JS内存管理

前言

这是一篇JavaScript内存相关的笔记，介绍一下堆栈和内存管理相关的知识

栈空间和堆空间

假如有下面的代码

function foo(){
    var a = "极客时间"
    var b = a
    var c = {name:"极客时间"}
    var d = c
}
foo()

最终的内存的示意图如下所示：

从上图你可以清晰地观察到

原始类型是存放在栈空间里的，原始值会被复制一份直接保存在变量上
对象类型是存放在堆空间的，在栈空间中只是保留了对象的引用地址

你也许会感到奇怪，可以把所有数据直接存放在“栈”中嘛？

答案是不可以的，因为 JavaScript 引擎需要用栈来维护程序执行期间上下文的状态，如果栈空间大了话，所有的数据都存放在栈空间里面，那么会影响到上下文切换的效率，进而又影响到整个程序的执行效率。

所以通常情况下，栈空间都不会设置太大，主要用来存放一些原始类型的小数据。而引用类型的数据占用的空间都比较大，所以这一类数据会被存放到堆中，堆空间很大，能存放很多大的数据，不过缺点是分配内存和回收内存都会占用一定的时间。

闭包

有下面的代码

function foo() {
    var myName = "极客时间"
    let test1 = 1
    const test2 = 2
    var innerBar = { 
        setName:function(newName){
            myName = newName
        },
        getName:function(){
            console.log(test1)
            return myName
        }
    }
    return innerBar
}
var bar = foo()
bar.setName("极客邦")
bar.getName()
console.log(bar.getName())

你可能会觉得，由于变量 myName、test1、test2 都是原始类型数据，所以在执行 foo 函数的时候，它们会被压入到调用栈中；当 foo 函数执行结束之后，调用栈中 foo 函数的执行上下文会被销毁，其内部变量 myName、test1、test2 也应该一同被销毁。

但是由于 foo 函数产生了闭包，所以变量 myName 和 test1 并没有被销毁，而是保存在内存中，具体的操作是这样的

当 JavaScript 引擎执行到 foo 函数时，首先会编译，并创建一个空执行上下文。
在编译过程中，遇到内部函数 setName，JavaScript 引擎还要对内部函数做一次快速的词法扫描，发现该内部函数引用了 foo 函数中的 myName 变量，由于是内部函数引用了外部函数的变量，所以 JavaScript 引擎判断这是一个闭包，于是在堆空间创建换一个“closure(foo)”的对象（这是一个内部对象，JavaScript 是无法访问的），用来保存 myName 变量。
接着继续扫描到 getName 方法时，发现该函数内部还引用变量 test1，于是 JavaScript 引擎又将 test1 添加到“closure(foo)”对象中。这时候堆中的“closure(foo)”对象中就包含了 myName 和 test1 两个变量了。
由于 test2 并没有被内部函数引用，所以 test2 依然保存在调用栈中。

图示如下

垃圾回收

有些数据被使用之后，可能就不再需要了，我们把这种数据称为垃圾数据。如果这些垃圾数据一直保存在内存中，那么内存会越用越多，所以我们需要对这些垃圾数据进行回收，以释放有限的内存空间。

垃圾回收策略的分类

通常情况下，垃圾数据回收分为手动回收和自动回收两种策略。

如 C/C++ 就是使用手动回收策略，何时分配内存、何时销毁内存都是由代码控制的，你可以参考下面这段 C 代码：


//在堆中分配内存
char* p =  (char*)malloc(2048);  //在堆空间中分配2048字节的空间，并将分配后的引用地址保存到p中
 
 //使用p指向的内存
 {
   	//....
 }
 
//使用结束后，销毁这段内存
free(p)；
p = NULL；

从上面这段 C 代码可以看出来，要使用堆中的一块空间，我们需要先调用 malloc 函数分配内存，然后再使用；当不再需要这块数据的时候，就要手动调用 free 函数来释放内存。如果这段数据已经不再需要了，但是又没有主动调用 free 函数来销毁，那么这种情况就被称为内存泄漏。

另外一种使用的是自动垃圾回收的策略，如 JavaScript、Java、Python 等语言，产生的垃圾数据是由垃圾回收器来释放的，并不需要手动通过代码来释放。

因为数据是存储在栈和堆两种内存空间中的，所以接下来我们就来分别介绍“栈中的垃圾数据”和“堆中的垃圾数据”是如何回收的。

回收栈空间中的数据

有下面的代码

function foo(){
    var a = 1
    var b = {name:"极客邦"}
    function showName(){
      var c = 2
      var d = {name:"极客时间"}
    }
    showName()
}
foo()

