深入理解JS内存管理机制
本期内容
前言
内存结构
内存回收
总结
一、前言
在相当长一段时间里，JS运行时的内存问题都不被前端开发人员所关注。一方面，日常开发中基本不会遇上需要对内存精准控制的场景，另一方面，写JS不需要像写 C/C++ 那样在开发过程中随时关注内存的分配和释放问题。
随着生态的逐渐完善，JS的执行环境也不再局限于浏览器中。目前，JS主要的执行场景包括服务端（NodeJS、Deno）、桌面端（Electron）、浏览器（Chrome、Microsoft Edge）。
其中，JS执行引擎 V8 因其优异的性能表现，已经成为主流。因此，本文对JS内存管理模型的研究也将基于V8展开。
二、内存结构
上图展示了V8引擎的内存结构，整体上分成两部分：
2.1 堆内存
这里是存储对象或动态数据的地方，也是占比最大的内存区域。堆内可以细分以下区域：
新生代(Young generation)新生代是新对象存在的地方，这些对象中的大多数都是短暂存在的。这部分空间很小（默认情况下16~32M），并且拆分成了两个空间。空间使用 Minor GC (Scavenger) 进行垃圾回收。老生代(Old generation)新生代中经历了两个Minor GC 周期的对象会被转移到老生代中存放。这里占据着大量的内存空间（默认情况下700~1400M） 空间使用 Major GC(Mark-Sweep & Mark-Compact) 进行垃圾回收。大对象区(LARGE OBJECT SPACE)超过一定大小的对象会直接在大对象区中被创建，并在不被使用时将其直接回收。代码区(CODE SPACE)这是 即时编译器（JIT） 存储编译代码块的地方。其他区(CELL, PROPERTY CELL,MAP SPACE)这些空间存放大小相同的对象，并且对它们指向的对象类型有一些限制。比如MAP SPACE里存放的是hidden class信息，这能让V8快速定位到对象值所在的内存区。
2.2 栈内存
栈是用来存储静态数据的地方，内容主要包括：
基本类型（Number, Boolean, String, Null, Undefined, Symbol, BigInt）对于基本类型，系统会为新的变量在栈内存中分配一个新值。引用类型系统会为新的变量在栈内存中分配一个值，这个值是一个对象的引用。调用栈解释器创建了调用栈来记录函数的调用过程。每调用一个函数，解释器就把该函数添加进调用栈，解释器会为被添加进来的函数创建一个栈帧（用来保存函数的局部变量以及执行语句）并立即执行。如果正在执行的函数还调用了其他函数，新函数会继续被添加进入调用栈。
三、内存回收
栈内存 其实是由操作系统进行自动管理的，本文不做讨论。
堆内存 由V8进行管理，它占据最大的内存空间，并且随着程序运行时间的增加可能会持续增长，最终耗尽内存。它也会变得碎片化，影响程序运行的速度。这时内存回收的重要性就体现出来了。
要进行内存回收，需要先明确一个问题：什么样的数据可以被回收。
V8通过回收 不可达对象 来释放堆内存，整个回收过程总体可以分为 标记 和 回收 两个阶段，涉及到的原理是 三色标记 和 分代回收 。
3.1 新生代
从 2.1堆内存 小节中我们知道，新生代被拆分成两个小空间，使用 Minor GC (Scavenger) 进行垃圾回收。Minor GC (Scavenger) 我们可以简称为次要GC。
两个拆分出来的空间分别称之为 to-space 和 from-space。新加入的对象都会存放到from-space，当from-space被填满时，会触发次要GC。
GC过程：
标记 从堆栈指针开始递归遍历 from-space 中的对象图查找 活跃对象。 复制 将这些对象复制到 to-space 中（包括被这些对象引用的所有对象）。重复此操作，直到扫描 from-space 中的所有对象。另外，to-space 会分配连续的内存块，以减少碎片。 清除 清空 from-space，因为此时剩余的对象都是可回收的。 交换 将 to-space 和 from-space 互换，即 to-space 变成 from-space。
