V8的垃圾回收机制

蔚落 2022-11-13 10:22 153阅读 0赞

### V8内存限制 ###

在 JavaScript 中，V8 只能使用系统的一部分内存。

具体来说，在 64 位系统中，V8 最多只能分配 1.4g，在 32 位系统中，最多只能分配 0.7g。

在浏览器端，大内存的需求并不多，但是对于后端而已，node.js如果遇到一个 2g 多的文件，那么将无法将其全部读入内存并进行各种操作。

JS 的内存分为栈内存和堆内存。

栈内存很简单，当 ESP 指针下移，也就是上下文切换之后，栈顶的空间会被自动回收。

但是堆内存就相对比较复杂，下面会着重分析。

我们知道，所有对象类型的数据在 JS 中都是通过堆进行空间存储的。当我们创建一个新对象时，会自动分配一段内存在堆上。你可以一直新建对象，让 V8 为它分配空间，直至堆的大小达到上限。

### 为什么 JS 要设置内存上限呢？ ###

现在主流的机器都有 8g 以上了。原因有二：JS 单线程的执行机制，JS 的垃圾回收机制。

首先，JS 是单线程执行的，这意味着一旦进入到垃圾回收，那么其他的代码块运行都会暂停

其次，垃圾回收是非常消耗时间的操作。

V8 官方是这样描述的：

以 1.5g 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甚至需要 1s 以上。

而在这么长的时间中，JS 的其他代码会一直暂停，造成应用卡顿，应用的性能和响应能力直线下降。

因此，V8 选择简单粗暴的方式：直接限制堆内存的大小。

### 新生代内存与老生代内存 ###

V8 把堆内存分成了两部分进行处理：

>  *  新生代内存：临时分配的内存，存活时间短
>  *  老生代内存：常驻内存，存活时间长

二者占比：

![image][]

根据两种场景，V8 使用了不同的垃圾回收策略，进行针对性优化。

### 新生代内存 ###

新生代内存的内存默认限制非常小，在 64 位系统中是 32MB，在 32 位系统中是 16MB。

这是因为新生代内存的变量存活时间短，来了就走，不容易产生大的内存负担。

那么新生代的垃圾回收是怎么运行的呢？

首先将新生代内存空间一分为二：

![image][image 1]

其中 From 表示正在使用的内存，To 表示目前闲置的内存。

> 当进行垃圾回收时，V8 会把 From 部分的对象检查一遍，如果存活则复制到 To 内存中，并在 To 内存中按照顺序从头放置；如果是非存活的对象则直接回收掉。
> 
> 当 From 内存中的所有存活对象都放入了 To 内存中之后，From 和 To 角色互换，原本的 From 变成 To，原本的 To 变成 From，如此循环。

为什么不直接把非存活的对象直接回收，而要搞这么多操作？

注意：刚才说到，在 To 内存中按照顺序从头放置，这是为了应对这样的场景：

![image][image 2]

深色代表存活对象，白色表示空闲内存。由于堆内存是连续分配的，这样零零散散的空间可能会造成大的对象无法分配内存。这种零散的空间叫做**内存碎片**，而新生代内存的垃圾回收算法也称为 **Scavenge** 算法。

Scavenge 算法主要就是解决内存碎片的问题，在一顿复制之后，To 空间变成这样：

![image][image 3]

这样就大大提高了内存的空间利用率。

不过 Scavenge 算法的劣势也非常明显，内存只能使用新生代内存的一半，但是它只存放生命周期短的对象，这样的对象一般很少，因此时间性能非常优秀。

### 老生代内存 ###

如果新生代中的变量如果经过多次回收之后依然存在，则会被放入老生代内存中，这种现象叫做**晋升**。

发生晋升的原因很多：

>  *  已经经历一次 Scavenge 回收
>  *  To（闲置）空间的内存占用率超过 25%

在老生代的垃圾回收机制中，老生代累计的变量空间一般都是很大的，当然不能用 Scavenge 算法进行处理，否则复制操作将耗费大量的性能，还浪费一半的内存。

老生代内存的垃圾回收机制如下：

> 第一步，进行标记-清除。主要分成两个阶段——标记阶段和清除阶段。首先会遍历堆中所有的对象，对它们做个上标记，然后对**正在使用中的变量**和**被强引用的变量**取消标记，剩下的就是要删除的变量，在随后的清除阶段对其进行空间回收。
> 
> 同理，这也会引发**内存碎片**的问题。存活对象的空间不连续，会对后面的空间分配造成影响。老生代选择另一种方式进行处理。
> 
> 第二步，整理内存碎片。V8 的解决方式非常简单直接，在清除阶段结束后，把存活的对象全部往一端靠拢。

![image][image 4]

由于是移动对象，它的执行速度不可能很快，事实上也是整个过程中耗费时间最长的部分。

### 增量标记 ###

由于 JS 单线程的特点，垃圾回收的过程中，不可避免地导致业务代码执行的堵塞。如果老生代的垃圾回收任务很重，那么耗时是非常可怕的，严重影响应用的性能

> 为了避免这样的问题，V8 采取了**增量标记**的方案。即将一口气完成的标记任务分成很多个小的部分完成，每完成一个小部分就停一下，让业务逻辑运行一会儿，然后再执行下面的部分。如果循环，直到标记阶段完成后才进行内存碎片的整理。

经过增量标记后，垃圾回收机制对 JS 应用的阻塞时间减少到原来的 1/6，是一个非常巨大的进步。

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