深入理解之V8引擎的垃圾回收机制

本文谨用于笔者个人理解和总结V8引擎的垃圾回收机制，本文主要参考一文搞懂V8引擎的垃圾回收

在了解V8垃圾回收机制之前，我们先来阐述一些概念：

「全停顿」：垃圾回收算法在执行前，需要将应用逻辑暂停，执行完垃圾回收后再执行应用逻辑。

如果一次GC需要50ms，应用逻辑就会暂停50ms。为什么会暂停呢?

①因为js是单线程执行的，进入垃圾回收后，js应用逻辑需要暂停，以留出空间给垃圾回收算法运行。
②垃圾回收其实是非常耗时间的操作。

V8引擎垃圾回收策略：

• V8的垃圾回收策略主要是基于分代式垃圾回收机制，其根据对象的存活时间将内存的垃圾回收进行不同的分代，然后对不同的分代采用不同的垃圾回收算法。
• 在新生代的垃圾回收过程中主要采用了Scavenge算法；在老生代采用Mark-Sweep(标记清除)和Mark-Compact(标记整理)算法。

在了解新生代和老生代的垃圾管理算法之前，我们不妨先来了解一下V8引擎垃圾管理的内存结构；

V8引擎垃圾管理的内存结构：

• 新生代(new_space)：大多数的对象开始都会被分配在这里，这个区域相对较小但是垃圾回收特别频繁，该区域被分为两半，一半用来分配内存，另一半用于在垃圾回收时将需要保留的对象复制过来。
  （笔者看到了两种分区说法：①From区:To区=1：1②From区：To区：To区=8:1:1,本文仅用来了解回收机制，不对此处过多讨论）
• 老生代(old_space)：新生代中的对象在存活一段时间后就会被转移到老生代内存区，相对于新生代该内存区域的垃圾回收频率较低。老生代又分为老生代指针区和老生代数据区，前者包含大多数可能存在指向其他对象的指针的对象，后者只保存原始数据对象，这些对象没有指向其他对象的指针。
• 大对象区(large_object_space)：存放体积超越其他区域大小的对象，每个对象都会有自己的内存，垃圾回收不会移动大对象区。
• 代码区(code_space)：代码对象，会被分配在这里，唯一拥有执行权限的内存区域。
• map区(map_space)：存放Cell和Map，每个区域都是存放相同大小的元素，结构简单。

新生代区：

新生代区主要采用Scavenge算法实现，它将新生代区划分为激活区（new space）又称为From区和未激活区（inactive new space）又称为To区。
程序中生命的对象会被存储在From空间中，当新生代进行垃圾回收时，处于From区中的尚存的活跃对象会复制到To区进行保存，然后对From中的对象进行回收，并将From空间和To空间角色对换，即To空间会变为新的From空间，原来的From空间则变为To空间。

因此，该算法是一个牺牲空间来换取时间的算法。

基于上述算法，算法图解实现如下（转载）：

1. 假设我们在From空间中分配了三个对象A、B、C
2. 当程序主线程任务第一次执行完毕后进入垃圾回收时，发现对象A已经没有其他引用，则表示可以对其进行回收
3. 对象B和对象C此时依旧处于活跃状态，因此会被复制到To空间中进行保存
4. 接下来将From空间中的所有非存活对象全部清除
5. 此时From空间中的内存已经清空，开始和To空间完成一次角色互换
6. 当程序主线程在执行第二个任务时，在From空间中分配了一个新对象D
7. 任务执行完毕后再次进入垃圾回收，发现对象D已经没有其他引用，表示可以对其进行回收
8. 象B和对象C此时依旧处于活跃状态，再次被复制到To空间中进行保存
9. 再次将From空间中的所有非存活对象全部清除
10. From空间和To空间继续完成一次角色互换

对象晋升：

当一个对象在经过多次复制之后依旧存活，那么它会被认为是一个生命周期较长的对象，在下一次进行垃圾回收时，该对象会被直接转移到老生代中，这种对象从新生代转移到老生代的过程我们称之为晋升。
对象晋升的条件主要有以下两个（满足其一即可）：

