一、前言

在程序運行過程中，幾乎每時每刻都在為進(jìn)程分配新的內(nèi)存，但計算機(jī)的內(nèi)存空間總是有限的，內(nèi)存空間總有被占滿的時候，所以我們需要進(jìn)行 「垃圾數(shù)據(jù)回收」 ，以釋放內(nèi)存空間。

不同的編程語言會有著不一樣的垃圾回收策略，通常情況下，可以分為 「手動回收」 和 「自動回收」 兩種。

比如，C/C++ 就是使用 「手動回收」 策略，內(nèi)存空間的分配、銷毀等操作都由開發(fā)人員自行通過代碼控制。若數(shù)據(jù)使用完后，沒有主動釋放的無用內(nèi)存，就會隨著程序運行時間的增加，內(nèi)存逐漸被占滿，這種情況被稱為 「內(nèi)存泄漏」 。

而 JavaScript/Java/Python 等使用自動回收策略，產(chǎn)生的垃圾數(shù)據(jù)由 「垃圾回收器」 主動釋放，工程師無需手動通過代碼釋放內(nèi)存。不過雖然是自動回收，但工程師若完全不關(guān)心內(nèi)存管理，還是很容易產(chǎn)生內(nèi)存泄漏的。接下來，讓我們看看自動垃圾回收的基本原理。

二、自動垃圾回收算法

隨著時間的演進(jìn)，垃圾回收算法也在不斷地完善，說是完善其實不算準(zhǔn)確，應(yīng)該說是根據(jù)不同的需求而有了不同的取舍，從而產(chǎn)生了不同的算法。其實不論哪個垃圾回收算法，都有一套共同的流程：

標(biāo)記內(nèi)存空間中的活動對象(在使用中的對象)和非活動對象(可以回收的對象)。

刪除非活動對象，釋放內(nèi)存空間。

整理內(nèi)存空間，避免頻繁回收后產(chǎn)生的大量內(nèi)存碎片(不連續(xù)內(nèi)存空間)。

2.1 標(biāo)記-清除法

標(biāo)記-清除法由 John McCarthy 于 1960 年發(fā)表的一篇論文提出，其主要分兩個階段：

第一階段是標(biāo)記，從一個 GC root 集合出發(fā)，沿著「指針」找到所有對象，將其標(biāo)記為活動對象。

第二階段是清除，將內(nèi)存中未被標(biāo)記的對象刪除，釋放內(nèi)存空間。

從上面的描述來看，標(biāo)記-清除算法可以說是非常簡單的，現(xiàn)在的各類垃圾回收算法也都是它的思想的延續(xù)。

雖然簡單，但其也有著很明顯的缺點，即在多次回收操作后，會產(chǎn)生大量的內(nèi)存碎片，由于算法沒有再整理內(nèi)存空間，內(nèi)存空間將變得很碎，此時如果需要申請一個較大的內(nèi)存空間，即使剩余內(nèi)存總大小足夠，也很容易因為沒有足夠的連續(xù)內(nèi)存而分配失敗。

2.2 復(fù)制算法

為了解決以上問題，Marvin L. Minsky 在 1963 年提出了著名的 「復(fù)制算法」 ：

將整個空間平均分成 from 和 to 兩部分。

先在 from 空間進(jìn)行內(nèi)存分配，當(dāng)空間被占滿時，標(biāo)記活動對象，并將其復(fù)制到 to 空間。

復(fù)制完成后，將 from 和 to 空間互換。

由于直接將活動對象復(fù)制到另一半空間，沒有了清除階段的開銷，所以能在較短時間內(nèi)完成回收操作，并且每次復(fù)制的時候，對象都會集中到一起，相當(dāng)于同時做了整理操作，避免了內(nèi)存碎片的產(chǎn)生。

雖然復(fù)制算法有吞吐量高、沒有碎片的優(yōu)點，但其缺點也非常明顯。首先，復(fù)制操作也是需要時間成本的，若堆空間很大且活動對象很多，則每次清理時間會很久。其次，將空間二等分的操作，讓可用的內(nèi)存空間直接減少了一半。

2.3 引用計數(shù)

該算法由 George E. Collins 于 1960 年提出，主要操作為：

實時統(tǒng)計指向?qū)ο蟮囊脭?shù)(指針數(shù)量)。

當(dāng)引用數(shù)為 0 時，實時回收對象。

該算法可以即時回收垃圾數(shù)據(jù)，對程序的影響時間很短，效率很高。高性能、實時回收，看似完美的方案其實也有個問題，當(dāng)對象中存在循環(huán)引用時，由于引用數(shù)不會降到 0，所以對象不會被回收。

