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一、前言

在相當長一段時間里幽七，JS運行時的內(nèi)存問題都不被前端開發(fā)人員所關注景殷。
一方面，日常開發(fā)中基本不會遇上需要對內(nèi)存精準控制的場景澡屡，另一方面猿挚，寫JS不需要像寫 C/C++ 那樣在開發(fā)過程中隨時關注內(nèi)存的分配和釋放問題。

隨著生態(tài)的逐漸完善驶鹉，JS的執(zhí)行環(huán)境也不再局限于瀏覽器中绩蜻。目前，JS主要的執(zhí)行場景包括服務端（NodeJS室埋、Deno）办绝、桌面端（Electron）伊约、瀏覽器（Chrome、Microsoft Edge）孕蝉。

其中屡律，JS執(zhí)行引擎 V8 因其優(yōu)異的性能表現(xiàn)，已經(jīng)成為主流昔驱。因此疹尾，本文對JS內(nèi)存管理模型的研究也將基于V8展開。

二骤肛、內(nèi)存結構

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上圖展示了V8引擎的內(nèi)存結構纳本，整體上分成兩部分：

2.1 堆內(nèi)存

這里是存儲對象或動態(tài)數(shù)據(jù)的地方，也是占比最大的內(nèi)存區(qū)域腋颠。堆內(nèi)可以細分以下區(qū)域：

• 新生代(Young generation) 新生代是新對象存在的地方繁成，這些對象中的大多數(shù)都是短暫存在的。
  這部分空間很惺缑怠（默認情況下 16~32M）巾腕，并且拆分成了兩個空間。
  空間使用 Minor GC (Scavenger) 進行垃圾回收絮蒿。
• 老生代(Old generation) 新生代中經(jīng)歷了兩個Minor GC 周期的對象會被轉(zhuǎn)移到老生代中存放尊搬。這里占據(jù)著大量的內(nèi)存空間（默認情況下 700~1400M）
  空間使用 Major GC(Mark-Sweep & Mark-Compact) 進行垃圾回收。
• 大對象區(qū)(LARGE OBJECT SPACE) 超過一定大小的對象會直接在大對象區(qū)中被創(chuàng)建土涝，并在不被使用時將其直接回收佛寿。
• 代碼區(qū)(CODE SPACE) 這是 即時編譯器（JIT） 存儲編譯代碼塊的地方。
• 其他區(qū)(CELL, PROPERTY CELL,MAP SPACE) 這些空間存放大小相同的對象但壮，并且對它們指向的對象類型有一些限制冀泻。
  比如MAP SPACE里存放的是hidden class信息，這能讓V8快速定位到對象值所在的內(nèi)存區(qū)蜡饵。

2.2 棧內(nèi)存

棧是用來存儲靜態(tài)數(shù)據(jù)的地方弹渔，內(nèi)容主要包括：

• 基本類型（Number, Boolean, String, Null, Undefined, Symbol, BigInt） 對于基本類型，系統(tǒng)會為新的變量在棧內(nèi)存中分配一個新值溯祸。
• 引用類型 系統(tǒng)會為新的變量在棧內(nèi)存中分配一個值肢专，這個值是一個對象的引用。
• 調(diào)用棧 解釋器創(chuàng)建了調(diào)用棧來記錄函數(shù)的調(diào)用過程焦辅。
  每調(diào)用一個函數(shù)鸟召，解釋器就把該函數(shù)添加進調(diào)用棧，解釋器會為被添加進來的函數(shù)創(chuàng)建一個棧幀（用來保存函數(shù)的局部變量以及執(zhí)行語句）并立即執(zhí)行氨鹏。
  如果正在執(zhí)行的函數(shù)還調(diào)用了其他函數(shù)，新函數(shù)會繼續(xù)被添加進入調(diào)用棧压状。

三仆抵、內(nèi)存回收

棧內(nèi)存 其實是由操作系統(tǒng)進行自動管理的跟继，本文不做討論。

堆內(nèi)存 由V8進行管理镣丑，它占據(jù)最大的內(nèi)存空間舔糖，并且隨著程序運行時間的增加可能會持續(xù)增長，最終耗盡內(nèi)存莺匠。它也會變得碎片化金吗，影響程序運行的速度。這時內(nèi)存回收的重要性就體現(xiàn)出來了趣竣。

要進行內(nèi)存回收摇庙，需要先明確一個問題：什么樣的數(shù)據(jù)可以被回收。

V8通過回收 不可達對象 來釋放堆內(nèi)存遥缕，整個回收過程總體可以分為 標記 和 回收 兩個階段卫袒，涉及到的原理是 三色標記 和 分代回收 。

3.1 新生代

從 2.1堆內(nèi)存 小節(jié)中我們知道单匣，新生代被拆分成兩個小空間夕凝，使用 Minor GC (Scavenger) 進行垃圾回收。Minor GC (Scavenger) 我們可以簡稱為次要GC户秤。

兩個拆分出來的空間分別稱之為 to-space 和 from-space码秉。新加入的對象都會存放到from-space，當from-space被填滿時鸡号，會觸發(fā)次要GC转砖。

GC過程：

1. 標記 從堆棧指針開始遞歸遍歷 from-space 中的對象圖查找 活躍對象。
2. 復制 將這些對象復制到 to-space 中（包括被這些對象引用的所有對象）膜蠢。
   重復此操作堪藐，直到掃描 from-space 中的所有對象。另外挑围，to-space 會分配連續(xù)的內(nèi)存塊礁竞，以減少碎片。
3. 清除 清空 from-space杉辙，因為此時剩余的對象都是可回收的模捂。
4. 交換 將 to-space 和 from-space 互換，即 to-space 變成 from-space蜘矢。

