理解 Node.js 的 GC 机制

傷城~ 2021-12-20 16:23 223阅读 0赞

> 《深入浅出Node.js》第五章《内存控制》阅读笔记

随着 Node 的发展，JavaScript 的应用场景早已不再局限在浏览器中。本文不讨论网页应用、命令行工具等短时间执行，且只影响终端用户的场景。由于运行时间短，随着进程的退出，内存会释放，几乎没有内存管理的必要。但随着 Node 在服务端的广泛应用，JavaScript 的内存管理需要引起我们的重视。

## V8 的内存限制 ##

在一般的后端开发语言中，在基本的内存使用上没有什么限制，然而在 Node 中通过 JavaScript 使用内存时就会发现只能使用部分内存（64位系统下约为1.4GB，32位系统下约为0.7GB）。在这样的限制下，将会导致 Node 无法直接操作大内存对象。

造成这个问题的主要原因在于 Node 的 JavaScript 执行引擎 V8。

在 V8 中，所有的 JavaScript 对象都是通过堆来进行分配的。Node 提供了 V8 中内存的使用量查看方法 `process.memoryUsage()`。

![1240][]

*  `heapTotal` 已申请到的堆内存
 *  `heapUsed` 当前使用的堆内存

为什么 V8 要限制堆的大小：

1.  V8 为浏览器而设计，不太可能遇到用大量内存的场景
2.  V8 的垃圾回收机制的限制。（按官方的说法，以1.5GB的垃圾回收堆内存为例，V8做一次小的垃圾回收需要50ms以上，做一次非增量式的垃圾回收需要1s以上）

V8提供了选项让我们可以控制使用内存的大小

*  `node --max-old-space-size=1700 test.js` 设置老生代内存空间最大值，单位为MB
 *  `node --max-new-space-size=1024 test.js` 设置新生代内存空间最大值，单位为KB

比较遗憾的是，这两个最大值需要在启动时执行。这意味着 V8 使用的内存没办法根据使用的情况自动扩充，当内存分配过程中超过极限值时，就会引起进程出错。

## V8 的垃圾回收机制 ##

V8 的垃圾回收策略主要基于分代式垃圾回收机制。在 V8 中，主要将内存分为新生代和老生代两代。新生代中的对象为存活时间较短的对象，老生代中的对象为存活时间较长或常驻内存的对象。

![V8的分代示意图][V8]

V8 堆的整体大小就是新生代的内存空间加上老生代的内存空间

### Scavenge 算法 ###

在分代的基础上，新生代中的对象主要通过 `Scavenge` 算法进行垃圾回收。在 Scavenge 的具体实现中，主要采用了 `Cheney` 算法。

> 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，每一部分空间成为 `semispace`。在这两个 semispace 空间中，只有一个处于使用中，另一个处于闲置中。处于使用中的 semispace 空间成为 `From` 空间，处于闲置状态的空间成为 `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被释放。完成复制后， From 空间和 To 空间的角色发生对换。

Scavenge 的缺点是只能使用堆内存的一半，但 Scavenge 由于只复制存活的对象，并且对于生命周期短的场景存活对象只占少部分，所以它在时间效率上表现优异。Scavenge 是典型的牺牲空间换取时间的算法，无法大规模地应用到所有的垃圾回收中，但非常适合应用在新生代中。

![V8中的堆内存示意图][V8 1]

### 晋升 ###

对象从新生代中移动到老生代中的过程称为晋升。

From 空间中的存活对象在复制到 To 空间之前需要进行检查，在一定条件下，需要将存活周期长的对象移动到老生代中，也就是完成对象的晋升。

晋升条件主要有两个：

1.  对象是否经历过一次 Scavenge 回收
2.  To 空间已经使用超过 25%

设置 25% 这个限制值得原因是当这次 Scavenge 回收完成后，这个 To 空间将变成 From 空间，接下来的内存分配将在这个空间中进行，如果占比过高，会影响后续的内存分配。

