JavaScript执行机制三-深入之垃圾回收器

发布网友 发布时间：2024-09-06 13:50

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热心网友 时间：2024-10-07 23:44

在讲垃圾收回器之前，首先需要明确一些概念。JavaScript是弱类型的动态语言。

弱类型表示不需要告诉JavaScript声明的语言是什么类型，JavaScript便能自动计算出类型；

动态表示JavaScript可以用一个变量存储不同类型的语言；

JavaScript的数据类型：

基础类型：Undefined、Null、String、Boolean、Number、BigInt、Symbol

引用类型：Object

了解了上面的概率后，先来做一道题：

猜猜上面的两个方法执行后，分别打印的是什么？执行方法show1，很明显打印的值，a为100，b为1；执行方法show2，打印的值a、b的name值都为lisi。这是为什么呢？方法show1中，声明的a、b变量都是基础类型，方法show2中的声明的a、b变量是object，即为引用类型，所以区别应该就在此。要完全弄懂这点，需要先知道JavaScript中，变量在内存空间中是如何存储的。

要理解JavaScript代码运行过程中，是如何存储的，首先要弄清楚存储空间的种类：

代码空间：存储可执行代码的空间；

栈空间：存储基础类型的空间；

堆空间：存储引用类型的空间；

如下图所示：

代码空间会在后续的文章中进行讲解，本文不会涉及。

栈空间就是前面文章中反复提到过的调用栈，用来存储执行上下文。先复习一下栈空间中是如何存储执行上下文，看下面的代码：

当代码编译后，遇到函数调用，就会在栈空间中创建一个执行上下文，然后在按照顺序执行下去。调用show方法时，会在栈空间生成一段执行上下文，存储show方法中声明的变量，如下图所示：

从图中可以看到，代码执行到变量b时，判断到b声明的变量是一个引用类型，JavaScript声明引用类型的变量并不是存在栈空间中，而是存在堆空间中，存储后堆空间中会生成一个地址，然后将地址写进变量b的值，同样在执行d=b时，d的变量值存储的是堆中的地址，如图：

由图可知，b和d在栈空间存储的是堆空间的引用地址，b和d指向堆中同一个地址空间，因此，这儿就解释了，在开头例子中，改变了a.name的值，b.name的值也会跟随改变。

到这里，我们知道栈空间存储的基础类型，堆空间存储的是引用类型。声明引用类型的变量，会在堆中开辟一片空间进行存储，并在堆中生成一个地址，栈空间对应值存的只是堆的地址。相当于做了一次中转。

了解了栈空间和堆空间存储过程，再来看上一篇文章JavaScript执行机制二（深入之闭包），相信对闭包会有一个深入理解。

上面通篇在说变量是如何存的，基础类型存储在栈空间，引用类型存储在堆空间，如果空间分配后，变量就不再使用，那么这些声明变量就成为垃圾数据。内存中存的垃圾数据不回收，随着程序的运行，内存中会存在大量的垃圾数据，占用内存越大，必然会造成卡顿问题。所以，JavaScript会对这些垃圾数据进行自动回收，自动释放空间。JavaScript对于栈空间和堆空间的垃圾数据回收策略是不一样的，接下来会一步一步分析，它们是如何回收的。

还是先看一段代码，如下：

上面代码，调用show方法，会产生一个show的执行上下文，进入调用栈，该执行上下文的变量环境中有两个变量，a是基础类型的变量，存放值为1，b是一个引用类型的变量，存放值为堆空间中的地址。同样调用showName方法时，创建一个showName的执行上下文，变量环境中c存放2，d存放对应在堆空间中的地址。如下图所示：

在执行showName函数，会创建showName的执行上下文，同时还会有一个记录当前执行状态的指针（ESP），指向当前正在执行的执行上下文showName，当showName执行完成后，ESP指针下移，这时showName执行上下文就应该销毁了，如下图所示：

所以，当执行上下文执行完成后，JavaScript会通过向下移动ESP的方式来销毁该函数在内存中的执行上下文。

堆空间中的回收策略相对于栈空间回收策略要复杂很多，在上面的例子中，当指针下移指向全局执行上下文后，showName和show的执行上下被销毁，并回收对应内存空间，b和d的真实数据存放在堆空间中，并没有被回收，如下：

上图中，当ESP指向全局执行上下文时，栈空间的其他执行上下文所占用的空间已经被回收，但是堆空间中的变量1003和1005仍然存储在内存中。对于堆空间中存储的内存回收，就要涉及到垃圾回收器。

