V8垃圾回收？看这篇就够了！

Posted 2021-03-12 xiaoyuxy

什么是内存管理

内存管理是控制和协调应用程序访问电脑内存的过程。这个过程是复杂的，对于我们来说，可以说相当于一个黑匣子。

当咱们的应用程序运行在某个操作系统中的时候，它访问电脑内存(RAM)来达成下列几个功能：

1. 运行需要执行的字节码(代码)
2. 存储程序运行时候所需的数据
3. 加载程序运行所需的运行时环境

上面用来存储程序运行时所需的数据，就是下面要说的堆(heap)和栈(stack)。

栈(stack)

顾名思义，是一种先进后出的结构，参考一下餐盘的取和放。

俄罗斯套娃，我这不禁

栈的特点

• 由于先进后出性质，在数据的处理上栈有着很好的速度，因为只需从最顶部压栈和出栈就好了，简单明了。
• 不过，存储在栈中的数据必须是大小有限，生存期确定。
• 函数执行的时候会创建一个明确的栈，并压入，而当执行期间会存储函数内的所有数据，这就是栈帧。个人感觉可以理解为当前执行函数的快照。
• 多线程应用程序有多个栈。
• 栈的操作系统自动分配或释放。
• 存储在栈中的常见类型有：局部变量(值类型、基本类型、常量)、指针和函数
• 还记得平常偶尔遇到的stack overflow error吗？这是因为与堆相比，栈的大小受到了限制。大多属语言都是都是这样。

堆(heap)

堆常用来动态内存分配，程序在堆中寻找数据需要使用指针。

堆的特点

• 效率不如栈，但是可以存储更多的数据
• 可存储大小不确定的数据，如运行时确定
• 应用程序中多线程共享堆数据
• 堆由人工操作，故管理起来很棘手，可能会引起内存泄漏等问题，所以有很多语言有gc机制
• 存储在堆中的常见类型有：全局变量、引用类型和其他复杂的数据结构
• 这就是为什么你会遇到out of memory errors这类问题，因为用户的胡乱分配或者未销毁
• 我们分配给堆的数据其实并没有大小限制，理论上来说你可以分配无穷大的数据。当然如果这样你也得为应用程序分配这么多的内存。 -_-

内存堆栈 与 数据结构堆栈的区别

	内存	数据结构
堆	new一个对象的引用或地址存储在栈区，指向该对象存储在堆区中的真实数据。由程序员分配和回收	是一棵完全二叉树结构
栈	存储运行方法的形参、局部变量、返回值。由系统自动分配和回收。	是一种连续存储的数据结构，特点是存储的数据先进后出

内存管理的重要性

与硬盘不同，内存大小有限的，并且往往不是很大。所以说，如果在没有释放无用内存的情况下，无休止的继续消耗内存空间，那么就会造成内存不足甚至操作系统崩溃。。。
所以，以为这种情况，许多语言都提供自动内存管理。并且由于栈是由系统操控，所以我们接下来讨论的自动内存管理主要是堆。

写到这，我想说，我有点不认识堆这个字了。。。

不同的内存管理方法

因为现在语言开发者们不想给使用者增加内存管理的负担(或者说是不相信他们能处理好。。)，所以设计出自动管理内存的方式。并且很多语言设计出多种方法去自动管理内存，以供开发者选择。下面一一介绍。

手动内存管理

语言默认不管理内存，比如C、C++，他们提供malloc、realloc、calloc和free等，但是这不是适用于所有人。

GC (Garbage collection)

通过释放无用的内存空间去管理堆内存，gc是当前编程中最常见的一种内存自动管理方法，不过大量处理会造成线程卡主，所以利用碎片时间进行。
使用gc的语言有JVM、javascript、C#、Golang、OCaml和ruby。

Mark & Sweep GC

又名： tracing GC。有两个阶段，第一阶段标记那些应该处于活跃状态的数据，下个阶段释放不被引用的数据。
例如JVM、C#、RubyJavaScript和Golang都采用这种方法。
V8引擎还会使用Reference counting GC去弥补，这种gc也可以用于C、C++作为外部库，

Reference counting GC

引用计数内存管理。使用数字代表当前数据是否可回收，数字会根据引用和失去引用而改变，当为0的时候即被回收。但是这种无法处理循环引用。

Resource Acquisition is Initialization (RAII)

由c++之父Bjarne Stroustrup提出，中文翻译为资源获取即初始化。
这种类型的内存管理，对象的内存分配与它的声明周期有关，其核心是把资源和对象的生命周期绑定，对象创建获取资源，对象销毁释放资源。在RAII的指导下，C++把底层的资源管理问题提升到了对象生命周期管理的更高层次。在C++中引入，Ada和Rust也有在用。

Automatic Reference Counting(ARC)

自动引用计数。是苹果公司的Objective-C程序的一种自动内存管理机制。
类似于引用计数，但是代替以特定间隔运行，将保留和释放命令插入到代码中，当计数为0时，自动触发， 无需程序暂停。当然ARC依然不能处理循环引用。需要开发者使用某些关键字去处理。

Ownership

所有权是Rust的突破功能. 它使Rust可以完全内存安全且高效，同时避免垃圾回收。
Rust语言的ownership是rust语言的核心，rust语言之所以被称之为安全的面向系统级别的编程语言 正是由此特性决定的。

rust指南

小结

到目前为止，我们简单介绍了内存管理的相关内容，每个语言都有特定的机制，统统不同的算法达到不同的目标，接下里我们来聊聊V8.

