前言

大家好，我是林三心。前兩天，無意中看到了B站上一個講V8垃圾回收 機制的視頻，感興趣的我看了一下，感覺有點難懂，于是我就在想，大家是不是跟我一樣對V8垃圾回收機制這方面的知識都比較懵，或者說看過這方面的知識，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，講最難的知識點。

普通理解

我相信大部分同學在面試中常常被問到：”說一說V8垃圾回收機制吧“。

這個時候，大部分同學肯定會這么回答：”垃圾回收機制有兩種方式，一種是引用法，一種是標記法“。

引用法

就是判斷一個對象的引用數(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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引用法是有缺點的，下面代碼執(zhí)行完后，按理說obj1和obj2都會被回收，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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標記法

標記法就是，將可達的對象標記起來，不可達的對象當成垃圾回收。

那問題來了，可不可達，通過什么來判斷呢？(這里的可達，可不是可達鴨)

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

// 可達
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
console.log(window.age) // undefined

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普通的理解其實是不夠的，因為垃圾回收機制(GC)其實不止這兩個算法，想要更深入地了解V8垃圾回收機制，就繼續(xù)往下看吧?。?！

JavaScript內(nèi)存管理

其實JavaScript內(nèi)存的流程很簡單，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)類型分為基礎數(shù)據(jù)類型和引用數(shù)據(jù)類型:

• 基礎數(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)無法自動釋放回收，所以需要JS引擎來手動釋放這些內(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最初為瀏覽器而設計，不太可能遇到用大量內(nèi)存的場景
• 深層原因：V8的垃圾回收機制的限制（如果清理大量的內(nèi)存垃圾是很耗時間，這樣會引起JavaScript線程暫停執(zhí)行的時間，那么性能和應用直線下降）

前面說到棧內(nèi)的內(nèi)存，操作系統(tǒng)會自動進行內(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）手動進行釋放，當我們的代碼沒有按照正確的寫法時，會使得JS引擎的垃圾回收機制無法正確的對內(nèi)存進行釋放（內(nèi)存泄露），從而使得瀏覽器占用的內(nèi)存不斷增加，進而導致JavaScript和應用、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，對于存活周期短的，回收掉就算了，但對于存活周期長的，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？

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

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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，以便更高效地實施垃圾回收。

• 副垃圾回收器 + Scavenge算法：主要負責新生代的垃圾回收
• 主垃圾回收器 + Mark-Sweep && Mark-Compact算法：主要負責老生代的垃圾回收

1.1 新生代

在JavaScript中，任何對象的聲明分配到的內(nèi)存，將會先被放置在新生代中，而因為大部分對象在內(nèi)存中存活的周期很短，所以需要一個效率非常高的算法。在新生代中，主要使用Scavenge算法進行垃圾回收，Scavenge算法是一個典型的犧牲空間換取時間的復制算法，在占用空間不大的場景上非常適用。

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

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具體步驟為以下4步：

• 標記活動對象和非活動對象
• 復制from-space的活動對象到to-space中并進行排序
• 清除from-space中的非活動對象
• 將from-space和to-space進行角色互換，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象是活動對象，哪些是非活動對象呢？

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

新生代中的對象什么時候變成老生代的對象？

在新生代中，還進一步進行了細分。分為nursery子代和intermediate子代兩個區(qū)域，一個對象第一次分配內(nèi)存時會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對象還存在新生代中，這時候我們將此對象移動到intermediate子代，在經(jīng)過下一次垃圾回收，如果這個對象還在新生代中，副垃圾回收器會將該對象移動到老生代中，這個移動的過程被稱為晉升

1.2 老生代

新生代空間的對象，身經(jīng)百戰(zhàn)之后，留下來的老對象，成功晉升到了老生代空間里，由于這些對象都是經(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，存活率高的對象，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算法是復制算法，反復復制這些存活率高的對象，沒什么意義，效率極低。
• Scavenge算法是以空間換時間的算法，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，得不償失啊。

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

Mark-Sweep(標記清理)

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

• 標記階段：對老生代對象進行第一次掃描，對活動對象進行標記
• 清理階段：對老生代對象進行第二次掃描，清除未標記的對象，即非活動對象

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

Mark-Compact(標記整理)