• 对象是否经历过一次Scavenge算法
• To空间的内存占比是否已经超过25%

默认情况下，我们创建的对象都会分配在From空间中，当进行垃圾回收时，在将对象从From空间复制到To空间之前，会先检查该对象的内存地址来判断是否已经经历过一次Scavenge算法，如果地址已经发生变动则会将该对象转移到老生代中，不会再被复制到To空间。
流程图表示：

如果对象没有经历过Scavenge算法，会被复制到To空间，但是如果此时To空间的内存占比已经超过25%，则该对象依旧会被转移到老生代，如下图所示:

之所以有25%的内存限制是因为To空间在经历过一次Scavenge算法后会和From空间完成角色互换，会变为From空间，后续的内存分配都是在From空间中进行的，如果内存使用过高甚至溢出，则会影响后续对象的分配，因此超过这个限制之后对象会被直接转移到老生代来进行管理。

老生代区：

在讲解老生代Mark-Sweep(标记清除)和Mark-Compact(标记整理)算法之前，先来回顾一下引用计数法：对于对象A，任何一个对象引用了A的值，计数器+1，引用失效时计数器-1，当计数器为0时责备回收，但是会存在循环引用的情况，可能会导致内存泄漏，自2012年起，所有的现代浏览器均放弃了这种算法。

function foo() {//循环引用样例
    let a = {};
    let b = {};
    a.a1 = b;
    b.b1 = a;
}
foo();

Mark-Sweep(标记清除)算法：
Mark-Sweep(标记清除)分为标记和清除两个阶段，在标记阶段会遍历堆中的所有对象，然后标记活着的对象，在清除阶段中，会将死亡的对象进行清除。Mark-Sweep算法主要是通过判断某个对象是否可以被访问到，从而知道该对象是否应该被回收，具体步骤如下：

1. 垃圾回收器会在内部构建一个根列表，用于从根节点出发去寻找那些可以被访问到的变量。比如在JavaScript中，window全局对象可以看成一个根节点。
2. 垃圾回收器从所有根节点出发，遍历其可以访问到的子节点，并将其标记为活动的，根节点不能到达的地方即为非活动的，将会被视为垃圾。
3. 垃圾回收器将会释放所有非活动的内存块，并将其归还给操作系统。
   
   但是经过标记清除之后的内存空间会⽣产很多不连续的碎⽚空间，这种不连续的碎⽚空间中，
   在遇到较⼤的对象时可能会由于空间不⾜⽽导致⽆法存储。
   为了解决内存碎⽚的问题，需要使⽤另外⼀种算法：标记-整理（Mark-Compact）。

标记-整理（Mark-Compact）:
标记整理对待未存活对象不是⽴即回收，⽽是将存活对象移动到⼀边，然后直接清掉端边界以外的内存。
这里为了便于理解，引用两个流程图。

1. 假设在老生代中有A、B、C、D四个对象
2. 在垃圾回收的标记阶段，将对象A和对象C标记为活动的
3. 在垃圾回收的整理阶段，将活动的对象往堆内存的一端移动
4. 在垃圾回收的清除阶段，将活动对象左侧的内存全部回收

至此就完成了一次老生代垃圾回收的全部过程，但是由于前文提到的「全停顿」的存在，在标记阶段同样会阻碍主线程的执行，一般来说，老生代会保存大量存活的对象，如果在标记阶段将整个堆内存遍历一遍，那么势必会造成严重的卡顿。因此，V8引擎有引入了Incremental Marking(增量标记)的概念。
Incremental Marking(增量标记)：

将原本需要一次性遍历堆内存的操作改为增量标记的方式，先标记堆内存中的一部分对象，然后暂停，将执行权重新交给JS主线程，待主线程任务执行完毕后再从原来暂停标记的地方继续标记，直到标记完整个堆内存。
即：把垃圾回收这个⼤的任务分成⼀个个⼩任务，穿插在 JavaScript任务中间执⾏

这个理念其实有点像React框架中的Fiber架构，只有在浏览器的空闲时间才会去遍历Fiber Tree执行对应的任务，否则延迟执行，尽可能少地影响主线程的任务，避免应用卡顿，提升应用性能。

得益于增量标记的好处，V8引擎后续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，也将引入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。
最后附上V8-GC的触发机制：

参考文献及图片出处：

• 一文搞懂V8引擎的垃圾回收
• Node —— V8 GC 浅析
• 浅谈V8引擎垃圾回收机制