • 第二步是把内部函数引用的外部变量保存到堆中。

垃圾回收

调用栈的垃圾回收：

当函数执行结束，JS引擎通过想下移动ESP指针（记录调用栈当前执行状态的指针），来销毁该函数保存在栈中的执行上下文（变量环境、词法环境、this、outer）

堆的垃圾回收：

要回收堆中的垃圾数据，就需要用到 JavaScript 中的垃圾回收器了。

代际假说：

代际假说，这是垃圾回收领域中一个重要的术语，后续垃圾回收的策略都是建立在该假说的基础之上的，所以很是重要。

  • 第一个是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，很快就变得不可访问；
  • 第二个是不死的对象，会活得更久。

分代收集：

在 V8 中会把堆分为新生代和老生代两个区域，新生代中存放的是生存时间短的对象，老生代中存放的生存时间久的对象。

新生区通常只支持 1～8M 的容量，而老生区支持的容量就大很多了。对于这两块区域，V8 分别使用两个不同的垃圾回收器，以便更高效地实施垃圾回收。

  • 副垃圾回收器，主要负责新生代的垃圾回收。
  • 主垃圾回收器，主要负责老生代的垃圾回收。

垃圾回收器的工作流程

不论什么类型的垃圾回收器，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。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。

  • 第三步是做内存整理。一般来说，频繁回收对象后，内存中就会存在大量不连续空间，我们把这些不连续的内存空间称为内存碎片。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，但这步其实是可选的，因为有的垃圾回收器不会产生内存碎片，比如接下来我们要介绍的副垃圾回收器。

副垃圾回收器

副垃圾回收器主要负责新生区的垃圾回收。而通常情况下，大多数小的对象都会被分配到新生区，所以说这个区域虽然不大，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，一半是空闲区域，如下图所示：

image.png

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。

  • 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，副垃圾回收器会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，也就是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。

  • 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。

也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，JavaScript 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。

主垃圾回收器

主垃圾回收器主要负责老生区中的垃圾回收。除了新生区中晋升的对象，一些大的对象会直接被分配到老生区。

老生区中的对象有两个特点，

  • 一个是对象占用空间大
  • 另一个是对象存活时间长。

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

标记过程阶段

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。

比如最开始的那段代码，当 showName 函数执行退出之后，这段代码的调用栈和堆空间如下图所示：

image.png

当 showName 函数执行结束之后，ESP 向下移动，指向了 foo 函数的执行上下文，这时候如果遍历调用栈，是不会找到引用 1003 地址的变量，也就意味着 1003 这块数据为垃圾数据，被标记为红色。由于 1050 这块数据被变量 b 引用了，所以这块数据会被标记为活动对象。这就是大致的标记过程。

清除过程

它和副垃圾回收器的垃圾清除过程完全不同，你可以理解这个过程是清除掉红色标记数据的过程，可参考下图大致理解下其清除过程：

image.png

上面的标记过程和清除过程就是标记 - 清除算法，不过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.

标记 - 整理（Mark-Compact）

这个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。你可以参考下图：

image.png

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。我们把这种行为叫做全停顿（Stop-The-World）。

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，会造成页面的卡顿现象。

增量标记（Incremental Marking）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，我们把这个算法称为增量标记（Incremental Marking）算法。

image.png

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。

编译器、解释器

站在 JavaScript 引擎 V8 的视角，来分析 JavaScript 代码是如何被执行的。

image.png

V8 是如何执行一段 JavaScript 代码的

1. 生成抽象语法树（AST）和执行上下文

将源代码转换为抽象语法树，并生成执行上下文

AST的一些应用：

  • 代码转换器Babel
  • ESLint

AST如何生成的？

第一阶段. 分词（tokenize），又称词法分析

  • token指语法上不可能再分的、最小的单个字符或字符串

第二阶段. 解析（parse），又称为语法分析

  • 将上一步生成的token数据，根据语法规则转为AST

2生成字节码

字节码就是介于 AST 和机器码之间的一种代码。但是与特定类型的机器码无关，字节码需要通过解释器将其转换为机器码后才能执行。

3. 执行代码

第一次执行的字节码：解释器Ignition会逐条解释执行。

解释器的作用：

  • 生成字节码
  • 解释执行字节码

解释执行字节码的过程中：

  • 发现热点代码（HotSpot）（比如一段代码被重复执行多次），后台的编译器TurboFan就会把该热点的字节码编译为高效的机器码
  • 当再次执行这段被优化的代码时，只需执行编译后的机器码，这样就大大提升了代码的执行效率。

即时编译（JIT）: 具体到 V8，就是指解释器 Ignition 在解释执行字节码的同时，收集代码信息，当它发现某一部分代码变热了之后，TurboFan 编译器便闪亮登场，把热点的字节码转换为机器码，并把转换后的机器码保存起来，以备下次使用。

image.png

JavaScript 的性能优化

对于优化 JavaScript 执行效率， 你应该将优化的中心聚焦在单次脚本的执行时间和脚本的网络下载上：

  1. 提升单次脚本的执行速度，避免 JavaScript 的长任务霸占主线程，这样可以使得页面快速响应交互；
  2. 避免大的内联脚本，因为在解析 HTML 的过程中，解析和编译也会占用主线程；
  3. 减少 JavaScript 文件的容量，因为更小的文件会提升下载速度，并且占用更低的内存。
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