JavaScript垃圾回收机制：原理、算法与V8优化详解

1. 垃圾为何要产生并回收

编写代码时，无论是创建基本类型、对象还是函数，都会占用内存资源。在JavaScript中，基本数据类型通常存储在栈内存中，而引用数据类型则存储在堆内存中。需要注意的是，栈内存中会保存指向堆内存中实际对象的引用地址。

例如，若我们实例化一个person实体，随后将person实体重新赋值：

var person = {
    name: "橘猫吃不胖",
    age: 2
}
person = [1, 2, 3];
console.log(person); // [ 1, 2, 3 ]

此时，堆内存中原本为person对象分配的空间依然存在，栈内存中保存着指向该对象的引用地址。但在后续操作中，person被重新赋值为一个数组，这意味着栈内存中的引用地址从原来的对象指向了新的数组。由于原有的引用关系断裂，原本堆内存中为该对象分配的空间便成为了无法访问的垃圾数据。

如果产生的垃圾数据大量堆积且未被及时清理，将严重消耗系统内存，导致性能下降，甚至可能引发系统崩溃。

2. 垃圾回收机制

JavaScript内存管理的核心概念是“可达性”（Reachability）。

那么，什么是可达性呢？假设我们定义一个对象：

let person = {
    name: "橘猫吃不胖",
    age: 2
}
console.log(person.name, person.age); // 橘猫吃不胖 2

变量person引用了这个对象。通过person.name可以获取到“橘猫吃不胖”的值，通过person.age可以获取到数值2。在这种情况下，我们可以认为“橘猫吃不胖”和数值2是“可达”的，因为它们可以通过变量访问到。

person = null;
console.log(person.name, person.age); // TypeError: Cannot read properties of null (reading 'name')

如果将person设置为null，那么这两个值将无法再通过该变量访问，它们变成了“不可达”状态。此时，JavaScript的垃圾回收机制会自动介入，从内存中清除这些不可达的对象。

JavaScript垃圾回收的核心任务就是定期找出这些不可达的对象并将其释放。目前主要有两种常用的策略来识别不可达对象：

• 标记清除法
• 引用计数法

2.1 标记清除法

标记清除法（Mark-Sweep）分为两个阶段：标记和清除。在标记阶段，垃圾回收器从根节点（如全局对象、当前执行栈等）开始遍历内存中的所有对象，并为所有可达的对象打上标记。在清除阶段，回收器会销毁所有未被打上标记的对象（即非可达对象），并回收其占用的内存。

标记清除法的主要优点是实现相对简单。

然而，它存在两个主要缺点。首先是内存碎片化问题。由于清理垃圾后，未被清除的对象在内存中的位置保持不变，而被清除对象留下的空白空间分散在已用内存中，导致内存碎片化。

第二个缺点是内存分配速度可能变慢。由于空闲内存不再是一块连续的大区域，当需要分配大小为size的新对象时，系统必须遍历空闲内存链表，寻找一块足够大（大于等于size）的连续空间进行分配，这增加了分配开销。

标记清除算法改进—— 标记整理算法

针对标记清除法导致的内存碎片化问题，可以使用标记整理算法（Mark-Compact）进行改进。

标记整理算法的标记阶段与标记清除法相同，即从根节点遍历所有对象并标记可达对象。但在标记结束后，它会将所有存活的对象移动到内存的一端，然后清理掉边界之外的内存。这种方式消除了内存碎片，但移动对象的过程可能带来额外的性能开销。

2.2 引用计数法

引用计数法（Reference Counting）通过记录每个对象被引用的次数来进行垃圾回收。如果某个对象的引用次数为0，说明它不再被使用，垃圾回收机制会立即将其清理。

示例代码如下：

let person = { name: "橘猫吃不胖" }; // { name: "橘猫吃不胖" } 引用次数为1
let person1 = person; // { name: "橘猫吃不胖" } 引用次数为2
person = null; // { name: "橘猫吃不胖" } 的引用次数为1
person1 = null; // { name: "橘猫吃不胖" } 的引用次数为0

引用计数法的优点是可以实现立即回收。当对象的引用计数降为0时，内存会被立即释放，无需等待特定的回收周期。

但它也有两个主要缺点。首先，引用计数本身需要占用额外的存储空间来维护计数器，且计数器的管理可能带来性能开销。

第二个缺点是它无法处理循环引用（Circular References）问题。例如，a对象引用了b对象，同时b对象也引用了a对象，且这两个对象相互引用，导致它们的引用计数始终不为0。即使外部不再引用这些对象，垃圾回收机制也无法清理它们，造成内存泄漏。如下所示：

let a = { name: "橘猫吃不胖" };
let b = { age: 2 };
a.age = b;
b.name = a;

3. V8对垃圾回收机制的优化——分代式垃圾回收机制

目前大多数浏览器引擎基于标记清除算法进行优化，而V8引擎采用了更高效的“分代式垃圾回收机制”。

3.1 新生代与老生代

传统的垃圾回收机制在每次回收时都需要检查内存中的所有对象。然而，内存中的对象具有不同的生命周期：一些是大对象、老对象或存活时间长的对象，而另一些是小对象、新对象或存活时间短的对象。对所有对象采用相同的检查频率显然效率低下，因为老对象并不需要频繁清理。因此，V8引入了分代式垃圾回收机制。