在V8中，堆分为新生代和老生代两个区域：

新生代：存放占用内存小、生存时间短的对象，空间内存大约是1-8M的容量，使用副垃圾回收器回收；

老生代：存放内存占用大、存放周期久的对象，空间内存相对于新生代大的多，使用主垃圾回收器回收；

无论主垃圾回收器还是副垃圾回收器的回收机制，他们都有一套相同的流程：

标记活跃对象和非活跃对象，活跃对象表示正在运行的对象，非活跃对象表示可以进行垃圾回收的对象；

在标记完成后，统一回收所有被标记可以回收的对象；

非活跃对象回收后，可能会造成内存碎片，所以需要进行内存整理，将不连续的空间整理为连续的内存空间，如果垃圾回收器没有造成内存碎片，那这一步就不会执行；

副垃圾收回器主要负责新生代中的垃圾收回，通常针对一些小的、存活时间短的对象，会被分配到新生代中，虽然新生代中的内存空间不大，但回收频繁。

副垃圾回收器使用的算法是Scavenge算法，把对象分为两个空间，一个是对象区域（又称分配空间，AllocationSpace），另一个是空闲区域（又称幸存者空间，SurvivorSapce），把空间分成大小相同的两个空间，如下：

当创建新对象时，会在对象空间中分配内存，当空间满后，会进行一次垃圾回收，使用的是就是简单的copy算法，首先标记活跃对象和非活跃对象，将活跃对象复制到空闲区域，并将这些对象有序的排列起来，相当于进行一次内存整理，所以复制到空闲空间后就没有内存碎片了。

复制结束后，将对象空间中的非活跃对象全部清空，此时将对象空间和空闲空间对调，原来的对象空间设置为空闲空间，原来的空闲空间设置为对象空间，这样就完成了垃圾回收的操作，同时角色翻转在新生代的两个区域中可以无限重复使用下去。

前面介绍过，新生代中的空间只有1-8M左右，是因为使用的copy操作，如果对象占用的内存较大，复制需要很多时间，所以才将新生代的内存设置的比较小。但是因为内存设置的比较少，所以很容易在角色翻转几次后，空间就装满了。JavaScript采用了晋升策略：

经过两次垃圾回收依然存活的对象，会被移动到老生代空间中；

进行一次垃圾回收，复制到空闲区的对象占用25%以上，那么这个对象会晋升到老生代中。设置25%的原因，是因为角色翻转后，如果占用的内存较大，对于新对象存储和分配都会有影响；

主垃圾回收器负责老生代的垃圾回收，对于大多数占用空间大、存活时间长的对象会被分配到老生代空间中，如果在老生代中使用scavenge算法进行回收，数据大复制所花费的时间较长，存活时间长，来回复制所需时间也会比较长，运行效率不高。因此，主垃圾回收器使用标记-清除（Mark-Sweep）算法进行垃圾回收。简单来讲，Mark-Sweep算法由Mark和Sweep两个阶段组成。在Mark阶段，垃圾回收器遍历活跃对象，将他们标记为存活。在Sweep阶段，回收器遍历整个堆，然后将未被标记的区域回收。

深入讲，Mark-Sweep用一个链表将所有的空闲空间维护起来，这个链表叫做空闲链表（freelist）。当内存管理器需要申请内存时，便向这个链表查询，找到适合的空闲块，然后将空闲块分配出去，同时将它从空闲链表中移除。如果空间块较大，就需要将空闲块进行分割，一部分用于分割，剩余的部分重新加到空闲链表中。如图所示：

图中A、C、D、F是空间中的活跃对象，B、E、G是三块空闲区域，假设B的大小为20，E的大小为36，G的大小为60，他们为空闲链表统一管理。现有两个分配请求，都需要分配30的空间，那么需要将空间进行分割，才会满足，如下图：

E空间的大小为36，满足分配要求，分配后E所剩余的空间很小了，分配器不再将其加回空闲链表，因此E和F间就产生了一块内存碎片。第二个请求在G区域进行分配，分配完成后G所剩余的空间还比较大，因此分配器会把分割后的空闲区域，也就是H挂回空闲链表。上图中显示了分配完成后堆中的最终结果。

讲完空闲链表，接着说Mark-Sweep，从第一阶段开始，即Mark阶段。Mark阶段核心任务是从根引用出发，根据引用关系进行遍历，所有可遍历的对象就是活跃对象。我们需要一边遍历一边将活跃对象记录下来，遍历方式采用BFS和DFS两种策略。当遍历完成后，就找到了所有的活跃对象。比如最开始的那段代码，当showName退出执行后，调用栈和堆空间如下：

