探究V8引擎的垃圾回收策略

前言

探究垃圾回收策略之前先了解一下一些基本的认知

代际假说
这是垃圾回收领域中一个重要的术语,后续垃圾回收的策略都是建立在该假说的基础之上的,所以很是重要。

代际假说的两个特点:

  • 第一个是大部分对象在内存中存在的时间很短,简单来说,就是很多对象一经分配内存,很快就变得不可访问;
  • 第二个是不死的对象,会活得更久。

其实这两个特点不仅仅适用于 JavaScript,同样适用于大多数的动态语言,如 Java、Python 等, 所以根据这些特点,垃圾回收就专门有新生代与老生代这么一说。

创建对象内存分配

javascript是一门弱类型、解释型语言,它的内存是由宿主环境来分配的,在V8引擎下,对于活动对象的内存分配,它的内存默认按照以下规则划分:


垃圾回收内存分配
老生代新生代

在全局作用域下,内存分配又分为新生代与老生代;它们都是用来存储js运行时产生的存活对象的
如:

var a = 'a'

var o = {k: 1}

function add (a, b) {
  const res = a + b
  console.log(res)
}

add(1, 2)

在上面的代码运行过程中,a变量 o变量存在全局作用域中,它们会一直存在内存中,不会被回收,而执行add方法的过程中,里面的res是临时变量,执行时会在内存中创建对应的活动对象,运行完之后等到垃圾回收器运行时会把它清除掉。为什么会这样?先看理论,后面再解释。

新生代

新生代采用了一种叫做Scavenge算法来进行垃圾回收处理。
它会将新生代内存分同等两份,一个from 空间,一个to空间


新生代空间
  1. 有新活动对象就先放在from空间 ,等from空间满了之后就触发垃圾回收,遍历from空间的活动对象,会有以下几种情况:
    1,对象已经没有用了,清除
    2,对象存活,又分情况
    2.1,如果对象存活过n次(n是V8定义的一个数字),把它晋升到老生代去;
    2.2,或者to空间存储达到25%,就直接把from剩下的存活对象晋升到老生代去;
    2.3,不满足以上2个条件就移到to空间去。

  2. from 空间 与 to空间进行翻转,就是名字互换。

此时,新的from空间就是老的to空间,里面可能有存活的对象,而新的to空间就是老的from空间,此时它是空的,因为上一轮清理完了。

总结新生代的特点:存活对象少、对象存活时间短
就像是一个中间站,过滤一些容易挂掉的对象,不容易挂掉的就晋升到老生代去。

老生代

老生代的内存空间相对新生代就大得多了。而且这里的对象一般都是存活比较久的。但是如果源源不断的往里面添加对象的话,迟早也要被塞满。它的垃圾回收策略有两种:

  1. 标记-清除法
  2. 标记-整理法

标记-清除法
是浏览器常见的垃圾回收算法,有两个阶段:标记阶段 和 清除阶段。

V8引擎会在某个时刻对老生代进行垃圾回收,在这个过程中,所有的应用逻辑都会暂停,浏览器也会暂时进入block状态,所以这个时间越短越好,不然会影响用户体验,这个过程在垃圾回收里面也叫做 全停顿

标记阶段:遍历老生代的存活对象如果存活,就打上存活标记,否则不打标记
清除阶段:对未标记对象的空间进行回收

但是标记-清除法也存在一个问题:因为老生代里面的对象是随机分散在各处的,经过标记清除后就容易造成内存碎片化,如果有一个大的对象进来,因为有些内存地址不连续,两个对象之间的空间不大不小的话容易造成空间浪费,所以后面又出现了标记-整理法。

标记-整理法
它的原理就是在标记之后,把标记的对象归拢聚集移动到一边,然后再对未标记对象清理;因为它多做了一步:对标记对象的聚集,所以它的整个算法执行速度比标记-清除法要慢。

针对这种情况,V8引擎的策略是:
一般情况就使用标记-清除法,当对象过多导致内存不足时,才会采用标记-整理法。

看到这里的同学,再回到之前的代码的疑问,应该都能清楚了,变量a和变量o 最后会进入老生代空间常驻内存,而临时变量res会在新生代的from空间进行Scavenge算法过程中就被干掉了

后续优化

增量标记
标记-清除法、标记-整理法有时候会导致全停顿时间久,用户体验差。2011年之后的V8版本就采取增量标记技术。
原理:
标记一些存活对象,让js逻辑执行一段,再继续标记一些存活对象,再让js逻辑执行一段......
这种类似时间分片的方式,保证了浏览器不会失去响应,提升了用户体验。

延迟清除
这是在增量标记的基础之上的,根据实际情况需要,可以在标记之后不马上清除,而是在之后进行清除处理。

文章所描述的算法为V8中使用的基础算法,现代V8引擎对垃圾回收进行了很多改进,比如,在Chrome 64和Node.js v10中V8启用了【并行标记】技术,将标记时间缩短了60%~70%。还有【Parallel Scavenger】技术,它将新生代的垃圾回收时间缩短了20%~50%。还有一种【指针压缩】的技术,让V8拥有64位应用的性能,同时拥有32位的内存占用。

总结

V8的垃圾回收就是将内存划分为新生代、老生代空间。
新生代采用Scavenge算法将空间等分为from、to空间,并且对活动对象进行过滤,存活对象有机会晋升到老生代。

老生代采用标记-清除法 与 标记-整理法进行垃圾回收。

参考文章

深入理解V8的垃圾回收原理
「译」V8中的指针压缩

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