深入理解JS内存管理机制

一、前言

在相当长一段时间里，JS运行时的内存问题都不被前端开发人员所关注。
一方面，日常开发中基本不会遇上需要对内存精准控制的场景，另一方面，写JS不需要像写 C/C++ 那样在开发过程中随时关注内存的分配和释放问题。

随着生态的逐渐完善，JS的执行环境也不再局限于浏览器中。目前，JS主要的执行场景包括服务端（NodeJS、Deno）、桌面端（Electron）、浏览器（Chrome、Microsoft Edge）。

其中，JS执行引擎 V8 因其优异的性能表现，已经成为主流。因此，本文对JS内存管理模型的研究也将基于V8展开。

二、内存结构

上图展示了V8引擎的内存结构，整体上分成两部分：

2.1 堆内存

这里是存储对象或动态数据的地方，也是占比最大的内存区域。堆内可以细分以下区域：

新生代(Young generation) 新生代是新对象存在的地方，这些对象中的大多数都是短暂存在的。
这部分空间很小（默认情况下 16~32M），并且拆分成了两个空间。
空间使用 Minor GC (Scavenger) 进行垃圾回收。
老生代(Old generation) 新生代中经历了两个Minor GC 周期的对象会被转移到老生代中存放。这里占据着大量的内存空间（默认情况下 700~1400M）
空间使用 Major GC(Mark-Sweep & Mark-Compact) 进行垃圾回收。
大对象区(LARGE OBJECT SPACE) 超过一定大小的对象会直接在大对象区中被创建，并在不被使用时将其直接回收。
代码区(CODE SPACE) 这是 即时编译器（JIT） 存储编译代码块的地方。
其他区(CELL, PROPERTY CELL,MAP SPACE) 这些空间存放大小相同的对象，并且对它们指向的对象类型有一些限制。
比如MAP SPACE里存放的是hidden class信息，这能让V8快速定位到对象值所在的内存区。

2.2 栈内存

栈是用来存储静态数据的地方，内容主要包括：

基本类型（Number, Boolean, String, Null, Undefined, Symbol, BigInt） 对于基本类型，系统会为新的变量在栈内存中分配一个新值。
引用类型 系统会为新的变量在栈内存中分配一个值，这个值是一个对象的引用。
调用栈 解释器创建了调用栈来记录函数的调用过程。
每调用一个函数，解释器就把该函数添加进调用栈，解释器会为被添加进来的函数创建一个栈帧（用来保存函数的局部变量以及执行语句）并立即执行。
如果正在执行的函数还调用了其他函数，新函数会继续被添加进入调用栈。

三、内存回收

栈内存 其实是由操作系统进行自动管理的，本文不做讨论。

堆内存 由V8进行管理，它占据最大的内存空间，并且随着程序运行时间的增加可能会持续增长，最终耗尽内存。它也会变得碎片化，影响程序运行的速度。这时内存回收的重要性就体现出来了。

要进行内存回收，需要先明确一个问题：什么样的数据可以被回收。

V8通过回收 不可达对象 来释放堆内存，整个回收过程总体可以分为标记和回收两个阶段，涉及到的原理是 三色标记 和 分代回收 。

3.1 新生代

从 2.1堆内存 小节中我们知道，新生代被拆分成两个小空间，使用 Minor GC (Scavenger) 进行垃圾回收。Minor GC (Scavenger) 我们可以简称为次要GC。

两个拆分出来的空间分别称之为 to-space 和 from-space。新加入的对象都会存放到from-space，当from-space被填满时，会触发次要GC。

GC过程：

标记从堆栈指针开始递归遍历 from-space 中的对象图查找 活跃对象。
复制将这些对象复制到 to-space 中（包括被这些对象引用的所有对象）。
重复此操作，直到扫描 from-space 中的所有对象。另外，to-space 会分配连续的内存块，以减少碎片。
清除清空 from-space，因为此时剩余的对象都是可回收的。
交换将 to-space 和 from-space 互换，即 to-space 变成 from-space。

image

回收的最后一步是更新引用已移动的原始对象的指针。每个被复制的对象都会留下一个新地址，用于更新原始指针以指向新位置。

此时还存在一个问题：随着活跃对象的累积，from-space 很快会被填满。

这时就轮到老生代出场了，在新生代中经历两次GC并存活下来的对象，会被转移到老生代，这个过程被称为晋升。如下图：

image

至此，新生代一次完整的垃圾回收就完成了。

3.2 老生代

在老生代中，垃圾回收为主要GC（Major GC），包含了 标记清除（Mark-Sweep） 和 标记整理（Mark-Compact）。

GC过程：

标记垃圾收集器识别哪些对象正在使用，哪些对象未使用。正在使用或可从GC根域递归访问的对象被标记为活跃对象。
清除清除未被标记为活跃对象的数据。
整理如果碎片较多，会将存活的对象移动到一起，减少碎片提高内存使用率。

3.3 三色标记

之前提到，垃圾回收时会先标记 活跃对象 来区分对象是否应该被回收，这里就涉及到了三色标记算法。

标记位有三种颜色：

白色对象未被标记。
灰色对象已经被标记，但对象内属性还未遍历完成。
黑色对象已经被标记，且对象内的属性也已完成遍历（活跃对象）。

标记过程：

开始标记
初始所有对象都是白色，当收集器发现白色对象并将其推送到标记工作列表时，会将其标记成灰色。

01.jpg

标记完成对象
当收集器访问目标对象的所有字段后，会将对象的颜色由灰色变为黑色。

02.jpg

标记结束
当没有灰色对象时，代表标记结束。此时剩余的白色对象表示无法访问，可以被回收。

03.jpg

经历过以上三步，一次完整的标记过程就完成了。

3.4 回收优化

现在我们知道，一次垃圾回收总需要经历标记，回收，整理等阶段。

事实上，整个垃圾回收的过程是非常耗时的，比如光是标记整个堆内存的活跃对象可能就要花费数百毫秒，并且期间会阻塞程序的正常的执行。

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对此，V8也在持续优化，目前主要的优化方式有：

增量标记
通过将标记任务拆分成一系列小任务，确保每次标记任务的持续时间在 5~10 毫秒。
当堆的占用空间达到某个阈值大小时，开始激活标记任务，此后每分配一定量的内存，就会执行增量标记。
增量标记与常规标记一样，本质上都是深度优先搜索，同样使用的是三色标记算法。
并行 & 并发
- 并行 V8会创建辅助线程，与主线程同时处理GC任务。这样GC时间就约等于总时间除以协同的线程数了。
- 并发 这里的并发是指主线程不再处理GC任务，而是由辅助线程来执行。这样的好处是垃圾回收不再阻塞正常任务的执行。
惰性清除
当所有对象都被标记完成，此时已经可以进行垃圾清除的工作。但实际上这部分工作可以延迟执行，尤其是当内存足够的时候。
V8会在合适的时间点执行清除工作，比如工作线程空闲，或者内存不足的时候。

总结

内存管理是一件非常复杂的事情，本文主要从 内存结构 和 内存回收 两个方面进行了介绍，并且隐藏了其中的一些细节。

在V8的内存管理模型中，其实能学习到一些通用的内存管理思想和性能优化方法。
比如，垃圾回收总是会围绕标记，清除，整理展开。
在标记算法上，V8 和 JAVA,Golang,PHP 等编程语言一样，使用了三色标记。
在性能优化上，多进程/多线程，分步，异步，延迟等方式也总能发挥作用。

参考资料

《深入浅出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术公众号上发布，链接：https://mp.weixin.qq.com/s/7mvP5jv5sBGNfnThap6JSQ