前言

大家好，我是林三心。前兩天，無意中看到了B站上一個(gè)講V8垃圾回收 機(jī)制的視頻，感興趣的我看了一下，感覺有點(diǎn)難懂，于是我就在想，大家是不是跟我一樣對(duì)V8垃圾回收機(jī)制這方面的知識(shí)都比較懵，或者說看過這方面的知識(shí)，但是看不懂。所以，我思考了三天，想了一下如何才能用最通俗的話，講最難的知識(shí)點(diǎn)。

普通理解

我相信大部分同學(xué)在面試中常常被問到：”說一說V8垃圾回收機(jī)制吧“。

這個(gè)時(shí)候，大部分同學(xué)肯定會(huì)這么回答：”垃圾回收機(jī)制有兩種方式，一種是引用法，一種是標(biāo)記法“。

引用法

就是判斷一個(gè)對(duì)象的引用數(shù)，引用數(shù)為0就回收，引用數(shù)大于0就不回收。請(qǐng)看以下代碼：

let obj1 = { name: '林三心', age: 22 }
let obj2 = obj1
let obj3 = obj1


obj1 = null
obj2 = null
obj3 = null

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引用法是有缺點(diǎn)的，下面代碼執(zhí)行完后，按理說obj1和obj2都會(huì)被回收，但是由于他們互相引用，各自引用數(shù)都是1，所以不會(huì)被回收，從而造成內(nèi)存泄漏。

function fn () {
  const obj1 = {}
  const obj2 = {}
  obj1.a = obj2
  obj2.a = obj1
}
fn()

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標(biāo)記法

標(biāo)記法就是，將可達(dá)的對(duì)象標(biāo)記起來，不可達(dá)的對(duì)象當(dāng)成垃圾回收。

那問題來了，可不可達(dá)，通過什么來判斷呢？(這里的可達(dá)，可不是可達(dá)鴨)

言歸正傳，想要判斷可不可達(dá)，就不得不說可達(dá)性了，可達(dá)性是什么？就是從初始的根對(duì)象（window或者global）的指針開始，向下搜索子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)被搜索到了，說明該子節(jié)點(diǎn)的引用對(duì)象可達(dá)，并為其進(jìn)行標(biāo)記，然后接著遞歸搜索，直到所有子節(jié)點(diǎn)被遍歷結(jié)束。那么沒有被遍歷到節(jié)點(diǎn)，也就沒有被標(biāo)記，也就會(huì)被當(dāng)成沒有被任何地方引用，就可以證明這是一個(gè)需要被釋放內(nèi)存的對(duì)象，可以被垃圾回收器回收。

// 可達(dá)
var name = '林三心'
var obj = {
  arr: [1, 2, 3]
}
console.log(window.name) // 林三心
console.log(window.obj) // { arr: [1, 2, 3] }
console.log(window.obj.arr) // [1, 2, 3]
console.log(window.obj.arr[1]) // 2


function fn () {
  var age = 22
}
// 不可達(dá)
console.log(window.age) // undefined

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普通的理解其實(shí)是不夠的，因?yàn)槔厥諜C(jī)制(GC)其實(shí)不止這兩個(gè)算法，想要更深入地了解V8垃圾回收機(jī)制，就繼續(xù)往下看吧！！！

JavaScript內(nèi)存管理

其實(shí)JavaScript內(nèi)存的流程很簡(jiǎn)單，分為3步：

• 1、分配給使用者所需的內(nèi)存
• 2、使用者拿到這些內(nèi)存，并使用內(nèi)存
• 3、使用者不需要這些內(nèi)存了，釋放并歸還給系統(tǒng)

那么這些使用者是誰呢？舉個(gè)例子：

var num = ''
var str = '林三心'


var obj = { name: '林三心' }
obj = { name: '林胖子' }

上面這些num，str，obj就是就是使用者，我們都知道，JavaScript數(shù)據(jù)類型分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型和引用數(shù)據(jù)類型:

• 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型：擁有固定的大小，值保存在棧內(nèi)存里，可以通過值直接訪問
• 引用數(shù)據(jù)類型：大小不固定(可以加屬性)，棧內(nèi)存中存著指針，指向堆內(nèi)存中的對(duì)象空間，通過引用來訪問

