深入理解V8的垃圾回收原理

Posted 2023-04-26

参考技术A V8的垃圾回收策略基于分代回收机制，该机制又基于 世代假说 。该假说有两个特点：

基于这个理论，现代垃圾回收算法根据对象的存活时间将内存进行了分代，并对不同分代的内存采用不同的高效算法进行垃圾回收。

在V8中，将内存分为了新生代（new space）和老生代（old space）。它们特点如下：

V8堆的空间等于新生代空间加上老生代空间。我们可以通过 --max-old-space-size 命令设置老生代空间的最大值， --max-new-space-size 命令设置新生代空间的最大值。老生代与新生代的空间大小在程序初始化时设置，一旦生效则不能动态改变。

默认设置下，64位系统的老生代大小为1400M，32位系统为700M。
对于新生代，它由两个 reserved_semispace_size 组成。每个 reserved_semispace_size 的大小在不同位数的机器上大小不同。默认设置下，在64位与32位的系统下分别为16MB和8MB。我们将新生代、老生代、 reserved_semispace_size 空间大小总结如下表。

在介绍垃圾回收算法之前，我们先了解一下「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，这种行为称为 「全停顿」（Stop The World）。例如，如果一次GC需要50ms，应用逻辑就会暂停50ms。

全停顿的目的，是为了解决应用逻辑与垃圾回收器看到的情况不一致的问题。举个例子，在自助餐厅吃饭，高高兴兴地取完食物回来时，结果发现自己餐具被服务员收走了。这里，服务员好比垃圾回收器，餐具就像是分配的对象，我们就是应用逻辑。在我们看来，只是将餐具临时放在桌上，但是服务员看来觉得你已经不需要使用了，因此就收走了。你与服务员对于同一个事物看到的情况是不一致，导致服务员做了与我们不期望的事情。因此，为避免应用逻辑与垃圾回收器看到的情况不一致，垃圾回收算法在执行时，需要停止应用逻辑。

新生代中的对象主要通过 Scavenge 算法进行垃圾回收。Scavenge 的具体实现，主要采用了Cheney算法。

Cheney算法采用复制的方式进行垃圾回收。它将堆内存一分为二，每一部分空间称为 semispace。这两个空间，只有一个空间处于使用中，另一个则处于闲置。使用中的 semispace 称为 「From 空间」，闲置的 semispace 称为 「To 空间」。

过程如下：

对象晋升的条件有两个：

1）对象是否经历过Scavenge回收。对象从 From 空间复制 To 空间时，会检查对象的内存地址来判断对象是否已经经过一次Scavenge回收。若经历过，则将对象从 From 空间复制到老生代中；若没有经历，则复制到 To 空间。

2）To 空间的内存使用占比是否超过限制。当对象从From 空间复制到 To 空间时，若 To 空间使用超过 25%，则对象直接晋升到老生代中。设置为25%的比例的原因是，当完成 Scavenge 回收后，To 空间将翻转成From 空间，继续进行对象内存的分配。若占比过大，将影响后续内存分配。

对象晋升到老生代后，将接受新的垃圾回收算法处理。下图为Scavenge算法中，对象晋升流程图。

Scavenge 算法的缺点是，它的算法机制决定了只能利用一半的内存空间。但是新生代中的对象生存周期短、存活对象少，进行对象复制的成本不是很高，因而非常适合这种场景。

老生代中的对象有两个特点，第一是存活对象多，第二个存活时间长。若在老生代中使用 Scavenge 算法进行垃圾回收，将会导致复制存活对象的效率不高，且还会浪费一半的空间。因而，V8在老生代采用Mark-Sweep 和 Mark-Compact 算法进行垃圾回收。

Mark-Sweep，是标记清除的意思。它主要分为标记和清除两个阶段。

与 Scavenge 算法不同，Mark-Sweep 不会对内存一分为二，因此不会浪费空间。但是，经历过一次 Mark-Sweep 之后，内存的空间将会变得不连续，这样会对后续内存分配造成问题。比如，当需要分配一个比较大的对象时，没有任何一个碎片内支持分配，这将提前触发一次垃圾回收，尽管这次垃圾回收是没有必要的。