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？如果此時進來了一個大對象，需要對此對象分配一個大內(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，這個尋找空位的過程是耗性能的，這也是Mark-Sweep算法的一個缺點。

這個時候Mark-Compact算法出現(xiàn)了，他是Mark-Sweep算法的加強版，在Mark-Sweep算法的基礎上，加上了整理階段，每次清理完非活動對象，就會把剩下的活動對象，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，咱們來聊聊一個問題。JS代碼的運行要用到JS引擎，垃圾回收也要用到JS引擎，那如果這兩者同時進行了，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。這個過程，稱為全停頓。

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

3. Orinoco優(yōu)化

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

3.1 增量標記(Incremental marking)

咱們前面不斷強調(diào)了先標記，后清除，而增量標記就是在標記這個階段進行了優(yōu)化。我舉個生動的例子：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——標記過程，路人——JS代碼，一一對應就懂了。當垃圾少量時不會做增量標記優(yōu)化，但是當垃圾達到一定數(shù)量時，增量標記就會開啟：標記一點，JS代碼運行一段，從而提高效率。

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3.2 惰性清理(Lazy sweeping)

上面說了，增量標記只是針對標記階段，而惰性清理就是針對清除階段了。在增量標記之后，要進行清理非活動對象的時候，垃圾回收器發(fā)現(xiàn)了其實就算是不清理，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。這個優(yōu)化就叫做惰性清理。

整理標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：增量標記是標記一點，JS運行一段，那如果你前腳剛標記一個對象為活動對象，后腳JS代碼就把此對象設置為非活動對象，或者反過來，前腳沒有標記一個對象為活動對象，后腳JS代碼就把此對象設置為活動對象?？偨Y(jié)起來就是：標記和代碼執(zhí)行的穿插，有可能造成對象引用改變，標記錯誤現(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不需要將主線程掛起，兩者可以同時進行，只有在個別時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，堆中的對象的引用關(guān)系隨時可能會變化，所以也要進行寫屏障操作。

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3.4 并行

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

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V8當前的垃圾回收機制

2011年，V8應用了增量標記機制。直至2018年，Chrome64和Node.js V10啟動并發(fā)標記（Concurrent），同時在并發(fā)的基礎上添加并行（Parallel）技術(shù)，使得垃圾回收時間大幅度縮短。

副垃圾回收器

V8在新生代垃圾回收中，使用并行（parallel）機制，在整理排序階段，也就是將活動對象從from-to復制到space-to的時候，啟用多個輔助線程，并行的進行整理。由于多個線程競爭一個新生代的堆的內(nèi)存資源，可能出現(xiàn)有某個活動對象被多個線程進行復制操作的問題，為了解決這個問題，V8在第一個線程對活動對象進行復制并且復制完成后，都必須去維護復制這個活動對象后的指針轉(zhuǎn)發(fā)地址，以便于其他協(xié)助線程可以找到該活動對象后可以判斷該活動對象是否已被復制。

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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)存大小超過某個閾值之后，會啟用并發(fā)（Concurrent）標記任務。每個輔助線程都會去追蹤每個標記到的對象的指針以及對這個對象的引用，而在JavaScript代碼執(zhí)行時候，并發(fā)標記也在后臺的輔助進程中進行，當堆中的某個對象指針被JavaScript代碼修改的時候，寫入屏障（write barriers）技術(shù)會在輔助線程在進行并發(fā)標記的時候進行追蹤。

當并發(fā)標記完成或者動態(tài)分配的內(nèi)存到達極限的時候，主線程會執(zhí)行最終的快速標記步驟，這個時候主線程會掛起，主線程會再一次的掃描根集以確保所有的對象都完成了標記，由于輔助線程已經(jīng)標記過活動對象，主線程的本次掃描只是進行check操作，確認完成之后，某些輔助線程會進行清理內(nèi)存操作，某些輔助進程會進行內(nèi)存整理操作，由于都是并發(fā)的，并不會影響主線程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候，你就可以不用傻乎乎地說：“引用法和標記法”。而是可以更全面地，更細致地征服面試官了。