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• 由于棧內(nèi)存所存的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型大小是固定的，所以棧內(nèi)存的內(nèi)存都是操作系統(tǒng)自動(dòng)分配和釋放回收的
• 由于堆內(nèi)存所存大小不固定，系統(tǒng)無法自動(dòng)釋放回收，所以需要JS引擎來手動(dòng)釋放這些內(nèi)存

為啥要垃圾回收

在Chrome中，V8被限制了內(nèi)存的使用（64位約1.4G/1464MB ， 32位約0.7G/732MB），為什么要限制呢？

• 表層原因：V8最初為瀏覽器而設(shè)計(jì)，不太可能遇到用大量?jī)?nèi)存的場(chǎng)景
• 深層原因：V8的垃圾回收機(jī)制的限制（如果清理大量的內(nèi)存垃圾是很耗時(shí)間，這樣會(huì)引起JavaScript線程暫停執(zhí)行的時(shí)間，那么性能和應(yīng)用直線下降）

前面說到棧內(nèi)的內(nèi)存，操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行內(nèi)存分配和內(nèi)存釋放，而堆中的內(nèi)存，由JS引擎（如Chrome的V8）手動(dòng)進(jìn)行釋放，當(dāng)我們的代碼沒有按照正確的寫法時(shí)，會(huì)使得JS引擎的垃圾回收機(jī)制無法正確的對(duì)內(nèi)存進(jìn)行釋放（內(nèi)存泄露），從而使得瀏覽器占用的內(nèi)存不斷增加，進(jìn)而導(dǎo)致JavaScript和應(yīng)用、操作系統(tǒng)性能下降。

V8的垃圾回收算法

1. 分代回收

在JavaScript中，對(duì)象存活周期分為兩種情況

• 存活周期很短：經(jīng)過一次垃圾回收后，就被釋放回收掉
• 存活周期很長：經(jīng)過多次垃圾回收后，他還存在，賴著不走

那么問題來了，對(duì)于存活周期短的，回收掉就算了，但對(duì)于存活周期長的，多次回收都回收不掉，明知回收不掉，卻還不斷地去做回收無用功，那豈不是很消耗性能？

對(duì)于這個(gè)問題，V8做了分代回收的優(yōu)化方法，通俗點(diǎn)說就是：V8將堆分為兩個(gè)空間，一個(gè)叫新生代，一個(gè)叫老生代，新生代是存放存活周期短對(duì)象的地方，老生代是存放存活周期長對(duì)象的地方。

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新生代通常只有1-8M的容量，而老生代的容量就大很多了。對(duì)于這兩塊區(qū)域，V8分別使用了不同的垃圾回收器和不同的回收算法，以便更高效地實(shí)施垃圾回收。

• 副垃圾回收器 + Scavenge算法：主要負(fù)責(zé)新生代的垃圾回收
• 主垃圾回收器 + Mark-Sweep && Mark-Compact算法：主要負(fù)責(zé)老生代的垃圾回收

1.1 新生代

在JavaScript中，任何對(duì)象的聲明分配到的內(nèi)存，將會(huì)先被放置在新生代中，而因?yàn)榇蟛糠謱?duì)象在內(nèi)存中存活的周期很短，所以需要一個(gè)效率非常高的算法。在新生代中，主要使用Scavenge算法進(jìn)行垃圾回收，Scavenge算法是一個(gè)典型的犧牲空間換取時(shí)間的復(fù)制算法，在占用空間不大的場(chǎng)景上非常適用。

Scavange算法將新生代堆分為兩部分，分別叫from-space和to-space，工作方式也很簡(jiǎn)單，就是將from-space中存活的活動(dòng)對(duì)象復(fù)制到to-space中，并將這些對(duì)象的內(nèi)存有序的排列起來，然后將from-space中的非活動(dòng)對(duì)象的內(nèi)存進(jìn)行釋放，完成之后，將from space 和to space進(jìn)行互換，這樣可以使得新生代中的這兩塊區(qū)域可以重復(fù)利用。