在showName执行完毕时，会销毁showName对应的栈空间

具体的操作是ESP （记录当前执行状态的指针）向下移动到 foo 函数的执行上下文中，上面 showName 的执行上下文虽然保存在栈内存中，但是已经是无效内存了。比如当 foo 函数再次调用另外一个函数时，这块内容会被直接覆盖掉，用来存放另外一个函数的执行上下文。

所以说，当一个函数执行结束之后，JavaScript 引擎会通过向下移动 ESP 来销毁该函数保存在栈中的执行上下文。

回收堆内存中的数据

通过上面的讲解，我想现在你应该已经知道，当上面那段代码的 foo 函数执行结束之后，ESP 应该是指向全局执行上下文的，那这样的话，showName 函数和 foo 函数的执行上下文就处于无效状态了，不过保存在堆中的两个对象依然占用着空间，如下图所示：

这时候，要回收堆中的垃圾数据，就需要用到 JavaScript 中的垃圾回收器了。

代际假说和分代收集

不过在正式介绍 V8 是如何实现回收之前，你需要先了解下代际假说（The Generational Hypothesis）的内容，这是垃圾回收领域中一个重要的术语，后续垃圾回收的策略都是建立在该假说的基础之上的。

第一个是大部分对象在内存中存在的时间很短，简单来说，就是很多对象一经分配内存，很快就变得不可访问；
第二个是不死的对象，会活得更久。

这两个特点不仅仅适用于 JavaScript，同样适用于大多数的动态语言，如 Java、Python 等。有了代际假说的基础，我们就可以来探讨 V8 是如何实现垃圾回收的了。

通常，垃圾回收算法有很多种，但是并没有哪一种能胜任所有的场景，你需要权衡各种场景，根据对象的生存周期的不同而使用不同的算法，以便达到最好的效果。

所以，在 V8 中会把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。

垃圾回收器的工作流程

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。

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。
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。
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。

新生代的回收

副垃圾回收器主要负责新生区的垃圾回收。而通常情况下，大多数小的对象都会被分配到新生区，所以说这个区域虽然不大，但是垃圾回收还是比较频繁的。

新生代中用 Scavenge 算法来处理。所谓 Scavenge 算法，是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，如下图所示：

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。

由于新生代中采用的 Scavenge 算法，所以每次执行清理操作时，都需要将存活的对象从对象区域复制到空闲区域。但复制操作需要时间成本，如果新生区空间设置得太大了，那么每次清理的时间就会过久，所以为了执行效率，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。

老生代的回收

主垃圾回收器主要负责老生区中的垃圾回收。除了新生区中晋升的对象，一些大的对象会直接被分配到老生区。因此老生区中的对象有两个特点

对象占用空间大
对象存活时间长。

由于老生区的对象比较大，若要在老生区中使用 Scavenge 算法进行垃圾回收，复制这些大的对象将会花费比较多的时间，从而导致回收执行效率不高，同时还会浪费一半的空间。因而，主垃圾回收器是采用标记 - 清除（Mark-Sweep）的算法进行垃圾回收的。下面我们来看看该算法是如何工作的。

标记阶段就是从一组根元素开始，递归遍历这组根元素，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。

接下来就是垃圾的清除过程。它和副垃圾回收器的垃圾清除过程完全不同，你可以理解这个过程是清除掉红色标记数据的过程

上面的标记过程和清除过程就是标记 - 清除算法，不过对一块内存多次执行标记 - 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，于是又产生了另外一种算法——标记 - 整理（Mark-Compact），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。你可以参考下图：

全停顿

现在你知道了 V8 是使用副垃圾回收器和主垃圾回收器处理垃圾回收的，不过由于 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（Stop-The-World）。

比如堆中的数据有 1.5GB，V8 实现一次完整的垃圾回收需要 1 秒以上的时间，这也是由于垃圾回收而引起 JavaScript 线程暂停执行的时间，若是这样的时间花销，那么应用的性能和响应能力都会直线下降。

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。如果在执行垃圾回收的过程中，占用主线程时间过久，导致卡顿

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。

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