GC 垃圾回收机制

GC 垃圾回收 garbage collection

什么是垃圾回收机制？

程序在运行过程中会产生未使用或者不再使用的内存， GC 负责回收这些垃圾。

垃圾回收是怎么进行的？

通过 可达性 确定是否需要回收。 可访达说明内存还要使用， 不可访达说明需要被回收。 通过定期找到不可访达的内存并清理。

如何确定可达性呢？

1. 标记清除
2. 引用计数

标记清除法

目前大多使用这种清除方法。不同浏览器厂商有各自优化和检查频率的不同。

过程分为两个阶段标记 和 清除。

策略：

1. 初始所有变量都标识成0
2. 当进入执行环境后，对于使用到的变量标记为 1
3. 离开执行环境后，清除标识为 0 的变量，销毁所占内存
4. 把所有变量标识改为 0，等待下次垃圾回收

优点

简单， 使用 0 、 1 就可以标记

缺点

清除内存后，空闲内存不连续，导致后续再次分配内存时，需要重新计算内存空间，进行内存分配。

标记整理解决内存碎片问题

标记清除算法有一个很大的缺点，就是在清除之后，剩余的对象内存位置是不变的，也会导致空闲内存空间是不连续的，出现了 内存碎片（如下图）

而 标记整理（Mark-Compact）算法 就可以有效地解决，它的标记阶段和标记清除算法没有什么不同，只是标记结束后，标记整理算法会将活着的对象（即不需要清理的对象）向内存的一端移动，最后清理掉边界的内存（如下图）

引用计算清除

很少使用了，有循环引用的重大 BUG

策略： 跟踪每个值的引用次数。

1. 当声明了一个变量并且将一个引用类型值复制给该值引用计数就为 1
2. 如果同一个值又被复制给了另外一个变量，应用值加 1
3. 如果引用这个值的变量改变了引用对象，这个值就减 1
4. 当这个值的引用次数变成 0 时，说明值不再被引用，清除值占用的内存

优点

引用为 0 时立即回收。

缺点

1. 计数器占用空间
2. 循环引用是无法清除内存

循环引用的例子：

function test(){
  let A = new Object()
  let B = new Object()
  
  A.b = B
  B.a = A
}

引用计数的过程

1. 声明 A 并指向一个应用类型，引用计数为 1
2. 同上，B 的引用计数为 1
3. A.b = B B 新增了一个引用，计数为 2
4. 同上，A 的计数为 2
5. 函数域退出，由于 A 、B 的引用计数为 2, 不能释放内存。

V8 引擎在垃圾回收上做了哪些优化？

使用分代式垃圾回收： 新生代、老生代。

新、老生代的分配策略

将内存分为两个生代： 新生代、老生代。 新生代中的对象为活动较短的对象，老生代为活动时间较长的对象，针对新生代和老生代采用不同的回收策略。

对象一开始都分配到新生代。如果新生代不够，直接分配到老生代。 新生代在满足某些条件后被移动到老生代（这个过程叫做晋升）。

32 位系统中（64 位所有分配x2）默认情况下新生代分配为 16MB,老生代分配为 700MB。

新生代机制

新生代分成两块相同的内存，每块内存分为 8MB。分别为使用区和空闲区，当使用区快要被写满时开始进行垃圾回收。

新生代策略

新生代对象是通过一个名为 Scavenge 的算法进行垃圾回收，在 Scavenge算法 的具体实现中，主要采用了一种复制式的方法即 Cheney算法

Cheney算法 中将堆内存一分为二，一个是处于使用状态的空间我们暂且称之为 使用区，一个是处于闲置状态的空间我们称之为 空闲区

当使用区快要被写满时开始进行垃圾回收。

首先对使用区进行标记，分为活动对象和非活动对象，将活动对象复制到空闲区并排序，对非活动对象进行清除。最后将空闲区和使用区进行互换，空闲区变成使用区，使用区变成空闲区。

晋升过程

当在进行新生代 Cheney算法复制时， 如果空闲区的内存占用超过 25%， 会直接将这个对象分配到老生代内存中。这是为了避免影响到后续的 Cheney算法内存分配。

