javaScript-了解V8引擎的垃圾回收策略
2021-12-22·7min
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Dec 22, 2021
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作为目前最流行的javaScript引擎，V8引擎在底层为我们处理了很多麻烦事，包括自动的垃圾回收管理。
所以在日常开发中，很少会碰到由于内存泄漏导致的程序崩溃问题，尤其是浏览器端。
但了解V8引擎的垃圾回收策略能够帮助我们规避导致内存泄漏的代码，以及写出对V8引擎友好的代码。
什么是垃圾回收？
简单来说，将失去作用的对象所占用的内存空间进行清空，就是垃圾回收。
为什么需要垃圾回收？
当我们创建一个对象时，JS引擎都要在内存空间中分配相应的内存空间来储存这个对象的实体。
试想一下，如果每个对象分配的内存空间都不再被回收，那么整体占用的内存就会越来越大，直到超过V8引擎所持有的内存，从而引起程序崩溃。
所以为了内存的合理分配，就要找到那些不再被使用的对象并将其清除，从而释放内存空间，以供程序的流畅运行。
V8引擎的垃圾回收
由于JS是单线程的，当垃圾回收工作正在进行时，其他任务都要等待。
为了避免因为垃圾回收而阻塞主线程，V8引擎有一套回收机制。
内存限制
V8引擎可使用的内存不是无限制的，具体点来说，在64位操作系统中可使用内存大概有1.4GB，32位操作系统则为0.7GB。
至于为什么要做内存限制，主要有两个原因：
- 没必要
JS在设计之初是作为浏览器脚本语言的，作用就是让用户与浏览器交互、操作DOM、表单验证。
在这种场景下，就很少有占用大内存的情况。
当然后来出现了node.JS，涉及到的复杂I/O操作导致很可能出现内存溢出的情况。
因此V8也为我们提供了调整内存大小的可配置项，不过需要在node初始化时配置，这个就不在本文深究了。
- 避免垃圾回收耗时过长
虽然V8会自动进行垃圾回收，但进行一次垃圾回收是很耗时的，并且还会堵塞主线程。
如果V8不对内存进行限制，很可能一次垃圾回收就要处理大量的垃圾，从而导致应用的堵塞。
基于以上两点，V8引擎可使用内存是有限制的。
分代式垃圾回收
V8引擎的垃圾回收机制基于
分代式垃圾回收机制，简单来说就是将不同存活时长的对象分区管理，并使用不同的回收机制。基于分代式的理念，V8引擎将堆内存分为新生代和老生代两个区，并有相应的回收算法。
新生代区
新生代区主要用来存放存活时间较短的对象，大多数的对象刚创建时都会被分配到这里，这个区域较小但是回收频率特别频繁。
新生代区由两部分组成：激活空间（From）与未激活空间（To）。
这两个空间至始至终都只会有一个处于激活状态。
当新生代区开始进行垃圾处理工作时，主要会经历这么几个流程：
- 标记所有存活的对象（从根节点出发，标记所有可以访问到的变量）。
- 将存活的对象从激活空间（From）复制到未激活空间（To）。
- 清空激活空间（From）。
- 两个空间角色反转， 未激活空间（To）变为新的激活空间（From），原先的激活空间（From）变为未激活空间（To）。
新生代区的垃圾回收过程就是将存活的对象从激活空间（From）复制到未激活空间（To），并完成空间角色的互换。所以缺点也很明显，浪费了一半的空间用于复制。
对象晋升
当一个对象在新生代区中经历多次复制仍然存活，V8引擎就会判定它是一个生命周期较长的对象。
就会在下一次新生代区垃圾回收时，将其移入老生代区进行储存。
这个过程，称之为对象晋升。
对象晋升有两个条件：
- 该对象至少被复制过一次
新生代区进行垃圾回收时，会判断该对象是否已被复制过一次，如果符合条件，就会将其移入老生代区进行管理。
- 未激活空间（To）的内存占比超过25%
如果对象没有经过一次复制，但是未激活空间（To）的内存占比已经超过了25%，则该对象依旧会被转移到老生代区。
这是由于未激活空间（To）随后就会变成激活空间（From），为了保证后续对象的内存分配，就必须限制内存占比。
老生代
老生代区存储着大量的存活对象，所以不可能再像新生区一样浪费一半空间提供复制操作。
老生代区使用两种算法来进行垃圾处理工作：
- 标记-清除（Mark-Sweep）
在标记阶段，V8引擎会从根节点出发，标记所有可以访问到的变量。
在清除阶段，将所有未标记的对象进行清除。
但这个标记-清除过程会导致内存中出现大量不连续的内存空间，也就是出现所谓的内存碎片。从而导致没有足够的内存储存大内存对象。
为了避免出现内存碎片。标记-整理（Mark-Compact）被提了出来。
- 标记-整理（Mark-Compact）
同样的标记阶段，会标记所有可以访问到的对象。
在整理阶段，会将所有标记的对象往内存的一端移动，移动完成后清理边界外的全部内存。
简单来说，老生代区整体的垃圾回收流程可以总结为：标记-整理-清除三个阶段。
V8的垃圾回收优化
在前面提到过，由于JS是单线程的，所以垃圾回收会阻塞主线程的执行。
如果垃圾回收的标记阶段（遍历堆内存）耗时过长，就会导致页面的卡顿、甚至程序的无响应。
所以为了避免卡顿，V8引擎又引入了增量标记（Incremental Marking）的概念。
简单理解就是，V8引擎会先标记一部分内存对象，然后暂停标记，让出主线程的执行权。等待主线程清空再继续标记工作，直到标记完所有可访问的对象。
后来V8引擎又继续引入了延迟清理(lazy sweeping)和增量式整理(incremental compaction)，让清理和整理的过程也变成增量式的。同时为了充分利用多核CPU的性能，也引入了并行标记和并行清理，进一步地减少垃圾回收对主线程的影响，为应用提升更多的性能。
如何避免内存泄漏
- 尽可能少创建全局变量
由于全局变量挂载在全局对象上，所以当把全局对象作为根节点进行标记工作时，一定是能访问到全局变量的。
所以全局变量会一直存活，直到整个程序退出，全局执行上下文出栈。
如果不是有必要的，尽可能少创建全局变量。
- 手动清除定时器
定时器本身是一个非常有用的功能，但是如果我们稍不注意，忘记在适当的时间手动清除定时器，那么很有可能就会导致内存泄漏。
示例如下：
在这个示例中，由于我们没有手动清除定时器，导致回调任务会不断地执行下去，回调中所引用的numbers变量也不会被垃圾回收，最终导致numbers数组长度无限递增，从而引发内存泄漏。
- 少用闭包
闭包是一个能访问已销毁作用域中的变量的函数，其实本质上就是在其内部属性scope中保存了对上级作用域的引用。
所以使用闭包会导致已销毁的作用域占用的内存无法被回收。
- 使用weakMap和weakSet
ES6中为我们新增了两个有效的数据结构WeakMap和WeakSet，就是为了解决内存泄漏的问题而诞生的。
WeakMap和WeakSet的键名所引用的对象均是弱引用。
也就是说垃圾回收的过程中不会将该键名对该对象的引用考虑进去，只要所引用的对象没有其他的引用了，垃圾回收机制就会释放该对象所占用的内存。