上面三大算法的出現(xiàn)，基本奠定了垃圾回收的根本性內(nèi)容，后續(xù)出現(xiàn)的垃圾回收算法，基本都是基于上面三個算法的取舍和組合。

2.4 標(biāo)記-壓縮算法

該算法于 1970 年出現(xiàn)，其結(jié)合了標(biāo)記-清除法和復(fù)制算法的優(yōu)點，主要操作如下：

從一個 GC root 集合出發(fā)，標(biāo)記所有活動對象。

將所有活動對象移到內(nèi)存的一端，集中到一起。

直接清理掉邊界以外的內(nèi)存，釋放連續(xù)空間。

可以發(fā)現(xiàn)，該算法既避免了標(biāo)記-清除法產(chǎn)生內(nèi)存碎片的問題，又避免了復(fù)制算法導(dǎo)致可用內(nèi)存空間減少的問題。當(dāng)然，該算法也不是沒有缺點的，由于其清除和整理的操作很麻煩，甚至需要對整個堆做多次搜索，故而堆越大，耗時越多。

2.5 代際假設(shè)和分代收集

「代際假說」：

It has been empirically observed that in many programs, the most recently created objects are also those most likely to become unreachable quickly.

經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)應(yīng)用程序內(nèi)的數(shù)據(jù)有以下兩個特點：

• 大多數(shù)對象的生命周期很短，很快就不再被需要了
• 那些一直存活的對象通常會存在很久

簡單講就是對象的生存時間有點兩極化的情況：

「分代收集：」 所以可以將對象進(jìn)行分代，從而對不同分代實施不同的垃圾回收算法，以達(dá)到更高的效率(如 Java GC: https://plumbr.io/handbook/garbage-collection-in-java/generational-hypothesis)。

三、JavaScript 垃圾回收

JavaScript 的原始數(shù)據(jù)類型存在棧中，引用數(shù)據(jù)類型存在堆中，所以討論 JavaScript 的垃圾回收即討論其棧中數(shù)據(jù)的回收以及堆中數(shù)據(jù)的回收。

3.1 棧中垃圾回收

ESP(Extended Stack Pointer): 擴(kuò)展棧指針寄存器，用于存放函數(shù)棧頂指針。

JavaScript 在執(zhí)行函數(shù)時，會將其上下文壓入棧中，ESP 上移，而當(dāng)函數(shù)執(zhí)行完成后，其執(zhí)行上下文可以銷毀了，此時僅需將 ESP下移到下一個函數(shù)執(zhí)行上下文即可，當(dāng)下一個函數(shù)入棧時，會將 ESP 以上的空間直接覆蓋。

所以 JavaScript 引擎是通過下移 ESP 來完成棧的垃圾回收的。

3.2 堆中垃圾回收

不同于棧中的垃圾回收，堆中的垃圾數(shù)據(jù)回收需要用到 JavaScript 的垃圾回收器。

JavaScript 堆中垃圾數(shù)據(jù)回收就使用到了分代收集的思想，引擎將堆空間分為 「新生代(young-space)」 和 「老生代(old-space)」 ，并且對兩個區(qū)域?qū)嵤┎煌睦厥詹呗浴?/p>

「新生代：」 新生代用于存放生存時間短的對象，大多數(shù)新創(chuàng)建的小的對象都會被分配到該區(qū)域，該區(qū)域的垃圾回收會比較頻繁。

在新生代中，引擎使用 Scavenge 算法(https://v8.dev/blog/trash-talk) 進(jìn)行垃圾回收，即上面提到的復(fù)制算法。

其將新生代空間對半分為 from-space 和 to-space 兩個區(qū)域。新創(chuàng)建的對象都被存放到 from-space，當(dāng)空間快被寫滿時觸發(fā)垃圾回收。先對 from-space 中的對象進(jìn)行標(biāo)記，完成后將標(biāo)記對象復(fù)制到 to-space 的一端，然后將兩個區(qū)域角色反轉(zhuǎn)，就完成了回收操作。

由于每次執(zhí)行清理操作都需要復(fù)制對象，而復(fù)制對象需要時間成本，所以新生代空間會設(shè)置得比較小(1~8M)。

「老生代：」 老生代被用于存放生存時間長的對象和大的對象：

• 即一些大的對象會被直接分配到老生代空間
• 新生代中經(jīng)過兩次垃圾回收后仍然存活的對象，會晉升到老生代空間

引擎在該空間主要使用上面提到的 「標(biāo)記-壓縮算法」 。首先對活動對象進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)記完成后，將所有存活對象移到內(nèi)存的一段，然后清理掉邊界外的內(nèi)存。

由于 JavaScript 是單線程運行的，意味著垃圾回收算法和腳本任務(wù)在同一線程內(nèi)運行，在執(zhí)行垃圾回收邏輯時，后續(xù)的腳本任務(wù)需要等垃圾回收完成后才能繼續(xù)執(zhí)行。若堆中的數(shù)據(jù)量非常大，一次完整垃圾回收的時間會非常長，將導(dǎo)致應(yīng)用的性能和響應(yīng)能力都直線下降。

為了避免垃圾回收影響應(yīng)用的性能，V8 將標(biāo)記的過程拆分成多個子標(biāo)記，讓垃圾回收標(biāo)記和應(yīng)用邏輯交替執(zhí)行，避免腳本任務(wù)等待較長時間。