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具體步驟為以下4步：

• 標(biāo)記活動(dòng)對(duì)象和非活動(dòng)對(duì)象
• 復(fù)制from-space的活動(dòng)對(duì)象到to-space中并進(jìn)行排序
• 清除from-space中的非活動(dòng)對(duì)象
• 將from-space和to-space進(jìn)行角色互換，以便下一次的Scavenge算法垃圾回收

那么，垃圾回收器是怎么知道哪些對(duì)象是活動(dòng)對(duì)象，哪些是非活動(dòng)對(duì)象呢？

這就要不得不提一個(gè)東西了——可達(dá)性。什么是可達(dá)性呢？就是從初始的根對(duì)象（window或者global）的指針開始，向下搜索子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)被搜索到了，說明該子節(jié)點(diǎn)的引用對(duì)象可達(dá)，并為其進(jìn)行標(biāo)記，然后接著遞歸搜索，直到所有子節(jié)點(diǎn)被遍歷結(jié)束。那么沒有被遍歷到節(jié)點(diǎn)，也就沒有被標(biāo)記，也就會(huì)被當(dāng)成沒有被任何地方引用，就可以證明這是一個(gè)需要被釋放內(nèi)存的對(duì)象，可以被垃圾回收器回收。

新生代中的對(duì)象什么時(shí)候變成老生代的對(duì)象？

在新生代中，還進(jìn)一步進(jìn)行了細(xì)分。分為nursery子代和intermediate子代兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)對(duì)象第一次分配內(nèi)存時(shí)會(huì)被分配到新生代中的nursery子代，如果經(jīng)過下一次垃圾回收這個(gè)對(duì)象還存在新生代中，這時(shí)候我們將此對(duì)象移動(dòng)到intermediate子代，在經(jīng)過下一次垃圾回收，如果這個(gè)對(duì)象還在新生代中，副垃圾回收器會(huì)將該對(duì)象移動(dòng)到老生代中，這個(gè)移動(dòng)的過程被稱為晉升

1.2 老生代

新生代空間的對(duì)象，身經(jīng)百戰(zhàn)之后，留下來的老對(duì)象，成功晉升到了老生代空間里，由于這些對(duì)象都是經(jīng)過多次回收過程但是沒有被回收走的，都是一群生命力頑強(qiáng)，存活率高的對(duì)象，所以老生代里，回收算法不宜使用Scavenge算法，為啥呢，有以下原因：

• Scavenge算法是復(fù)制算法，反復(fù)復(fù)制這些存活率高的對(duì)象，沒什么意義，效率極低。
• Scavenge算法是以空間換時(shí)間的算法，老生代是內(nèi)存很大的空間，如果使用Scavenge算法，空間資源非常浪費(fèi)，得不償失啊。

所以老生代里使用了Mark-Sweep算法(標(biāo)記清理)和Mark-Compact算法(標(biāo)記整理)。

Mark-Sweep(標(biāo)記清理)

Mark-Sweep分為兩個(gè)階段，標(biāo)記和清理階段，之前的Scavenge算法也有標(biāo)記和清理，但是Mark-Sweep算法跟Scavenge算法的區(qū)別是，后者需要復(fù)制后再清理，前者不需要，Mark-Sweep直接標(biāo)記活動(dòng)對(duì)象和非活動(dòng)對(duì)象之后，就直接執(zhí)行清理了。

• 標(biāo)記階段：對(duì)老生代對(duì)象進(jìn)行第一次掃描，對(duì)活動(dòng)對(duì)象進(jìn)行標(biāo)記
• 清理階段：對(duì)老生代對(duì)象進(jìn)行第二次掃描，清除未標(biāo)記的對(duì)象，即非活動(dòng)對(duì)象

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由上圖，我想大家也發(fā)現(xiàn)了，有一個(gè)問題：清除非活動(dòng)對(duì)象之后，留下了很多零零散散的空位。

Mark-Compact(標(biāo)記整理)

Mark-Sweep算法執(zhí)行垃圾回收之后，留下了很多零零散散的空位，這有什么壞處呢？如果此時(shí)進(jìn)來了一個(gè)大對(duì)象，需要對(duì)此對(duì)象分配一個(gè)大內(nèi)存，先從零零散散的空位中找位置，找了一圈，發(fā)現(xiàn)沒有適合自己大小的空位，只好拼在了最后，這個(gè)尋找空位的過程是耗性能的，這也是Mark-Sweep算法的一個(gè)缺點(diǎn)。