### Mark-Sweep & Mark-Compact ###

V8 在老生代中主要采用了 Mark-Sweep 和 Mark-Compact 相结合的方式进行垃圾回收。

Mark-Sweep 是标记清除的意思，它分为两个阶段，标记和清除。Mark-Sweep 在标记阶段遍历堆中的所有对象，并标记活着的对象，在随后的清除阶段中，只清除未被标记的对象。

![1240][1240 1]

Mark-Sweep 最大的问题是在进行一次标记清除回收后，内存空间会出现不连续的状态。这种内存碎片会对后续的内存分配造成问题，因为很可能出现需要分配一个大对象的情况，这时所有的碎片空间都无法完成此次分配，就会提前触发垃圾回收，而这次回收是不必要的。

为了解决 Mark-Sweep 的内存碎片问题，Mark-Compact 被提出来。Mark-Compact是标记整理的意思，是在 Mark-Sweep 的基础上演进而来的。它们的差别在于对象在标记为死亡后，在整理过程中，将活着的对象往一端移动，移动完成后，直接清理掉边界外的内存。

![1240][1240 2]

下表为3种主要垃圾回收算法的简单比较

![1240][1240 3]

从表中可以看出，在 Mark-Sweep 和 Mark-Compact 之间，由于 Mark-Compact 需要移动对象，所以它的执行速度不可能很快，所以在取舍上，V8 主要使用 Mark-Sweep，在空间不足以从新生代中晋升过来的对象进行分配时才使用 Mark-Compact 。

### 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种算法都需要将应用逻辑暂停下来，这种行为称为“全停顿” (stop-the-world)。

由于新生代配置的空间较小，存活对象较少，全停顿对新生代影响不大。但老生代通常配置的空间较大，且存活对象较多，全堆垃圾回收（full 垃圾回收）的标记、清除、整理等动作造成的停顿就会比较可怕。

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成增量标记(Incremental Marking)，也就是拆分为许多小“步进”，每做完一“步进”就让JavaScript应用逻辑执行一小会儿，垃圾回收和应用逻辑交替执行直到标记阶段完成。

![1240][1240 4]

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。

## 查看GC日志 ##

查看垃圾回收日志的方式主要是在启动时添加 `--trace_gc` 参数。

## 小结 ##

1.  Node 的 JavaScript 执行引擎为 V8，内存使用和控制也受限于 V8。
2.  V8 把内存分为新生代和老生代，分别存放存活时间较短和存活时间较长或常驻内存的对象。
3.  在新生代中使用 Scavenge 算法进行垃圾回收，优点是速度快无内存碎片，缺点是占用双倍内存空间。
4.  在老生代中将 Mark-Sweep 和 Mark-Compact 两种算法结合使用，主要使用 Mark-Sweep，优点的是无需移动对象，缺点是产生内存碎片。Mark-Compact 是对 Mark-Sweep 的补充，在空间不足以对新晋升的对象进行分配时整理内存，清除内存碎片，由于要移动对象，速度较慢。
5.  V8 使用 Incremental Marking 来减少全停顿带来的影响。

转载于:https://www.cnblogs.com/chaohangz/p/10963565.html

[1240]: /images/20211220/967f84e2d5a846d7a312eff2a64ae2bf.png
[V8]: /images/20211220/415f7b1c6e364541957ddd649f6da5c4.png
[V8 1]: /images/20211220/a8380e690380431f8255c69c2c92b6ad.png
[1240 1]: /images/20211220/489793715c184b26ad1b5cabe3dd5f2d.png
[1240 2]: /images/20211220/b09a09ec6e6a4b8abc0503cd8a93a0e2.png
[1240 3]: /images/20211220/fa80c5d273cd4b88970576a09758855c.png
[1240 4]: /images/20211220/8a7239c84e174f84a3bc4b46b71efb3a.png