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回收的最后一步是更新引用已移動的原始對象的指針狂男。每個被復制的對象都會留下一個新地址，用于更新原始指針以指向新位置品腹。

此時還存在一個問題：隨著活躍對象的累積岖食，from-space 很快會被填滿。

這時就輪到老生代出場了舞吭，在新生代中經(jīng)歷兩次GC并存活下來的對象泡垃，會被轉(zhuǎn)移到老生代析珊，這個過程被稱為晉升。如下圖：

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至此蔑穴，新生代一次完整的垃圾回收就完成了忠寻。

3.2 老生代

在老生代中，垃圾回收為主要GC（Major GC）存和，包含了 標記清除（Mark-Sweep） 和 標記整理（Mark-Compact）奕剃。

GC過程：

1. 標記 垃圾收集器識別哪些對象正在使用，哪些對象未使用捐腿。正在使用或可從GC根域遞歸訪問的對象被標記為活躍對象纵朋。
2. 清除 清除未被標記為活躍對象的數(shù)據(jù)。
3. 整理 如果碎片較多叙量，會將存活的對象移動到一起倡蝙，減少碎片提高內(nèi)存使用率。

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3.3 三色標記

之前提到绞佩，垃圾回收時會先標記 活躍對象 來區(qū)分對象是否應該被回收寺鸥，這里就涉及到了三色標記算法。

標記位有三種顏色：

• 白色 對象未被標記品山。
• 灰色 對象已經(jīng)被標記胆建，但對象內(nèi)屬性還未遍歷完成。
• 黑色 對象已經(jīng)被標記肘交，且對象內(nèi)的屬性也已完成遍歷（活躍對象）笆载。

標記過程：

1. 開始標記
   初始所有對象都是白色，當收集器發(fā)現(xiàn)白色對象并將其推送到標記工作列表時涯呻，會將其標記成灰色凉驻。
   
   01.jpg

2. 標記完成對象
   當收集器訪問目標對象的所有字段后，會將對象的顏色由灰色變?yōu)楹谏?br>
   02.jpg

3. 標記結束
   當沒有灰色對象時复罐，代表標記結束涝登。此時剩余的白色對象表示無法訪問，可以被回收效诅。
   
   03.jpg

經(jīng)歷過以上三步胀滚，一次完整的標記過程就完成了。

3.4 回收優(yōu)化

現(xiàn)在我們知道乱投，一次垃圾回收總需要經(jīng)歷 標記咽笼，回收，整理 等階段戚炫。

事實上剑刑，整個垃圾回收的過程是非常耗時的，比如光是標記整個堆內(nèi)存的活躍對象可能就要花費數(shù)百毫秒双肤，并且期間會阻塞程序的正常的執(zhí)行施掏。

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對此层宫，V8也在持續(xù)優(yōu)化，目前主要的優(yōu)化方式有：

• 增量標記
  通過將標記任務拆分成一系列小任務其监，確保每次標記任務的持續(xù)時間在 5~10 毫秒。
  當堆的占用空間達到某個閾值大小時限匣，開始激活標記任務抖苦，此后每分配一定量的內(nèi)存，就會執(zhí)行增量標記米死。
  增量標記與常規(guī)標記一樣锌历，本質(zhì)上都是深度優(yōu)先搜索，同樣使用的是三色標記算法峦筒。

• 并行 & 并發(fā)

  • 并行 V8會創(chuàng)建輔助線程究西，與主線程同時處理GC任務。這樣GC時間就約等于總時間除以協(xié)同的線程數(shù)了物喷。
  • 并發(fā) 這里的并發(fā)是指主線程不再處理GC任務卤材，而是由輔助線程來執(zhí)行。這樣的好處是垃圾回收不再阻塞正常任務的執(zhí)行峦失。

• 惰性清除
  當所有對象都被標記完成扇丛，此時已經(jīng)可以進行垃圾清除的工作。但實際上這部分工作可以延遲執(zhí)行尉辑，尤其是當內(nèi)存足夠的時候帆精。
  V8會在合適的時間點執(zhí)行清除工作，比如工作線程空閑隧魄，或者內(nèi)存不足的時候卓练。

總結

內(nèi)存管理是一件非常復雜的事情，本文主要從 內(nèi)存結構 和 內(nèi)存回收 兩個方面進行了介紹购啄，并且隱藏了其中的一些細節(jié)襟企。

在V8的內(nèi)存管理模型中，其實能學習到一些通用的內(nèi)存管理思想和性能優(yōu)化方法闸溃。
比如整吆，垃圾回收總是會圍繞標記，清除辉川，整理展開表蝙。
在標記算法上，V8 和 JAVA,Golang,PHP 等編程語言一樣乓旗，使用了三色標記府蛇。
在性能優(yōu)化上，多進程/多線程屿愚， 分步汇跨， 異步务荆， 延遲 等方式也總能發(fā)揮作用。

參考資料

• 《深入淺出nodeJS》
• https://v8.dev/
• https://deepu.tech/memory-management-in-programming
• https://en.wikipedia.org/wiki/Tracing_garbage_collection#Implementation_strategies
• http://jayconrod.com/posts/55/a-tour-of-v8-garbage-collection

原文已在玩物得志技術公眾號上發(fā)布穷遂，鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/7mvP5jv5sBGNfnThap6JSQ