這個(gè)時(shí)候Mark-Compact算法出現(xiàn)了，他是Mark-Sweep算法的加強(qiáng)版，在Mark-Sweep算法的基礎(chǔ)上，加上了整理階段，每次清理完非活動(dòng)對(duì)象，就會(huì)把剩下的活動(dòng)對(duì)象，整理到內(nèi)存的一側(cè)，整理完成后，直接回收掉邊界上的內(nèi)存。

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2. 全停頓(Stop-The-World)

說完V8的分代回收，咱們來聊聊一個(gè)問題。JS代碼的運(yùn)行要用到JS引擎，垃圾回收也要用到JS引擎，那如果這兩者同時(shí)進(jìn)行了，發(fā)生沖突了咋辦呢？答案是，垃圾回收優(yōu)先于代碼執(zhí)行，會(huì)先停止代碼的執(zhí)行，等到垃圾回收完畢，再執(zhí)行JS代碼。這個(gè)過程，稱為全停頓。

由于新生代空間小，并且存活對(duì)象少，再配合Scavenge算法，停頓時(shí)間較短。但是老生代就不一樣了，某些情況活動(dòng)對(duì)象比較多的時(shí)候，停頓時(shí)間就會(huì)較長，使得頁面出現(xiàn)了卡頓現(xiàn)象。

3. Orinoco優(yōu)化

orinoco為V8的垃圾回收器的項(xiàng)目代號(hào)，為了提升用戶體驗(yàn)，解決全停頓問題，它提出了增量標(biāo)記、懶性清理、并發(fā)、并行的優(yōu)化方法。

3.1 增量標(biāo)記(Incremental marking)

咱們前面不斷強(qiáng)調(diào)了先標(biāo)記，后清除，而增量標(biāo)記就是在標(biāo)記這個(gè)階段進(jìn)行了優(yōu)化。我舉個(gè)生動(dòng)的例子：路上有很多垃圾，害得路人都走不了路，需要清潔工打掃干凈才能走。前幾天路上的垃圾都比較少，所以路人們都等到清潔工全部清理干凈才通過，但是后幾天垃圾越來越多，清潔工清理的太久了，路人就等不及了，跟清潔工說：“你打掃一段，我就走一段，這樣效率高”。

大家把上面例子里，清潔工清理垃圾的過程——標(biāo)記過程，路人——JS代碼，一一對(duì)應(yīng)就懂了。當(dāng)垃圾少量時(shí)不會(huì)做增量標(biāo)記優(yōu)化，但是當(dāng)垃圾達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，增量標(biāo)記就會(huì)開啟：標(biāo)記一點(diǎn)，JS代碼運(yùn)行一段，從而提高效率。

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3.2 惰性清理(Lazy sweeping)

上面說了，增量標(biāo)記只是針對(duì)標(biāo)記階段，而惰性清理就是針對(duì)清除階段了。在增量標(biāo)記之后，要進(jìn)行清理非活動(dòng)對(duì)象的時(shí)候，垃圾回收器發(fā)現(xiàn)了其實(shí)就算是不清理，剩余的空間也足以讓JS代碼跑起來，所以就延遲了清理，讓JS代碼先執(zhí)行，或者只清理部分垃圾，而不清理全部。這個(gè)優(yōu)化就叫做惰性清理。

整理標(biāo)記和惰性清理的出現(xiàn)，大大改善了全停頓現(xiàn)象。但是問題也來了：增量標(biāo)記是標(biāo)記一點(diǎn)，JS運(yùn)行一段，那如果你前腳剛標(biāo)記一個(gè)對(duì)象為活動(dòng)對(duì)象，后腳JS代碼就把此對(duì)象設(shè)置為非活動(dòng)對(duì)象，或者反過來，前腳沒有標(biāo)記一個(gè)對(duì)象為活動(dòng)對(duì)象，后腳JS代碼就把此對(duì)象設(shè)置為活動(dòng)對(duì)象。總結(jié)起來就是：標(biāo)記和代碼執(zhí)行的穿插，有可能造成對(duì)象引用改變，標(biāo)記錯(cuò)誤現(xiàn)象。這就需要使用寫屏障技術(shù)來記錄這些引用關(guān)系的變化。