为了解决内存碎片的问题，提高对内存的利用，引入了 Mark-Compact （标记整理）算法。Mark-Compact 是在 Mark-Sweep 算法上进行了改进，标记阶段与Mark-Sweep相同，但是对未标记的对象处理方式不同。与Mark-Sweep是对未标记的对象立即进行回收，Mark-Compact则是将存活的对象移动到一边，然后再清理端边界外的内存。

由于Mark-Compact需要移动对象，所以执行速度上，比Mark-Sweep要慢。所以，V8主要使用Mark-Sweep算法，然后在当空间内存分配不足时，采用Mark-Compact算法。

在新生代中，由于存活对象少，垃圾回收效率高，全停顿时间短，造成的影响小。但是老生代中，存活对象多，垃圾回收时间长，全停顿造成的影响大。为了减少全停顿的时间，V8对标记进行了优化，将一次停顿进行的标记过程，分成了很多小步。每执行完一小步就让应用逻辑执行一会儿，这样交替多次后完成标记。如下图所示：

长时间的GC，会导致应用暂停和无响应，将会导致糟糕的用户体验。从2011年起，v8就将「全暂停」标记换成了增量标记。改进后的标记方式，最大停顿时间减少到原来的1/6。

垃圾回收的原理较为复杂，在理解上需要花费一些功夫。了解GC原理，有助于我们对NodeJS项目进行性能瓶颈定位与调优。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%。

垃圾回收是影响服务性能的因素之一，为了提高服务性能，应尽量减少垃圾回收的次数。

V8堆内存最大值在64位系统上为1464MB，在32位系统上为732MB。计算公式如下：

深入理解java垃圾回收机制

深入理解java垃圾回收机制----

一、垃圾回收机制的意义

Java语言中一个显著的特点就是引入了垃圾回收机制，使c++程序员最头疼的内存管理的问题迎刃而解，它使得Java程序员在编写程序的时候不再需要考虑内存管理。由于有个垃圾回收机制，Java中的对象不再有“作用域”的概念，只有对象的引用才有“作用域”。垃圾回收可以有效的防止内存泄露，有效的使用空闲的内存。

ps:内存泄露是指该内存空间使用完毕之后未回收，在不涉及复杂数据结构的一般情况下，Java 的内存泄露表现为一个内存对象的生命周期超出了程序需要它的时间长度，我们有时也将其称为“对象游离”。

二、垃圾回收机制中的算法

Java语言规范没有明确地说明JVM使用哪种垃圾回收算法，但是任何一种垃圾回收算法一般要做2件基本的事情：（1）发现无用信息对象；（2）回收被无用对象占用的内存空间，使该空间可被程序再次使用。

1.引用计数法(Reference Counting Collector)

1.1算法分析　

引用计数是垃圾收集器中的早期策略。在这种方法中，堆中每个对象实例都有一个引用计数。当一个对象被创建时，且将该对象实例分配给一个变量，该变量计数设置为1。当任何其它变量被赋值为这个对象的引用时，计数加1（a = b,则b引用的对象实例的计数器+1），但当一个对象实例的某个引用超过了生命周期或者被设置为一个新值时，对象实例的引用计数器减1。任何引用计数器为0的对象实例可以被当作垃圾收集。当一个对象实例被垃圾收集时，它引用的任何对象实例的引用计数器减1。

1.2优缺点

优点：

引用计数收集器可以很快的执行，交织在程序运行中。对程序需要不被长时间打断的实时环境比较有利。

缺点：

无法检测出循环引用。如父对象有一个对子对象的引用，子对象反过来引用父对象。这样，他们的引用计数永远不可能为0.

