高性能 JavaScript 引擎 V8 - 垃圾回收

陈锦红，微医前端技术部前端工程师，一位喜欢与大自然接触的女孩！

JavaScript 是一门具有自动垃圾收集机制的编程语言，由执行环境负责在代码执行时管理内存，当运行 javascript 时，你需要一个引擎来处理它，无论是在浏览器还是在 node.js 环境中， V8是你的选择之一，也一定是你的不二选择。下面我们就一起来看看V8是怎么进行高效的垃圾回收的吧。

垃圾数据是怎么产生的

• 首先，我们来看看垃圾数据是怎么产生的？看如下代码：

 let test = new Object()
 test.a = new Array(10)

当 JavaScript 执行这段代码的时候，会先在全局作用域中添加一个 test 变量，并在堆中创建了一个空对象，将该对象的地址指向了 test。

随后又创建一个大小为 10 的数组，并将属性地址指向了 test.a。此时的内存布局图如下所示:

如果此时，我将另外一个对象赋给了 a 属性，代码如下所示：

test.a = new Object()

那么此时的内存布局如下所示：

我们可以看到，a 属性之前是指向堆中数组对象的，现在已经指向了另外一个空对象，那么此时堆中的数组对象就成为了垃圾数据，因为我们无法从一个根对象遍历到这个 Array 对象，那么此时数组对象就成了垃圾数据。

垃圾回收算法

垃圾回收的实现简单分为以下三个步骤：

第一步：可访问性

从 GC Roots 对象出发，遍历 GC Root 中的所有对象：

• 可访问对象：通过 GC Root 遍历到的对象，我们就认为该对象是可访问的（reachable），那么必须保证这些对象应该在内存中保留。
• 不可访问对象：通过 GC Roots 没有遍历到的对象，则是不可访问的（unreachable），并会对其做上标记，那么这些不可访问的对象就可能被回收。

浏览器环境中，GC Root 有很多，通常包括了以下几种 (但是不止于这几种)：全局的 window 对象（位于每个 iframe 中）；文档 DOM 树，由可以通过遍历文档到达的所有原生 DOM 节点组成；存放栈上变量。

第二步：回收不可访问对象所占据的内存

• 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：内存整理

• 频繁回收对象后，内存中就会存在大量不连续空间，称为内存碎片。当出现了大量的内存碎片之后，如果需要分配较大的连续内存时，就会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。但这步不是必须的，比如接下来我们要介绍的副垃圾回收器就不会产生内存碎片。

以上就是大致的垃圾回收的流程。目前 V8 采用了两个垃圾回收器，主垃圾回收器和副垃圾回收器，下面我们再具体来看看两个回收器是怎么回收垃圾的。

副垃圾回收器和主垃圾回收器

• 在 V8 中，会把堆分为新生代（新生代通常只支持 1～8M 的容量）和老生代（容量大）两个区域，新生代中存放的是生存时间短的对象，老生代中存放生存时间久的对象。

副垃圾回收器

• 负责新生代的垃圾回收，大多数小的对象都会被分配到新生代，垃圾回收比较频繁。

• 新生代中的垃圾数据用 Scavenge 算法来处理。分为两个区域：对象区域 ，空闲区域。如下图所示：

• 垃圾回收过程：

  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。

• 1.垃圾标记和清理：首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,如下图：

  图中可以看到，副垃圾回收器会把这些我们仍然在用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，在复制过程，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。

• 2.角色翻转：完成复制后，进行角色翻转。把原来的对象区变成空闲区，把原来的空闲区变成对象区，如下图：

主垃圾回收器

• 负责老生代中的垃圾回收，大多数占用空间大、存活时间长的对象都会被分配到老生代里。

• 老生代中的垃圾数据用——标记 - 清除算法进行垃圾回收，因为老生代中的对象通常比较大，复制大对象非常耗时，会导致回收执行效率不高，所以采用标记清除法。

• 垃圾回收过程：

• 1.标记：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。

• 2.清除：它和副垃圾回收器的垃圾清除过程完全不同，主垃圾回收器会直接将标记为垃圾的数据清理掉，如下图：

• 3.整理：从上图可以看到，清除后会产生大量不连续的内存碎片，过多的碎片会导致大对象无法分配到足够的连续内存，于是需要引进另一种算法——标记 - 整理，整理过程如下图：

优化垃圾回收器

• 由于 JavaScript 是运行在主线程之上的，在垃圾回收时会阻塞 JavaScript 脚本的执行，会造成页面卡顿等问题，使得用户体验不佳。

• 为了解决上述问题，V8 团队推出了并行、并发和增量等垃圾回收技术，这些技术主要是从两方面来解决垃圾回收效率问题的：

• 1.将一个完整的垃圾回收的任务拆分成多个小的任务，解决单个垃圾回收时间长的问题。
• 2.将标记对象、移动对象等任务转移到后台线程进行，减少主阻塞线程的时间。

接下来我们一起来看下具体这几种技术是怎么优化的。

并行回收

• 如果只有一个主线程进行垃圾回收，会造成停顿时间过长。所以 V8 团队推出主线程在执行垃圾回收的任务时，引入多个辅助线程来并行处理，这样就会加速垃圾回收的执行速度，如下图：

• 副垃圾回收器所采用的就是并行策略，它在执行垃圾回收的过程中，启动了多个线程来负责新生代中的垃圾清理操作，这些线程同时将对象空间中的数据移动到空闲区域。由于数据的地址发生了改变，所以还需要同步更新引用这些对象的指针。

增量回收

• 并行回收虽然能增加垃圾回收效率，但是还是一种阻塞的方式进行垃圾回收，试想下如果老生代中存在一个很大的对象，还是会造成一个长时间暂停。

• 增量回收采用将标记工作把垃圾回收工作分解为更小的块，每次只进行小部分垃圾回收，减少主线程阻塞时间，如下图：

并发回收

• 虽然增量回收已经能大大降低我们主线程阻塞的时间，但是所有的标记和清除还是在主线程上。那有没有办法可以在不阻塞主线程情况下执行呢？也由此 V8 推出了并发回收。

• 并发回收，是指主线程在执行 JavaScript 的过程中，辅助线程能够在后台完成执行垃圾回收的操作，如下图：

在实际的应用中，这三种回收机制通常是融合在一起用的。

参考资料

• 图解 Google V8