从图中可以看到，当showName执行完后，ESP指针向下移动，指向show的执行上下文，这时候遍历调用栈，找不到1003的引用地址，便会将这块地址标记为垃圾数据。1005这块数据被b引用，标记为活跃对象。那么活跃对象是怎么被标记的呢？常见的方法有两种：

一种是在每个对象前面增加一个机器字，采用其中的某一位作为"标记位"，如果该位置位，就表示这个对象是活跃对象；如果该位未置位，那么表示这个对象是要回收的对象；

另一种方法采用标记位图，将每一个机器字映射成为图中的一个比特。在真正实现时，一般会采用两个位图，一个标记活跃对象的起始位置，另一个标记活跃对象的结束位置；

Sweep阶段将非活跃对象清除，也就是将垃圾对象占用的空间回收起来，重新将他们放回空闲链表中。具体做法是，按照空间顺序，从头到尾扫描整个空间的所有对象，将非活跃对象的空间回收到空闲链表。下面图示简单展示了回收过程，如图：

从图中可以看到，标记清除后，堆空间中会产生大量不连续内存碎片，而这些内存碎片会导致大对象无法分配到连续的存储空间。因此又出现了标记-整理（Mark-Compact）.

标记整理中的标记算法和标记清除算法中的标记算法一样，整理阶段对活跃对象移动到另外一端，然后清理调边界外的内存。如下：

这里只简单讲了如何标记整理的过程，实际上，底层算法是很复杂的，感兴趣的可以了解下，G1GC的分区回收算法，大概意思是新生代和老生代不再是一块连续的空间，整个堆被划分成若干个大小相同的Region。Region的类型有Eden、Survivor、Old、Humongous四种，而且每个Region都可以单独进行管理。具体挺复杂的，就不在这儿细讲了。

早期Mark-Sweep算法在标记活跃对象时，会将业务线程都停下来，以便垃圾回收器标记活跃对象，假如页面正在运行动画，标记所需时间为1s，那么就会出现屏幕卡顿现象，把这种情况叫做全停顿或世界停止（StopTheWorld）。为了解决垃圾回收造成的卡顿问题，后使用了增量标记算法（IncrementalMarking）。v8将标记过程分为一个个子标记过程，同时让JavaScript代码和垃圾回收标记交替进行，直到标记完成。如下图所示：

使用增量标记算法，可以把一个完整的垃圾回收任务拆分成若干个小的任务，每个任务耗时很短，将这些任务穿插在JavaScript代码中间执行，这样就避免了全停顿问题。

本文开始讲了声明变量在内存中是如何存储的，基础类型存在栈空间中，引用类型存在堆空间中。

栈空间的垃圾回收器，JavaScript会通过向下移动ESP的方式来销毁该函数在内存中的执行上下文。如果被回收的执行上下文中，存在堆空间地址引用，对应存储在堆空间中的对象会被标记为垃圾数据。

堆空间回收机制分为两部分，新生代和老生代：

新生代的空间大小只有1-8M，用于存放内存占用小，存放时间短的对象，使用scavenge算法进行垃圾回收，将新生代的空间等分为两个部分，一个是对象空间，一个是空闲空间，当新对象进来时，会进入对象空间存储，对象空间存满后会进行一次垃圾回收，将对象空间中的对象进行标记，活跃对象和非活跃对象，活跃对象复制到空闲空间，有序排列，非活跃对象回收，然后将对象空间和空闲空间交换，这样就能无限进行下去；

新生代中进行两次复制的对象和空间占用率大于25%的对象会根据晋升策略晋升到老生代中；

老生代开始讲了空闲链表，用一个空闲链表来管理空闲空间，有空间请求，都需要向空闲链表申请，根据申请空间的大小进行分割、分配；

然后讲了标记-清除（Mark-Sweep）算法，标记清除后会造成大量不连续的内存碎片，因此使用了标记-整理（Mark-Compact）算法，将内存整理为连续的空间；

最后全停顿（Stop-The-World），使用增量标记算法（IncrementalMarking）解决全停顿问题。

对于其他语言的垃圾回收器，如Java，可能会有异同，Java中也使用了MarkSweep，新生代老生代等概率，但垃圾回收涉及分代垃圾回收算法，跨代引用，并发标记算法等和v8的垃圾回收器有一定区别，感兴趣的可以自行去了解。