回收的最后一步是更新引用已移动的原始对象的指针。每个被复制的对象都会留下一个新地址，用于更新原始指针以指向新位置。
此时还存在一个问题：随着活跃对象的累积，from-space 很快会被填满。
这时就轮到老生代出场了，在新生代中经历两次GC并存活下来的对象，会被转移到老生代，这个过程被称为晋升。如下图：
至此，新生代一次完整的垃圾回收就完成了。
3.2 老生代
在老生代中，垃圾回收为主要GC（Major GC），包含了 标记清除（Mark-Sweep） 和 标记整理（Mark-Compact）。
GC过程：
标记 垃圾收集器识别哪些对象正在使用，哪些对象未使用。正在使用或可从GC根域递归访问的对象被标记为活跃对象。 清除 清除未被标记为活跃对象的数据。 整理 如果碎片较多，会将存活的对象移动到一起，减少碎片提高内存使用率。
3.3 三色标记
之前提到，垃圾回收时会先标记 活跃对象 来区分对象是否应该被回收，这里就涉及到了三色标记算法。
标记位有三种颜色：
白色 对象未被标记。 灰色 对象已经被标记，但对象内属性还未遍历完成。 黑色 对象已经被标记，且对象内的属性也已完成遍历（活跃对象）。
标记过程：
开始标记初始所有对象都是白色，当收集器发现白色对象并将其推送到标记工作列表时，会将其标记成灰色。
标记完成对象当收集器访问目标对象的所有字段后，会将对象的颜色由灰色变为黑色。
标记结束当没有灰色对象时，代表标记结束。此时剩余的白色对象表示无法访问，可以被回收。
经历过以上三步，一次完整的标记过程就完成了。
3.4 回收优化
现在我们知道，一次垃圾回收总需要经历 标记，回收，整理 等阶段。
事实上，整个垃圾回收的过程是非常耗时的，比如光是标记整个堆内存的活跃对象可能就要花费数百毫秒，并且期间会阻塞程序的正常的执行。
对此，V8也在持续优化，目前主要的优化方式有：
增量标记通过将标记任务拆分成一系列小任务，确保每次标记任务的持续时间在
5~10毫秒。当堆的占用空间达到某个阈值大小时，开始激活标记任务，此后每分配一定量的内存，就会执行增量标记。增量标记与常规标记一样，本质上都是深度优先搜索，同样使用的是三色标记算法。并行 & 并发
并行V8会创建辅助线程，与主线程同时处理GC任务。这样GC时间就约等于总时间除以协同的线程数了。并发这里的并发是指主线程不再处理GC任务，而是由辅助线程来执行。这样的好处是垃圾回收不再阻塞正常任务的执行。惰性清除 当所有对象都被标记完成，此时已经可以进行垃圾清除的工作。但实际上这部分工作可以延迟执行，尤其是当内存足够的时候。V8会在合适的时间点执行清除工作，比如工作线程空闲，或者内存不足的时候。
总结
内存管理是一件非常复杂的事情，本文主要从 内存结构 和 内存回收 两个方面进行了介绍，并且隐藏了其中的一些细节。
在V8的内存管理模型中，其实能学习到一些通用的内存管理思想和性能优化方法。比如，垃圾回收总是会围绕标记，清除，整理展开。在标记算法上，V8 和 JAVA,Golang,PHP 等编程语言一样，使用了三色标记。在性能优化上，多进程/多线程， 分步， 异步， 延迟 等方式也总能发挥作用。
参考资料
《深入浅出nodeJS》 https://v8.dev/ https://deepu.tech/memory-management-in-programming https://en.wikipedia.org/wiki/Tracing_garbage_collection#Implementation_strategies http://jayconrod.com/posts/55/a-tour-of-v8-garbage-collection