这一次，完全弄清楚V8垃圾回收的流程

本人在面试候选人的时候，即便一个刚毕业的前端，问他 javascript 中内存的分配，都能答出来栈内存、堆内存。可是再追问一下，堆内存到底是怎么分配的，80% 的面试者都回答不上来了。

V8 对内存的分配

都知道，js对象是存放在堆内存中的，那么具体是放在哪里呢？

V8 引擎会把内存中的 堆内存 分为两块不一样的区域，一块称之为老生代（old generation），另外一块是新生代（young generation）。

即便同处 新生代 中的对象中，它们的等级也不一样，又进一步分为 初级（nursery）代 等级和 中级（intermediate）代 等级。

能够类比红警这类游戏中，刚出生的美国大兵是一级兵，经历过一场激烈的战役以后，幸存的大兵会被提高到二级兵，再经历一场战役，会被提高到三级兵。

js 的初级代、中级代也是如此。

在 js 中，当一个对象第一次分配内存时，会被分配到 新生代 中的 初级（nursery）代，至关因而最弱鸡的一级兵。

这个对象，若是在第一轮的垃圾回收中幸存下来。那么，咱们把它的等级到 中级（intermediate）代，也就是晋升成为了 二级兵。

若是再通过下一次垃圾回收，这个对象幸存下来，这时候咱们就会把这个对象，从中级（intermediate）代移动到老生代，也就是晋升成为了三级兵。

为啥 V8 要这么作呢？

在垃圾回收中有一个重要的概念：“代际假说”（The Generational Hypothesis）。就是说，大部分的 js 对象，都是炮灰，一轮垃圾回收后，基本上都不会幸存，在内存中存在的时间很短。换句话说，从垃圾回收的角度来看，不少对象一经分配内存空间随即就变成了不可访问的。如同下图所示：

既然，短命的js对象，和命久的 js对象有如此的差距，V8 中就把他们区分开，采用不一样的垃圾回收策略。

当 javascript 主线程在正常的执行的时候，占用的内存空间会不断的增加。增加就会触发一个极限，触发极限的时候，垃圾回收就被触发了。对于新生代和老生代， V8 分别有两种垃圾回收器去处理。

V8中两种垃圾回收器

V8 有两个垃圾回收器，一个是主垃圾回收器（Full Mark-Compact），一个是副垃圾回收器( Scavenge )。这两个垃圾回收器，是相互独立的。

主垃圾回收器主要负责老生区中的垃圾回收（也会负责一部分的新生代heap），副垃圾回收器重新生代中回收垃圾。

From-Space / To-Space

对于副垃圾回收器来讲，有两块内存空间比较相关： From-space 和 To-space。

不要感到困惑，From-space 和 To-space 的概念，和 初级代 和 中级代 的概念，不是同一个概念。

From-space 和 To-space 能够理解成，真实可操做的内存空间；初级代 和 中级代 表示一个对象的等级。From-Space 和 To-Space 永远是一个是空的，一个是使用中的。即便同处在 From-Space 中的对象，有的对象多是初级代（一等兵），有的对象多是中级代（二级兵）。

接下来，介绍一下，副垃圾回收器的过程。

副垃圾回收器 步骤

第1步 打标

这一步，是为了判断这轮GC中哪些对象须要被回收。

如何判断呢？就是看这个对象能不能被找到。

打标首先从根部开始查找，也就是顶层的执行栈、全局的对象开始查找，而后查找对象的引用，而后是对象引用的引用，一层层递归的找。

若是一个对象能够被访问到，则认为这个对象是活的，不该该被回收；不然，就会被回收。

接下来，咱们开始一轮垃圾回收的过程。

第2步

第 2 步，V8 从 from-space 中，把那些不会被垃圾清理掉的对象，移动到 to-space。这意味着，只有小部分的对象不会被垃圾清理掉，成功撤离到 to-space。 剩在 from-space 中的大部分对象，当成炮灰销毁。

不要和 js 代码中的拷贝对象指针搞混了，这里是更底层的二进制数据。拷贝的过程，就是拷贝那一块内存中的二进制数据的过程。

这一步也称为 撤离步骤 evacuation step，这步结束后，内存中的状况以下图：

上图右侧，撤离到 to-space 中的对象，成功的在第一轮的垃圾回收中活了下来，给他们的小方块打上一个标记（也就是每一块的小圆圈），标志着它们从 初级代 晋升到了 中级代。

第3步

接下来，第3步被称为更新引用指针。

咱们发现，js 中对象的引用指针，仍是引用到了旧的from-space 空间上，咱们须要更新这些引用到 to-space 空间上。

结束后，以下图所示:

第4步

接下来，咱们把 to-space 和 from-space 交换位置。to-space 移动到左侧，成为了 下一轮的 from-space ，from-space 移动到右侧，成为了下一轮的 to-space

第二轮垃圾回收

第一轮垃圾回收以后， js 继续执行，会有一些新分配的 初级代 对象，被推入到了 from-space 空间中, 安置在上一轮的幸存老兵 中级代 对象后面，以下图红色箭头所示：

第二轮垃圾回收的过程，和第一轮相似，就不赘述了。

二轮的垃圾回收的关键点是：from-space 中的幸存老兵 中级代 会拷贝最右侧的 old generation ， 晋升为 老生代 。刚加入的新兵 初级代 会被拷贝到 to-space , 也打上一个标志，晋升成为 中级代， 以下图所示：