老生代机制

对于活动时间长、占用空间大的内存直接分配到老生代中。 老生代因为空间大，不能采用新生代频繁的复制操作，老生代直接采用标记清除的方法。

标记阶段，从一组根元素开始，递归遍历这组根元素，遍历过程中能到达的元素称为活动对象，没有到达的元素就可以判断为非活动对象

清除阶段，老生代垃圾回收器会直接将非活动对象，也就是数据清理掉

对于标记清除产生的大量内存碎片，老生态使用标记整理的方式处理。

为什么使用迭代的方式

提升来及回收效率： 把内存小，存活时间短使用新生代快速频率高的方式快速清理。对于内存占用大，存货时间长的使用老生代频率低的清除，提升垃圾回收机制的效率。

并行回收

在了解并行回收前，需要知道什么是全停顿。

js 是一门单线程的语言，当GC 时会堵塞主线程， 主线程需要等 GC 完成后才能继续， 这就是全停顿

并行回收是指：GC 过程中，会在主线程之外，添加多个辅助线程，加快 GC 处理。

虽然使用并行回收会加快 GC, 但是依旧会存在全停顿的情况。新生代（数据小， 活动时间短）就是使用并行回收的方式加快 GC 过程。这些辅助线程会同时将使用区的数据移动到空闲区，并改变引用的指针。

增量标记

但是对于老生代数据量大，活动时间长， 就算使用并行回收，终究还是全停顿的方式，GC 的过程依旧会消耗大量时间。

增量标记就是将一次 GC 过程分为多个步骤，每次执行一小段就让主线程继续执行， 整个 GC 过程分为多步执行。 这个就是增量

增量处理需要面临两个问题：

1. 每一步执行完毕后，如果暂停执行主线程，而后又如何恢复？
2. 当上一步执行完后，主线程又更新了标记好的内存的引用，怎么处理呢？

三色标记法

三色标记法用来应对第一个问题。

通常情况下的标记，是对所有数据都标记为白色(0), GC 过程中会把活动数据标记为黑色(1)，之后会归并整理，并清理。

而为了应对增量标记的情况，需要多增加一个标记表（灰色）来实现标记

• 白色 未被标记的对象
• 灰色 对象本身被标记，该对象的引用对象未被标记
• 黑色 自身和引用对象都被标记

上图的步骤为：

1. 最初的对象都没有被引用，为白色
2. 从根部对象开始标记数据，A、B 推进到标记表，为灰色
3. 从标记表中弹出对象并访问他们的引用对象，将自身变成黑色 A 、B 为黑色
4. 进行下一层标记，C 没有被引用， 不标记，D 被引用，推进到标记表
5. 从标记表弹出 D，标记为黑色，F 、G 被引用进入标记表，都为灰色
6. 标记表弹出 F 、G 标记为黑色

通过上面的流程 C 、E 没有被引用，依旧是白色，等待回收。

通过三色标记法，恢复增量标记时只要判断是否有灰色节点，有灰色节点说明还在标记阶段，从灰色节点继续标记，没有灰色节点，直接进入清理阶段。

通过增量的方式，减少全停顿的过程，又通过三色标记的形式完成增量的暂停和继续。

写屏障（增量过程中修改引用）

解决增量标记的第二个问题，需要使用写屏障。

一次 GC 标记分块暂停进入主线程后，已经标记好的引用关系可能会被改变。

如图 A、B 、C 三个变量，在第一步增量标记时，B 指向 C，但是让给主线程后，把 B 的指向改为了 D， C 这时已经没有了引用关系。

这种情况，C 可以先不用管， 因为在下一次 GC 过程中 C 因为没有应用会被标记清除。

D 因为是初始阶段，是白色的， 按照增量标记结束判断，由于没有了灰色，增量标记过程会结束，D 因为还没有标记会被清理。所以为了解决这个问题，v8 引擎使用 写屏障机制，一旦有黑色对象引用白色对象，会立即将白色对象变成灰色，从而保障增量标记的下一步正确执行。

懒性清理

上面的增量标记和三色标记都是老生代在标记阶段的方法，在清理阶段，V8 引擎并不是在标记完立即清理的，引擎会根据当前内存大小进行惰性清理，先让主线程代码运行，并且也不是一次性清理完的，而是内存需求逐步清理。当都清理完毕后，才会进行下一次的增量标记。

增量标记&惰性求值的优缺

• 优点：减少了主线程单次的暂停时间，让程序的操作更加流畅
• 缺点：但是由于分段执行，增加了增量标记、写屏障的流程也增加了运行成本，所以在主线程的总暂停时间上可能会略长。

总结 V8 引擎的优化

1. 使用新生代&老生代方案
2. 新生代使用空闲区、使用区分进行标记、整理、复制操作。标记和整理使用并行回收
3. 老生代标记阶段使用增量标记、三色标记、写屏障技术， 清理阶段使用惰性清理，按需、分批清理。