V8引擎

V8在运行之前将JavaScript编译成了机器代码，而非字节码或是解释执行它，以此提升性能。V8使用C++书写，可以嵌入到任何C++应用程序中。

V8内存结构

首先，让我们看下V8引擎内存结构长什么样：

由于js是单线程的，所以node依然会为每个js环境提供单线程环境。如果你在服务端使用，他会为每个服务提供一个进程。在V8程序中，应用程序始终被分配的内存代表。这种内存成为常驻集。如上图所示。

V8中的堆内存

这里用来存储对象和动态数据，这是内存中最大的区域，并且是GC工作的地方。不过，并不是所有的堆内存都可以进行GC，只有新生代和老生代被gc管理。堆可以进一步细分为下面这样：

• 新生代空间：是最新产生的数据存活的地方，这些数据往往都是短暂的。这个空间被一分为二，然后被Scavenger(Minor GC)所管理。稍后会介绍。可以通过V8标志如 --max_semi_space_size 或 --min_semi_space_size 来控制新生代空间大小
• 老生代空间：是从新生代空间经过至少两轮Minor GC仍然存活下来的数据，该空间被Major GC(Mark-Sweep & Mark-Compact)管理，稍后会介绍。可以通过 --initial_old_space_size 或 --max_old_space_size控制空间大小。
  1. Old pointer space： 存活下来的包含指向其他对象指针的对象
  2. Old data space： 存活下来的只包含数据的对象。
• 大对象空间： 这是比空间大小还要大的对象，大对象不会被gc处理。
• 代码空间：这里是JIT所编译的代码。这是除了在大对象空间中分配代码并执行之外的唯一可执行的空间。
• map空间：存放 Cell 和 Map，每个区域都是存放相同大小的元素，结构简单。

V8内存管理剖析

到目前为止，我们大概了解了内存的各空间组织方式，接下来，让我们看看当程序执行时内存的重要性。

少bb，看代码：

class Employee {
    constructor(name, salary, sales) {
        this.name = name;
        this.salary = salary;
        this.sales = sales;
    }
}

const BONUS_PERCENTAGE = 10;

function getBonusPercentage(salary) {
    const percentage = (salary * BONUS_PERCENTAGE) / 100;
    return percentage;
}

function findEmployeeBonus(salary, noOfSales) {
    const bonusPercentage = getBonusPercentage(salary);
    const bonus = bonusPercentage * noOfSales;
    return bonus;
}

let john = new Employee("John", 5000, 5);
john.bonus = findEmployeeBonus(john.salary, john.sales);
console.log(john.bonus);

点击此处查看代码执行过程中，内存空间的展示

大白话解释一下：
全局向下文像一个快照一样保存在栈上，每一次函数调用也会将一个快照放到栈中，包括函数的局部变量，参数和返回值。
基本类型保存在栈中，对象、复杂类型或者引用类型保存在堆中。
任何函数的调用都会在栈顶被压入。
一旦主进程完成所有任务，堆中的对象便不会被引用而孤立。

随着我们程序的运行，堆中的数据会越来越多，因为无人看管，栈由系统自动管理，所以无需操心。
所以，为了管理堆空间，垃圾回收机制进场了。

V8内存管理：GC

我们知道V8如何分配内存空间，接下来让我们看看V8是如何管理堆空间的。

举个简单的例子，V8会释放被孤立的对象，被孤立的对象一般指，不直接或间接被引用的对象，这样就为新对象腾出了空间。

因此，V8垃圾回收机制代表着：回收未使用内存供V8进行复用。

具体的实现如下：

Minor GC (Scavenger)

清道夫GC，主要管理新生代空间，保证新生代空间的紧凑和干净。所有的对象都会分配到新生代空间，新生代空间相对较小。大约在1M ~ 8M，可以通过命令控制。

该GC流程大致是这样：
新生代空间由两个等分的空间组成，to-space和from-space，可以把这两个名字理解为阶段(当前使用 和 当前未使用)，而不是名字。当当前使用没有更多内存后，触发Minor GC。
比如，当当前使用没有更多空间了，这时候，新增了一个待分配空间对象，Minor GC会吧当前未使用切换为当前使用，然后将之前已满负荷的空间中的数据，根据是否存活整理到新的、空的当前使用中。存活的就放过去，非存活的就扔掉。并且在移动存活数据的时候，会紧凑摆放，避免空间浪费。最后吧待分配空间对象，分配到新的当前使用中。
当更多的待分配空间进来时，会重复上面流程，但是如果一个数据存活两次以上，它就会被扔到老生代空间。以保证新生代空间的新。

上面的过程可以用一个例子来概括：
小明去网吧，第一次去，有位置，直接上机。没位置，得等老板清理下到时间的机器，然后再上机。这种到时间的一般是没办卡的(非存活)。
第二次去，还是上面的流程。
第N次去，小明也办了张卡(存活)
如果小明的卡到期了，那么他也就失活了。

上面所述过程，一定要参考下这个流程图!!!

Major GC(Mark-Sweep & Mark-Compact)

该GC主要负责老生代空间的紧凑和清理。当V8知道老生代空间无更多空间的时候就会触发这个GC。上面的清道夫GC对于体积小的数据来说是完美的，但是对于体积大的来说，非也。一种更好的方式是：标记-扫描-紧凑算法，顾名思义，一共是三步。

不多解释。自己看图吧。

总结

以上介绍了内存的堆栈，也对比了数据结构的堆栈。
之后简析了几种GC方式和V8的具体实现。
更多深入的内容欢迎交流，互相学习。

参考

memory-management
V8内存简析
内存和数据堆栈