副垃圾回收器 与 并发处理

现今，V8 在新生代垃圾回收中使用并发清理。

什么？ 并发？

对，你没有听错。虽然 javascript 是单线程的语言，这仅仅意味着 javascript 的程序员写的代码大部分是在 单线程上面跑的。可是 javascript 语言的宿主环境，好比说 V8 引擎，它是 Javascript 的执行环境，它能够新建出不少线程出来，用来辅助 javascript 主线程的工做。咱们把这些其余的辅助的线程称为 辅助线程(helper), javascript 执行的线程是 主线程（main thread） 。

把幸存对象撤离到 to-space 的工做，是 主线程 和 辅助线程一块儿并发执行，是为了d最大限度的减小 GC 的时间。

• 每一个辅助线程 和 主线程，会把活的对象都移动到 To-Space。在每一次尝试将活的对象移动到 To-Space 的时，必须确保原子操做。

• 不一样的辅助线程，都有可能经过不一样的路径找到相同的对象，并尝试将这个对象移动到 To-Space；不管哪一个辅助线程成功移动对象到 To-Space ，都必须更新这个对象的指针。

副垃圾回收器 小结

• 由于代际假说的理论，只有小部分的 js 对象是会幸存下来的，因此在副垃圾回收器中，只会撤离一小部分的对象，拷贝到to-space的空间中，其余大部分对象都通通销毁。

• from-space 和 to-space 只有一个在用，空间开销很大，典型的用空间换时间。

• 辅助线程 并发的帮助撤离

主垃圾回收器

上文中提到，新生代的对象，若是连续二轮GC幸存，会被晋升到老生代。

接下来，咱们来看一下，老生代的对象是如何被 主垃圾回收器所处理的。

老生代的垃圾回收会经历下面几个过程：打标 ( marking ) 、 清扫 (sweeping) **、压缩 (compacting)

打标

打标的过程, 在上文副垃圾回收器中已经讲过了

清扫

打标以后，V8 知道有哪些对象是不会被访问到，也就是须要被回收的了。这些被回收的对象所占用的位置，人走茶凉，就空了下来，成为了一个空闲的位置。

V8 会管理这些空闲的位置，以便下次有新到对象来了，能够把新到对象安置在空间位置中。

V8 把这些空闲的位置，扫到一张叫 FreeList 的表中来记录，这个过程被称为清扫，清扫的过程可让一个辅助线程在后台静默的去作掉。

压缩

若是你了解计算机操做系统，必定了解 碎片 的概念。

压缩的意思是，咱们想把 内存中的数据，挤一挤，靠得紧凑一点，把他们中间的间隙——也就是碎片 ，合并成一个大一些的连续空间。这样下次来一个比较大的对象时，能够有充足的空间来存放。

辅助线程 并发处理

在主垃圾回收器中，一样存在多辅助线程来提高效率。

首先, 辅助线程 开始并发的去打标（marking）

接下来， 当 辅助线程(helper) 的工做作完了，主线程就会暂停执行，转而进行最后的打标记工做（finalize marking）和开始清理工做 ( sweeping tasks )。

最后的打标记工做是主线程会快速的从根部从新检查一下，看有 辅助线程 是否有遗漏的，确保全部的对象都正确的扫过了

若是检查完毕OK，主线程和一部分辅助线程齐心合力一块儿作 合并碎片（Compact） 、更新（update）的操做。

另一部分辅助线程，会去并发的执行 清扫 工做，并不会影响并行内存页的整理工做和 JavaScript 的执行。

当这些工做都作完了，主线程会从新开始执行代码。

空闲时垃圾回收器

对于 JavaScript 程序员来讲，咱们是没有办法直接操做垃圾回收器的。

为了解决这个问题， V8 提出了空闲时间的概念。咱们的页面跑在浏览器内，浏览器以每秒60帧的速度去执行一些动画，浏览器大约有16.6毫秒的时间去渲染动画的每一帧。

若是这些渲染的工做，提早完成了，那么浏览器在下一帧以前的空闲时间去触发垃圾回收器。

总结

V8 的垃圾回收器项目自立项以来已经走过了漫长的道路。向现有的垃圾回收器添加并行、并发和增量垃圾回收技术通过了不少年的努力，而且也已经取得了一些成效。

将大量的移动对象的任务转移到后台进行，大大减小了主线程暂停的时间，改善了页面卡顿，让动画，滚动和用户交互更加流畅。Scavenger 回收器将新生代的垃圾回收时间减小了大约 20% - 50%，空闲时垃圾回收器在 Gmail 网页应用空闲的时候将 JavaScript 堆内存减小了 45%。并发标记清理能够减小大型 WebGL 游戏的主线程暂停时间，最多能够减小 50%。

大部分 JavaScript 开发人员并不须要考虑垃圾回收，可是了解一些垃圾回收的内部原理，能够帮助你了解内存的使用状况，以及采起合适的编范式。好比：从 V8 堆内存的分代结构和垃圾回收器的角度来看，建立生命周期较短的对象的成本是很是低的，可是对于生命周期较长的对象来讲成本是比较高的。这些模式是适用于不少动态编程语言的，而不只仅是 JavaScript。