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这一次，彻底搞懂JavaScript垃圾回收

吐槽君 分类：javascript

JavaScript 中的原始类型的值存放在栈内存中，由系统自动分配释放。引用类型的值存放于堆内存中，其生命周期由JavaScript引擎的垃圾回收机制决定。

目前最主流的JavaScript引擎，当属Chrome的V8引擎。接下来的论述均基于V8展开。

回收机制的浅析

垃圾回收机制大体可分为引用计数和标记清除两种。其中引用计数由于存在比较明显的问题（主要存在于早期的IE浏览器），现今主流浏览器都采用标记清除，来管理引用值的内存。

引用计数（reference counting）

其基本思路就是对每个值都记录其被引用的次数。当一个值的引用数为0的时候，说明没有任何变量引用它，就可以安全的回收其内存了。垃圾回收器会在下次进行垃圾回收的时候，释放引用次数为0的值的内存。

引用记数的问题

引用计数存在一个严重的问题：循环引用。即对象A有一个属性指向B,B也有一个属性指向A。这样A、B对象的引用计数都为2，就永远不会被垃圾回收器回收。久而久之，会造成大量的内存无法被回收，造成内存泄漏。

const A = new Object();
const B = new Object();
A.ref2B = B;
B.ref2A = A;

标记清除（mark and sweep）

关于标记清除，就不得不提及可达性。可达性是判断一个值是否会被垃圾回收的重要依据。

可达性

可达值是那些以某种方式可访问或可用的值，他们不会被垃圾回收机制清除、释放。
下面是一些固有可达值的集合，所占用的空间不能被释放。

  • 当前函数的局部变量和参数
  • 嵌套调用时调用链上所有函数的变量与参数
  • 全局变量
  • (还有一些内部的)

这些值称为根。
如果一个值可以从根通过引用或引用链被访问，就被认为是可达的。

举例一

// user 具有对这个对象的引用
let user = {
  name: "John"
};

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user是全局变量，是根，{ name: 'John' }可以通过user引用到，于是{ name: 'John' }就是可达的,不会被垃圾回收机制回收。

如果user = null;就会重写user变量，切断了与对象之间的引用，对象就会变为不可达，垃圾回收机制会在下次垃圾回收的时候，释放相关内存。

举例二

function marry(man, woman) {
  woman.husband = man;
  man.wife = woman;
  return {
    father: man,
    mother: woman
  }
}

let family = marry({
  name: 'John'
}, {
  name: 'Ann'
});

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famliy变量是全局变量，为根，可以通过引用访问{ father: man, mother: woman }对象, 可以通过引用链访问father和mother,此时所有对象都是可达的。
接下来移除一些引用：

delete family.father;
delete family.mother.husband;

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移除了引用后，father对象变成了一座孤岛，根无法通过任何引用访问father对象，于是father对象变成不可达的，相关内存也将会被回收。

标记清除的过程

垃圾收集器会定期执行以下步骤，进行垃圾回收。

  • 垃圾收集器找到所有根并标记他们
  • 遍历并标记根的引用
  • 然后标记引用的引用，直至标记所有可达的对象
  • 剩余没有被标记的对象都会被删除

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深入V8的垃圾回收

实际上由于性能上的要求，需要针对不同场景，采取更加高效的算法，以达到更好的效果，所以实际的垃圾回收策略会更加复杂。V8的垃圾回收策略主要基于分代式垃圾回收机制。

V8的内存分代

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。

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其中新生代中的对象主要通过Scavenge算法进行垃圾回收。而Scavenge的具体实现采用了Cheney算法。

  • Scavenge 算法

Cheney是一种采用复制方式实现的垃圾回收算法，它将新生代内存一分为二，每部分空间称为semispace。这两个semispace空间，一时刻只有一个处于使用中，另外一个处于空闲状态。我们将使用中的称为From空间，闲置的称为To空间。当分配对象的时候，先在From空间分配，开始垃圾回收时，将From空间存活的对象复制到To空间，而非存活对象占用的空间会被释放。完成复制后，将From和To角色交换。

新老生代空间分布示意图.jpeg

该算法的缺点显而易见，由于划分空间和复制机制，导致新生代空间只能使用一半，但由于该算法只复制存活对象，而新生代场景下存活对象占比较少，因此在时间效率上有优异表现。

