浏览器原理 12 # 垃圾回收：垃圾数据是如何自动回收的？

说明

浏览器工作原理与实践专栏学习笔记

什么是垃圾数据

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。

不同语言的垃圾回收策略

垃圾数据回收分为手动回收和自动回收两种策略。

手动回收

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：

分配内存–>指向内存–>使用结束后，销毁这段内存。如果数据已经不再需要了，但是又没有主动调用函数来销毁，那么这种情况就被称为内存泄漏。

自动回收

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。

调用栈中的数据是如何回收的

ESP

我们先熟悉一下汇编语言关键词：ESP、EBP

ESP（Extended Stack Pointer）为扩展栈指针寄存器，是指针寄存器的一种，用于存放函数栈顶指针。与之对应的是EBP（Extended Base Pointer），扩展基址指针寄存器，也被称为帧指针寄存器，用于存放函数栈底指针。------>来自百度百科

例子

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

当执行到第 6 行代码时：内存模型如下

当 foo 函数执行结束之后，foo 函数的执行上下文会从堆中被销毁掉，那么它是怎么被销毁的呢？

过程分析：

如果执行到 showName 函数时，那么 JavaScript 引擎会创建 showName 函数的执行上下文
将 showName 函数的执行上下文压入到调用栈中，与此同时，还有一个记录当前执行状态的指针（称为 ESP）
ESP 指向调用栈中 showName 函数的执行上下文，表示当前正在执行 showName 函数。
当 showName 函数执行完成之后，函数执行流程就进入了 foo 函数（这时就需要销毁 showName 函数的执行上下文）
JavaScript 会将 ESP 下移到 foo 函数的执行上下文，这个下移操作就是销毁 showName 函数执行上下文的过程。

移动 ESP 前后的对比图：

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。

堆中的数据是如何回收的

foo 函数执行结束之后，ESP 应该是指向全局执行上下文，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。

内存状态图：我们可以看到 1003 和 1050 这两块内存依然被占用。

要回收堆中的垃圾数据，就需要用到 JavaScript 中的垃圾回收器。

V8 是如何实现回收？

代际假说和分代收集

代际假说（The Generational Hypothesis）

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，很重要。

两个特点

第一个：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：不死的对象，会活得更久

分代收集

两个区域：

V8 中会把堆分为新生代和老生代两个区域

新生代：存放的是生存时间短的对象，通常只支持 1～8M 的容量
老生代：存放的生存时间久的对象

两个垃圾回收器

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。

V8 把堆分成两个区域——新生代和老生代，并分别使用两个不同的垃圾回收器。

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：标记空间中活动对象和非活动对象。
第二步：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：做内存整理。
- 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。

概念

活动对象：还在使用的对象

非活动对象：可以进行垃圾回收的对象

内存碎片：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，这些不连续的内存空间称为内存碎片

对象晋升策略：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。

副垃圾回收器

副垃圾回收器主要负责新生区的垃圾回收。

新生代中用 Scavenge 算法来处理。

Scavenge 算法：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。

如下图所示：

首先要对对象区域中的垃圾做标记
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
完成复制后，对象区域与空闲区域进行角色翻转，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。

注意：

复制过程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。
复制操作需要时间成本，为了执行效率，一般新生区的空间会被设置得比较小。
新生区的空间不大，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

主垃圾回收器

主垃圾回收器主要负责老生区中的垃圾回收，采用标记 - 清除（Mark-Sweep）的算法进行垃圾回收的。

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

老生区中不使用 Scavenge 算法进行垃圾回收原因：

复制大的对象将会花费比较多的时间，导致回收执行效率不高
浪费一半的空间

标记 - 清除（Mark-Sweep）的算法

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，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。

ESP 向下移动，指向了 foo 函数的执行上下文时，标记过程如图：

1003 这块数据为垃圾数据，被标记为红色。
1050 这块数据被变量 b 引用了，所以这块数据会被标记为活动对象。

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

注意：

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）

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。

全停顿

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）。

主垃圾回收器执行一次完整的垃圾回收流程

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。如果在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，这将会造成页面的卡顿现象。

那么有没有什么方法解决老生代的垃圾回收而造成的卡顿？

请看下面的算法。

增量标记（Incremental Marking）算法

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。

就是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。