V8 内存管理和垃圾回收机制总结

Posted 2021-03-26 ysk123

这篇文章主要介绍 V8 的内存管理和垃圾回收知识。

V8 内存管理及垃圾回收机制浅析

由于 V8 引擎的原因，Node 在操作大内存对象时受到了一些限制，在 64 位的机器上，默认最大操作的对象大小约为 1.4G，在 32 位的机器上，默认最大操作的对象大小约为 0.7G。

如果我们的 Node 程序会经常操作一些大内存的对象，可以对这个默认值进行修改：

node --max-old-space-size=1700 index.js
node --max-new-space-size=1024 index.js

其中，max-old-space-size 表示设置老生代内存空间的最大容量，max-new-space-size 表示这只新生代内存空间的最大容量。但这两个值也是有上限的，不能无限设置，其中老生代内存空间最大的值约为 1.7G，新生代最大内存空间约为 1.0G。

至于新生代和老生代，这是 V8 对内存的一个分类，后文再介绍。

回到操作大内存对象的问题，如果 1.7G 的内存还是不够大怎么办呢？要知道 1.7G 是在 V8 引擎层面上做出的限制，要想避开这种限制，我们可以使用 Buffer 对象，Buffer 对象的内存分配在 C++ 层面进行，不受 V8 引擎限制。

注：通过 process.memoryUsage() 方法可以用来查看 V8 引擎的内存使用量，通过 os.totalmem() 方法和 os.freemem() 方法分别可以查看操作系统的总内存和空闲内存。

// 查看 V8 的内存使用情况
process.memoryUsage()
{ 
  rss: 31469568,
  heapTotal: 7708672,
  heapUsed: 5152856,
  external: 8609 
}

// 查看操作系统总内存
os.totalmem()
8279511040
// 查看操作系统的空闲内存
os.freemem()
1610977280

通过上面几个方法获取到的内存都是以字节为单位。

新生代和老生代

V8 将内存分为两类：新生代内存空间和老生代内存空间，新生代内存空间主要用来存放存活时间较短的对象，老生代内存空间主要用来存放存活时间较长的对象。对于垃圾回收，新生代和老生代有各自不同的策略，下面依次进行介绍。

新生代垃圾回收

新生代内存中的垃圾回收主要通过 Scavenge 算法进行，具体实现时主要采用了 Cheney 算法。Cheney 将内存空间一分为二，每部分都叫做一个 Semispace，这两个 Semispace 一个处于使用，一个处于闲置。处于使用中的 Semispace 也叫作 From，处于闲置中的 Semispace 也叫作 To。

在垃圾回收运行时时，会检查 From 中的对象，当某个对象需要被回收时，将其留在 From 空间，剩下的对象移动到 To 空间，然后进行反转，将 From 空间和 To 空间互换。进行垃圾回收时，会将 To 空间的内存进行释放，如下图所示：

新生代垃圾回收.png

简而言之，就是 From 空间中存放不需要被回收的对象，To 空间中存放需要被回收的对象，当垃圾回收运行时，将 To 空间中的对象全部进行回收。

新生代对象的晋升

前面说过，新生代内存空间用来存放存活时间较短的对象，老生代内存空间用来存放存活时间较长的对象。新生代中的对象可以晋升到老生代中，具体有两种方式：

1. 在垃圾回收的过程中，如果发现某个对象之前被清理过，那么会将其晋升到老生代内存空间中
2. 在 From 空间和 To 空间进行反转的过程中，如果 To 空间中的使用量已经超过了 25%，那么就将 From 中的对象直接晋升到老生代内存空间中

老生代垃圾回收

说完新生代的垃圾回收，再来看下老生代中的垃圾回收。首先，老生代内存空间和新生代内存空间的结构不一样，其是一个连续的结构，而不像新生代内存空间那样分为 From 和 To 两个部分：

老生代内存空间.png

老生代内存空间中的垃圾回收有标记清除（Mark Sweep）和标记合并（Mark Compact）两种方式。

Mark Sweep

Mark Sweep 是将需要被回收的对象进行标记，在垃圾回收运行时直接释放相应的地址空间，如下图所示(红色的内存区域表示需要被回收的区域)：

标记清除.png

如上图所示，使用 Mark Sweep 进行垃圾回收会产生一个问题，就是垃圾回收后内存会出现不连续的情况，为了解决这个问题，出现了 Mark Compact 方案。

Mark Compact

Mark Compact 的思想有点像新生代垃圾回收时采取的 Cheney 算法：将存活的对象移动到一边，将需要被回收的对象移动到另一边，然后对需要被回收的对象区域进行整体的垃圾回收。

标记合并.png

上图展示了在老生代内存空间使用 Mark Compact 进行垃圾回收的过程。

总结

本文主要简单介绍了 Node 的内存管理和垃圾回收相关的知识：

• V8 的大对象操作限制问题和解决方案
• 获取内存使用量的几个方法
• 新生代和老生代的概念
• 新生代和老生代的垃圾回收方案

附：参考资料
V8的垃圾回收机制与内存限制
node 内存限制的问题
node内存控制

完。