当一个对象经过多次复制依然存活，将会被认为是生命周期较长的对象，会被晋升到老生代空间中，采用新的算法进行管理。

晋升的条件主要有两个，一个是对象是否经历过Scavenge回收，一个是To空间的内存占用比超过25%的限制。设置25%限制值的原因是当这次回收完成后，To空间将变成From空间，接下来内存分配将在这个空间进行，如果占比过高，会影响后续的内存分配效率。

  • Mark-Sweep

在老生代中存活对象会比较多，若再采用Scavenge算法会有两个问题：一是存活对象较多，复制效率会降低，二是会浪费一半空间。因此V8在老生代中采用了Mark-Sweep & Mark-Compact相结合的方式进行垃圾回收。
Mark-Sweep 存在标记和清除两个阶段，与Scavenge算法相比，该算法并不将空间一分为二，因此也不存在浪费一半空间的问题。Mark-Sweep 在标记阶段遍历老生代中的所有对象，并标记存活着的对象。在随后的清除阶段中，只清除没有被标记的对象。可以看出，Scavenge算法只复制存活对象，Mark-Sweep只清除失活对象。而在新生代中存活对象占比较小，老生代中失活对象占比较小，因此可以有更高的效率。

老生代标记清除后.jpeg

  • Mark-Compact

Mark-Sweep 最大的问题是进行标记清除后，会造成内存不连续的情况，如果之后需要分配一个大内存的对象，虽然整体剩余空间足够，但由于不是连续的空间，导致无法完成内存分配，就会提前触发垃圾回收。

为了解决Mark-Sweep存在的内存碎片化严重的问题，Mark-Compact横空出世。该算法从Mark-Sweep演变而来，区别在于对象失活被标记死亡后，在整理的过程中，将存活的对象往一端移动，移动完成后，直接清理掉边界外的内存。解决了Mark-Sweep 存在的内存碎片化的问题。

在V8中，主要采用Mark-Sweep，在空间不足时对从新生代中晋升过来的对象进行分配时才采用Mark-Compact。

V8对垃圾回收的优化

由于JavaScript是单线程的，以上三种算法都需要将应用逻辑暂停下来，待执行完垃圾回收之后再执行应用逻辑，此行为被称为全停顿。在V8的分代式垃圾回收中，如果只回收新生代的话，因为新生代默认配置较小，且其中存活的更少，所以即使全停顿也影响不大。但老生代通常配置的较大，且存活对象较多，进行一次全堆垃圾回收，标记、清除、整理就会造成较大停顿，影响体验。

为了降低全堆垃圾回收的停顿时间，V8对垃圾回收过程做了一些优化。

  • 增量

将标记阶段改为增量标记(incremental marking)，将标记切片，让标记和应用逻辑交替执行。在清除阶段引入延迟清除(lazy sweeping)和在整理阶段引入增量式整理。

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  • 并行

引入并行的概念，将部分操作分派给辅助线程执行，加快操作的执行。
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配合垃圾回收

JavaScript引擎之所以采用复杂的回收机制来回收垃圾，是为了更加高效的利用内存空间。开发者可以结合以下几点，更好的配合JavaScript引擎，实行垃圾回收。

  1. 避免意外声明全局变量
function foo () {
    unexpectedVar = new Array(100);
}
foo();

foo函数意外声明了全局变量unexpectedVar，在浏览器环境下，unexpectedVar成为window的一个属性，而window对象是常驻内存的，即便foo函数执行完毕，被弹出调用栈，unexpectedVar依然被window引用，无法被回收，造成内存泄漏。

  1. 使用const/let 提升性能

const/let 都以块级作用域声明变量，相比于使用var（函数作用域）声明变量，前者可能会更早地让垃圾回收程序介入，尽早回收变量的内存空间。

  1. 主动释放全局变量

全局环境中的变量，会常驻内存（老生代空间），无法被垃圾回收器回收，需要主动释放。可以通过delete操作或者赋值为undefined/null来释放相关内存空间。

总结

本文首先浅析了两种垃圾回收机制：引用计数和标记清除，然后深入V8的内存分代机制，其针对新生代、老生代空间的特点，分别采取了不同的垃圾回收算法。Scavenge、Mark-Sweep、Mark-Compact, 其中Mark-Compact又是基于Mark-Sweep的一种衍生。最后谈到了开发者可以如何更好的配合JavaScript引擎，实行垃圾回收。

参考

  • 垃圾回收
  • JavaScript垃圾回收机制
  • JS垃圾回收，这次可以看懂了
  • 图解Google V8
  • 深入浅出Node.js

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