1.3引用计数算法无法解决循环引用问题，例如：

public class Main {public static void main(String[] args) {
MyObject object1 = new MyObject();
MyObject object2 = new MyObject();
object1.object = object2;
object2.object = object1;
object1 = null;
object2 = null;
}
}

最后面两句将object1和object2赋值为null，也就是说object1和object2指向的对象已经不可能再被访问，但是由于它们互相引用对方，导致它们的引用计数器都不为0，那么垃圾收集器就永远不会回收它们。

2.tracing算法(Tracing Collector) 或 标记-清除算法(mark and sweep)

2.1根搜索算法

根搜索算法是从离散数学中的图论引入的，程序把所有的引用关系看作一张图，从一个节点GC ROOT开始，寻找对应的引用节点，找到这个节点以后，继续寻找这个节点的引用节点，当所有的引用节点寻找完毕之后，剩余的节点则被认为是没有被引用到的节点，即无用的节点。

java中可作为GC Root的对象有

1.虚拟机栈中引用的对象（本地变量表）

2.方法区中静态属性引用的对象

3. 方法区中常量引用的对象

4.本地方法栈中引用的对象（Native对象）

2.2tracing算法的示意图

2.3标记-清除算法分析

标记-清除算法采用从根集合进行扫描，对存活的对象对象标记，标记完毕后，再扫描整个空间中未被标记的对象，进行回收，如上图所示。标记-清除算法不需要进行对象的移动，并且仅对不存活的对象进行处理，在存活对象比较多的情况下极为高效，但由于标记-清除算法直接回收不存活的对象，因此会造成内存碎片。

3.compacting算法 或 标记-整理算法

标记-整理算法采用标记-清除算法一样的方式进行对象的标记，但在清除时不同，在回收不存活的对象占用的空间后，会将所有的存活对象往左端空闲空间移动，并更新对应的指针。标记-整理算法是在标记-清除算法的基础上，又进行了对象的移动，因此成本更高，但是却解决了内存碎片的问题。在基于Compacting算法的收集器的实现中，一般增加句柄和句柄表。

4.copying算法(Compacting Collector)

该算法的提出是为了克服句柄的开销和解决堆碎片的垃圾回收。它开始时把堆分成 一个对象 面和多个空闲面， 程序从对象面为对象分配空间，当对象满了，基于copying算法的垃圾 收集就从根集中扫描活动对象，并将每个 活动对象复制到空闲面(使得活动对象所占的内存之间没有空闲洞)，这样空闲面变成了对象面，原来的对象面变成了空闲面，程序会在新的对象面中分配内存。一种典型的基于coping算法的垃圾回收是stop-and-copy算法，它将堆分成对象面和空闲区域面，在对象面与空闲区域面的切换过程中，程序暂停执行。

5.generation算法(Generational Collector)

分代的垃圾回收策略，是基于这样一个事实：不同的对象的生命周期是不一样的。因此，不同生命周期的对象可以采取不同的回收算法，以便提高回收效率。

年轻代（Young Generation）

1.所有新生成的对象首先都是放在年轻代的。年轻代的目标就是尽可能快速的收集掉那些生命周期短的对象。

2.新生代内存按照8:1:1的比例分为一个eden区和两个survivor(survivor0,survivor1)区。一个Eden区，两个 Survivor区(一般而言)。大部分对象在Eden区中生成。回收时先将eden区存活对象复制到一个survivor0区，然后清空eden区，当这个survivor0区也存放满了时，则将eden区和survivor0区存活对象复制到另一个survivor1区，然后清空eden和这个survivor0区，此时survivor0区是空的，然后将survivor0区和survivor1区交换，即保持survivor1区为空， 如此往复。

3.当survivor1区不足以存放 eden和survivor0的存活对象时，就将存活对象直接存放到老年代。若是老年代也满了就会触发一次Full GC，也就是新生代、老年代都进行回收

4.新生代发生的GC也叫做Minor GC，MinorGC发生频率比较高(不一定等Eden区满了才触发)

年老点（Old Generation）

1.在年轻代中经历了N次垃圾回收后仍然存活的对象，就会被放到年老代中。因此，可以认为年老代中存放的都是一些生命周期较长的对象。

2.内存比新生代也大很多(大概比例是1:2)，当老年代内存满时触发Major GC即Full GC，Full GC发生频率比较低，老年代对象存活时间比较长，存活率标记高。