V8将堆内存划分为“新生代”和“老生代”两个区域，并采用不同的回收策略。新生代主要存放存活时间较短的对象，容量通常较小，约为1MB至8MB；老生代则存放存活时间较长或常驻内存的对象，容量较大。V8整个堆内存的大小等于新生代与老生代内存之和。

3.2 新生代的垃圾回收

在新生代垃圾回收策略中，堆内存被划分为两个部分：一部分是处于使用状态的“使用区”（From Space），另一部分是处于闲置状态的“空闲区”（To Space）。

新创建的对象通常被分配到使用区。当使用区快满时，系统会执行一次垃圾回收。新生代垃圾回收机制会对使用区中的活动对象（即存活对象）进行标记，然后将这些活动对象复制到空闲区，并在复制过程中进行排序以避免内存碎片化。最后，清空使用区，并将原来的空闲区变为新的使用区，原来的使用区变为空闲区。

如果一个对象经过多次复制后依然存活，它将被视为生命周期较长的对象，从而被移动到老生代内存中。此外，如果一个对象在复制到空闲区时，发现空闲区的占用空间超过了25%，该对象也会直接进入老生代内存。

新生代回收策略——并行回收

JavaScript是单线程语言，在执行垃圾回收时，通常会阻塞JavaScript脚本的执行，这种现象称为“全停顿”（Stop-The-World）。

如果一次垃圾回收耗时100ms，那么脚本执行也必须暂停100ms。若垃圾回收时间过长，会导致页面卡顿，严重影响用户体验。为了解决这一问题，可以采用并行回收策略。

并行回收是指在主线程进行垃圾回收的同时，开启多个辅助线程共同参与回收过程。这就好比一项任务一个人需要30天完成，如果安排多人协作，可能只需10多天甚至更短时间即可完成。通过并行回收，可以显著降低垃圾回收导致的暂停时间。

新生代对象空间采用并行策略。在执行垃圾回收时，系统会启动多个线程负责新生代中的垃圾清理操作。这些线程同时将对象空间中的数据移动到空闲区域。由于数据移动会导致地址变化，系统还需要同步更新指向这些对象的指针，这一过程即为并行回收。

3.3 老生代的垃圾回收

老生代的垃圾回收主要基于标记清除算法的步骤：在标记阶段标记所有可达对象，在清除阶段销毁未标记的对象。鉴于标记清除法可能产生内存碎片，V8使用标记整理算法来优化这一过程。

老生代回收策略——增量标记与惰性清理 ①增量标记

增量标记（Incremental Marking）将一次完整的标记过程分割为多个小步骤。每执行完一个小步骤，就允许JavaScript应用逻辑执行一段时间，如此交替进行，最终完成垃圾回收。但这引入了两个新问题：如何暂停标记过程以执行JavaScript代码，以及如果在标记过程中对象的状态发生变化（从可达变为不可达，或反之）该如何处理？V8分别通过“三色标记法”和“写屏障”来解决这两个问题。

a.三色标记法

三色标记法使用三种颜色来标记对象的状态：白色表示初始状态（未被访问），黑色表示已检查状态（完全处理完毕），灰色表示待检查状态（已被访问但子对象未完全处理）。

其执行过程如下：

1. 将所有对象初始化为白色，从根节点（Root）出发，将所有直接可达的对象标记为灰色，并将它们放入一个队列中；

2. 遍历该队列，每次取出一个对象将其标记为黑色并移出队列，同时将其相邻的未访问对象涂成灰色并加入队列，直到队列为空；

3. 继续检查是否有灰色对象，如果有则继续将其加入队列并循环处理，直到所有可达对象都变为黑色。

采用三色标记法后，当程序恢复执行时，系统可以直接判断内存中是否存在灰色节点。如果存在灰色节点，则从该节点继续执行标记过程；如果没有，则直接进入垃圾清理阶段。

b.写屏障

写屏障（Write Barrier）用于解决标记过程中对象状态变更的问题。如果在执行JavaScript代码时，内存中标记好的对象引用关系被修改（例如，一个黑色对象引用了一个白色对象），写屏障会将该白色对象重新标记为灰色，以确保在下一轮标记中能正常处理该对象，从而保证回收的正确性。

②惰性清理

增量标记完成后，开始执行垃圾清理。如果当前可用内存足以支持代码的快速执行，则无需立即清理所有内存。此外，清理过程也不必一次性完成，可以根据需要逐步进行。

优点：大大减少了主线程停顿的时间，使浏览器与用户的交互更加流畅。

缺点：虽然减少了单次停顿时间，但并未减少主线程的总暂停时间，甚至可能因多次小停顿而略微增加总耗时。

老生代回收策略——并发回收

并发回收（Concurrent Marking）是指主线程在执行JavaScript代码的同时，辅助线程可以在后台完成垃圾回收操作。在辅助线程执行垃圾回收期间，主线程可以自由执行JavaScript代码，两者互不阻塞。

垃圾回收机制多次阅读之后，我受益匪浅，因此写该文章记录一下~

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