3.3 并發(fā)(Concurrent)

并發(fā)式GC允許在在垃圾回收的同時(shí)不需要將主線程掛起，兩者可以同時(shí)進(jìn)行，只有在個(gè)別時(shí)候需要短暫停下來讓垃圾回收器做一些特殊的操作。但是這種方式也要面對(duì)增量回收的問題，就是在垃圾回收過程中，由于JavaScript代碼在執(zhí)行，堆中的對(duì)象的引用關(guān)系隨時(shí)可能會(huì)變化，所以也要進(jìn)行寫屏障操作。

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3.4 并行

并行式GC允許主線程和輔助線程同時(shí)執(zhí)行同樣的GC工作，這樣可以讓輔助線程來分擔(dān)主線程的GC工作，使得垃圾回收所耗費(fèi)的時(shí)間等于總時(shí)間除以參與的線程數(shù)量（加上一些同步開銷）。

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V8當(dāng)前的垃圾回收機(jī)制

2011年，V8應(yīng)用了增量標(biāo)記機(jī)制。直至2018年，Chrome64和Node.js V10啟動(dòng)并發(fā)標(biāo)記（Concurrent），同時(shí)在并發(fā)的基礎(chǔ)上添加并行（Parallel）技術(shù)，使得垃圾回收時(shí)間大幅度縮短。

副垃圾回收器

V8在新生代垃圾回收中，使用并行（parallel）機(jī)制，在整理排序階段，也就是將活動(dòng)對(duì)象從from-to復(fù)制到space-to的時(shí)候，啟用多個(gè)輔助線程，并行的進(jìn)行整理。由于多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)一個(gè)新生代的堆的內(nèi)存資源，可能出現(xiàn)有某個(gè)活動(dòng)對(duì)象被多個(gè)線程進(jìn)行復(fù)制操作的問題，為了解決這個(gè)問題，V8在第一個(gè)線程對(duì)活動(dòng)對(duì)象進(jìn)行復(fù)制并且復(fù)制完成后，都必須去維護(hù)復(fù)制這個(gè)活動(dòng)對(duì)象后的指針轉(zhuǎn)發(fā)地址，以便于其他協(xié)助線程可以找到該活動(dòng)對(duì)象后可以判斷該活動(dòng)對(duì)象是否已被復(fù)制。

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主垃圾回收器

V8在老生代垃圾回收中，如果堆中的內(nèi)存大小超過某個(gè)閾值之后，會(huì)啟用并發(fā)（Concurrent）標(biāo)記任務(wù)。每個(gè)輔助線程都會(huì)去追蹤每個(gè)標(biāo)記到的對(duì)象的指針以及對(duì)這個(gè)對(duì)象的引用，而在JavaScript代碼執(zhí)行時(shí)候，并發(fā)標(biāo)記也在后臺(tái)的輔助進(jìn)程中進(jìn)行，當(dāng)堆中的某個(gè)對(duì)象指針被JavaScript代碼修改的時(shí)候，寫入屏障（write barriers）技術(shù)會(huì)在輔助線程在進(jìn)行并發(fā)標(biāo)記的時(shí)候進(jìn)行追蹤。

當(dāng)并發(fā)標(biāo)記完成或者動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存到達(dá)極限的時(shí)候，主線程會(huì)執(zhí)行最終的快速標(biāo)記步驟，這個(gè)時(shí)候主線程會(huì)掛起，主線程會(huì)再一次的掃描根集以確保所有的對(duì)象都完成了標(biāo)記，由于輔助線程已經(jīng)標(biāo)記過活動(dòng)對(duì)象，主線程的本次掃描只是進(jìn)行check操作，確認(rèn)完成之后，某些輔助線程會(huì)進(jìn)行清理內(nèi)存操作，某些輔助進(jìn)程會(huì)進(jìn)行內(nèi)存整理操作，由于都是并發(fā)的，并不會(huì)影響主線程JavaScript代碼的執(zhí)行。

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結(jié)語

讀懂了這篇文章，下次面試官問你的時(shí)候，你就可以不用傻乎乎地說：“引用法和標(biāo)記法”。而是可以更全面地，更細(xì)致地征服面試官了。