V8 的垃圾回收和内存限制

前言

在第三次浏览器大战中,来自 Google 的 Chrome 浏览器凭借优异的性能成为聚光灯下的焦点。而 Chrome 的成功离不开站在其背后的 JavaScript 引擎 V8。

随着 V8 的出现，让 JavaScript 彻底摆脱了作为脚本语言性能低下的形象。V8 出色的性能让 JavaScript 出现在高性能后台服务程序开发的舞台上。也正是因为这样的契机，在 2009 年，Node 的创始人 Ryan Dahl 选择了 V8 作为 Node 的 JavaScript 脚本引擎。在事件驱动、非阻塞 I/O 模型的设计下实现了 Node。

但是需要了解的是，Node 虽然在 JavaScript 的执行上受益于 V8，极大的扩宽了 JavaScript 的应用场景，让其应用场景从客户端进军到了服务端，但是也同时受到了 v8 的限制，对于性能敏感的服务端的程序，内存管理、垃圾回收都会对服务的构成产生影响，而这些都和 v8 有着很大的关系。

V8 的内存限制

在 Node 中如果通过 JavaScript 使用内存操作时会发现实际只能使用部分内存(64 位系统下约为 1.4G，32 位系统下约为 0.7G),这种限制对于其他的服务端开发语言来说基本上都是不存在的。

而 V8 的这种限制导致的结果是 Node 无法直接操作大内存对象。在单个 Node 进程的情况下，计算机的内存资源无法得到充足的使用。

而问题的原因在于 Node 是基于 V8 构建，所以在 Node 中使用对象都是通过 V8 自己的方式进行分配和管理。

而其内存管理机制在浏览器的场景下问题不大，但是对于 Node，却使得 Node 有了这般限制。

V8 的垃圾回收算法

V8 的垃圾回收策略主要基于分代式垃圾回收机制。

在应用中，对象的生存周期长短不一，不同的算法只能针对特定情况产生较为良好的效果。所以在现代的垃圾回收算法中按对象的存活时间将内存的垃圾回收进行不同的分代，然后对不同分代的内存施以更高效的算法。

在 V8 中，所有的 JavaScript 对象都是通过堆来进行分配。我们可以通过 process.memoryUsage()这个方法返回的 heapTotal 和 heapUsed 来查看堆的使用情况,前者是以申请的堆内存，后者是当前使用的量。如果在代码中使用的对象使用的空间超过了申请的空间，那么就会继续申请堆内存，直到堆的大小超过 V8 的限制。

在 V8 中，主要将堆分为新生代和老生代两个区域，新生代中存放的是生存时间短的对象，老生代中存放的生存时间久的对象。

新生区通常只支持 1～8M 的容量，而老生区支持的容量就大很多了。对于这两块区域，V8 分别使用两个不同的垃圾回收器，以便更高效地实施垃圾回收。

· 副垃圾回收器，主要负责新生代的垃圾回收。

· 主垃圾回收器，主要负责老生代的垃圾回收。

不论什么类型的垃圾回收器，它们都有一套共同的执行流程。

1. 第一步是标记空间中活动对象和非活动对象。所谓活动对象就是还在使用的对象，非活动对象就是可以进行垃圾回收的对象。

2. 第二步是回收非活动对象所占据的内存。其实就是在所有的标记完成之后，统一清理内存中所有被标记为可回收的对象。

3. 第三步是做内存整理。一般来说，频繁回收对象后，内存中就会存在大量不连续空间，我们把这些不连续的内存空间称为内存碎片，。当内存中出现了大量的内存碎片之后，如果需要分配较大连续内存的时候，就有可能出现内存不足的情况。所以最后一步需要整理这些内存碎片。(这步其实是可选的，因为有的垃圾回收器不会产生内存碎片).

新生代中的垃圾回收

新生代中用 Scavenge 算法来处理，把新生代空间对半划分为两个区域，一半是对象区域，一半是空闲区域。新加入的对象都会存放到对象区域，当对象区域快被写满时，就需要执行一次垃圾清理操作。

在垃圾回收过程中，首先要对对象区域中的垃圾做标记；标记完成之后，就进入垃圾清理阶段，副垃圾回收器会把这些存活的对象复制到空闲区域中，同时它还会把这些对象有序地排列起来，所以这个复制过程，也就相当于完成了内存整理操作，复制后空闲区域就没有内存碎片了。

完成复制后，对象区域与空闲区域进行角色翻转，也就是原来的对象区域变成空闲区域，原来的空闲区域变成了对象区域。这样就完成了垃圾对象的回收操作，同时这种角色翻转的操作还能让新生代中的这两块区域无限重复使用下去.

为了执行效率，一般新生区的空间会被设置得比较小,也正是因为新生区的空间不大，所以很容易被存活的对象装满整个区域。为了解决这个问题，JavaScript 引擎采用了对象晋升策略,也就是经过两次垃圾回收依然还存活的对象，会被移动到老生区中。

老生代中的垃圾回收

老生代中用标记 - 清除（Mark-Sweep）的算法来处理。首先是标记过程阶段，标记阶段就是从一组根元素开始，递归遍历这组根元素(遍历调用栈)，在这个遍历过程中，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垃圾数据.然后在遍历过程中标记，标记完成后就进行清除过程。它和副垃圾回收器的垃圾清除过程完全不同，这个的清除过程是删除标记数据。

清除算法后，会产生大量不连续的内存碎片。而碎片过多会导致大对象无法分配到足够的连续内存，于是又产生了标记 - 整理（Mark-Compact）算法，这个标记过程仍然与标记 - 清除算法里的是一样的，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存，从而让存活对象占用连续的内存块。

增量标记算法和全停顿

由于 JavaScript 是运行在主线程之上的，一旦执行垃圾回收算法，都需要将正在执行的 JavaScript 脚本暂停下来，待垃圾回收完毕后再恢复脚本执行。我们把这种行为叫做全停顿。

在 V8 新生代的垃圾回收中，因其空间较小，且存活对象较少，所以全停顿的影响不大，但老生代就不一样了。如果执行垃圾回收的过程中，占用主线程时间过久，主线程是不能做其他事情的。比如页面正在执行一个 JavaScript 动画，因为垃圾回收器在工作，就会导致这个动画在垃圾回收过程中无法执行，这将会造成页面的卡顿现象。

为了降低老生代的垃圾回收而造成的卡顿，V8 将标记过程分为一个个的子标记过程，同时让垃圾回收标记和 JavaScript 应用逻辑交替进行，直到标记阶段完成，我们把这个算法称为增量标记（Incremental Marking）算法.

使用增量标记算法，可以把一个完整的垃圾回收任务拆分为很多小的任务，这些小的任务执行时间比较短，可以穿插在其他的 JavaScript 任务中间执行，这样当执行上述动画效果时，就不会让用户因为垃圾回收任务而感受到页面的卡顿了。