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深入理解垃圾回收原理

发表于 分类于 Valine：

前一阵子由于网站拿去ICP的备案,所以停了一段时间,现在备案下来了,我们来学习一下垃圾回收

什么是垃圾回收

垃圾回收是一种自动的内存管理机制。当计算机上的动态内存不再需要时，就应该予以释放，以让出内存。

直白点讲，就是程序是运行在内存里的，当声明一个变量、定义一个函数时都会占用内存。内存的容量是有限的，如果变量、函数等只有产生没有消亡的过程，那迟早内存有被完全占用的时候。

这个时候，不仅自己的程序无法正常运行，连其他程序也会受到影响。

所以，在计算机中，我们需要垃圾回收。需要注意的是，定义中的“自动”的意思是语言可以帮助我们回收内存垃圾，但并不代表我们不用关心内存管理，如果操作失当，JavaScript 中依旧会出现内存溢出的情况。

垃圾回收原理

垃圾回收基于两个原理：

  • 考虑某个变量或对象在未来的程序运行中将不会被访问
  • 向这些对象要求归还内存

而这两个原理中，最主要的也是最艰难的部分就是找到“所分配的内存确实已经不再需要了”。

在解释这些之前,我们要先了解一下名词-GC

什么是GC

GC可以理解为在追踪仍然使用的所有对象，并将其余对象标记为垃圾然后进行回收，这样的一个过程称之为GC，所有的GC系统可以从如下几个方面进行实现

  • GC判断策略（例如引用计数，对象可达）
  • GC收集算法（标记清除法，标记清除整理法，标记复制清除法，分带法）
  • GC收集器（例如Serial，Parallel，CMS，G1）

V8垃圾回收策略

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：

  • 大部分新生对象倾向于早死；
  • 不死的对象，会活得更久。

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。

V8的内存分代

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：

  • 新生代：对象的存活时间较短。新生对象或只经过一次垃圾回收的对象。
  • 老生代：对象存活时间较长。经历过一次或多次垃圾回收的对象。

V8堆的空间等于新生代空间加上老生代空间，默认设置下，64位系统的老生代大小为1400M，32位系统为700M。

垃圾回收算法

Stop The World （全停顿）

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）

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。

引用计数（reference counting）

在V8回收之前,低版本 IE大多数用的是这种的方法

在内存管理环境中，对象 A 如果有访问对象 B 的权限，叫做对象 A 引用对象 B。引用计数的策略是将“对象是否不再需要”简化成“对象有没有其他对象引用到它”，如果没有对象引用这个对象，那么这个对象将会被回收。上例子：

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let obj1 = { a: 1 }; // 一个对象（称之为 A）被创建，赋值给 obj1，A 的引用个数为 1 
let obj2 = obj1; // A 的引用个数变为 2

obj1 = 0; // A 的引用个数变为 1
obj2 = 0; // A 的引用个数变为 0，此时对象 A 就可以被垃圾回收了

但是引用计数有个最大的问题： 循环引用。

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function func() {
  let obj1 = {};
  let obj2 = {};

  obj1.a = obj2; // obj1 引用 obj2
  obj2.a = obj1; // obj2 引用 obj1
}

当函数 func 执行结束后，返回值为 undefined，所以整个函数以及内部的变量都应该被回收，但根据引用计数方法，obj1 和 obj2 的引用次数都不为 0，所以他们不会被回收。

要解决循环引用的问题，最好是在不使用它们的时候手工将它们设为空。上面的例子可以这么做：

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obj1 = null;
obj2 = null;

这个方法被称为“解除引用”。

Scavenge算法

在分代的基础上,新生代中的对象主要通过Scavenge算法进行垃圾回收,在Scavenge的具体 实现中,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:

  1. 从 From 空间分配对象，若 semispace 被分配满，则执行 Scavenge 算法进行垃圾回收。
  2. 检查 From 空间的存活对象，若对象存活，则检查对象是否符合晋升条件，若符合条件则晋升到老生代，否则将对象从 From 空间复制到 To 空间。
  3. 若对象不存活，则释放不存活对象的空间。
  4. 完成复制后，将 From 空间与 To 空间进行角色翻转（flip）。

算法示意图

对象晋升

第二点提到的对象晋升,条件有两个:

  • 对象是否经历过Scavenge回收。
  • To 空间的内存使用占比是否超过限制(25%)。

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。

标记-清除（mark and sweep）

这是 JavaScript 中最常见的垃圾回收方式

从 2012 年起，所有现代浏览器都使用了标记-清除的垃圾回收方法，除了低版本 IE…它们采用的是引用计数方法。

那什么叫标记清除呢？JavaScript 中有个全局对象，浏览器中是 window。定期的，垃圾回收期将从这个全局对象开始，找所有从这个全局对象开始引用的对象，再找这些对象引用的对象…对这些活着的对象进行标记，这是标记阶段。清除阶段会对标记的对象会与内存中的对象进行比较，然后清除内存中那些没有标记的对象。

标记－清除法的一个问题就是不那么有效率，因为在标记－清除阶段，整个程序将会等待，所以如果程序出现卡顿的情况，那有可能是收集垃圾的过程。

算法示意图

增量标记

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。

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。

以上就是我对垃圾回收的一些理解,如果文章由于我学识浅薄,导致您发现有严重谬误的地方,请一定在评论中指出,我会在第一时间修正我的博文,以避免误人子弟。

-------------本文结束感谢您的阅读-------------
没办法,总要恰饭的嘛~~