持久代（Permanent Generation）

用于存放静态文件，如Java类、方法等。持久代对垃圾回收没有显著影响，但是有些应用可能动态生成或者调用一些class，例如Hibernate 等，在这种时候需要设置一个比较大的持久代空间来存放这些运行过程中新增的类。

三.GC（垃圾收集器）

新生代收集器使用的收集器：Serial、PraNew、Parallel Scavenge

老年代收集器使用的收集器：Serial Old、Parallel Old、CMS

Serial收集器（复制算法)

新生代单线程收集器，标记和清理都是单线程，优点是简单高效。

Serial Old收集器(标记-整理算法)

老年代单线程收集器，Serial收集器的老年代版本。

ParNew收集器(停止-复制算法)　

新生代收集器，可以认为是Serial收集器的多线程版本,在多核CPU环境下有着比Serial更好的表现。

Parallel Scavenge收集器(停止-复制算法)

并行收集器，追求高吞吐量，高效利用CPU。吞吐量一般为99%， 吞吐量= 用户线程时间/(用户线程时间+GC线程时间)。适合后台应用等对交互相应要求不高的场景。

Parallel Old收集器(停止-复制算法)

Parallel Scavenge收集器的老年代版本，并行收集器，吞吐量优先

CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器（标记-清理算法）

高并发、低停顿，追求最短GC回收停顿时间，cpu占用比较高，响应时间快，停顿时间短，多核cpu 追求高响应时间的选择

四、GC的执行机制

由于对象进行了分代处理，因此垃圾回收区域、时间也不一样。GC有两种类型：Scavenge GC和Full GC。

Scavenge GC

一般情况下，当新对象生成，并且在Eden申请空间失败时，就会触发Scavenge GC，对Eden区域进行GC，清除非存活对象，并且把尚且存活的对象移动到Survivor区。然后整理Survivor的两个区。这种方式的GC是对年轻代的Eden区进行，不会影响到年老代。因为大部分对象都是从Eden区开始的，同时Eden区不会分配的很大，所以Eden区的GC会频繁进行。因而，一般在这里需要使用速度快、效率高的算法，使Eden去能尽快空闲出来。

Full GC

对整个堆进行整理，包括Young、Tenured和Perm。Full GC因为需要对整个对进行回收，所以比Scavenge GC要慢，因此应该尽可能减少Full GC的次数。在对JVM调优的过程中，很大一部分工作就是对于FullGC的调节。有如下原因可能导致Full GC：

1.年老代（Tenured）被写满

2.持久代（Perm）被写满

3.System.gc()被显示调用

4.上一次GC之后Heap的各域分配策略动态变化

五、Java有了GC同样会出现内存泄露问题

1.静态集合类像HashMap、Vector等的使用最容易出现内存泄露，这些静态变量的生命周期和应用程序一致，所有的对象Object也不能被释放，因为他们也将一直被Vector等应用着。

Static Vector v = new Vector(); for (int i = 1; i<100; i++) 
{Object o = new Object();v.add(o);o = null; 
}

在这个例子中，代码栈中存在Vector 对象的引用 v 和 Object 对象的引用 o 。在 For 循环中，我们不断的生成新的对象，然后将其添加到 Vector 对象中，之后将 o 引用置空。问题是当 o 引用被置空后，如果发生 GC，我们创建的 Object 对象是否能够被 GC 回收呢？答案是否定的。因为， GC 在跟踪代码栈中的引用时，会发现 v 引用，而继续往下跟踪，就会发现 v 引用指向的内存空间中又存在指向 Object 对象的引用。也就是说尽管o 引用已经被置空，但是 Object 对象仍然存在其他的引用，是可以被访问到的，所以 GC 无法将其释放掉。如果在此循环之后， Object 对象对程序已经没有任何作用，那么我们就认为此 Java 程序发生了内存泄漏。

2.各种连接，数据库连接，网络连接，IO连接等没有显示调用close关闭，不被GC回收导致内存泄露。

3.监听器的使用，在释放对象的同时没有相应删除监听器的时候也可能导致内存泄露。