浏览器原理系列-JS内存机制和垃圾回收

JS语言设计了自动回收的垃圾机制，不需要开发者声明如何使用内存，导致内存管理和垃圾回收经常被前端开发者忽视，本文来聊聊 JavaScript 语言的内存机制和垃圾回收机制。

一、JavaScript 的类型

前端开发者都知道 JavaScript 是一种弱类型的、动态的语言，特点分别是：

• 弱类型 ，不需声明 JavaScript 引擎这个或那个变量是什么数据类型，JavaScript 引擎在运行代码的时候自己会计算出来。

• 动态 ，意味着你可以使用同一个变量保存不同类型的数据。

这是 JavaScript 语言的特色之一。

JavaScript 语言的数据类型分为两种：原始类型和引用类型。之所以分成两种不同的类型，是因为它们在内存中存放的位置并不一样。

二、内存空间

在 JavaScript 的执行过程中， 主要有三种类型内存空间，分别是 代码空间 、 栈空间 和 堆空间 。其中代码空间主要存储可执行代码。下面来看看栈空间和堆空间如何存储变量。

栈空间和堆空间

栈空间即调用栈，用来存储执行上下文，包括变量环境、词法环境等。举个例子来看占空间是如何存储数据的:

function foo(){
 var a = "Chrome"
 var b = a
 var c = {name:"Chrome"}
 var d = c
}
foo()

当执行一段代码时，需要先编译、创建执行上下文，然后才能顺序执行代码。当执行到第 3 行代码时，其调用栈的状态，你可以参考下面这张调用栈状态图：

从图中可以看出来，当执行到第 3 行时，变量 a 和变量 b 的值都被保存在执行上下文中，而执行上下文又被压入到栈中，所以你也可以认为变量 a 和变量 b 的值都是存放在栈中的。

接下来继续执行第 4 行代码， 由于 JavaScript 引擎判断右边的值是一个引用类型，这时候处理的情况就不一样了，JavaScript 引擎并不是直接将该对象存放到变量环境中，而是将它分配到堆空间里面，分配后该对象会有一个在“堆”中的地址，然后再将该数据的地址写进 c 的变量值 ，最终分配好内存的示意图如下所示：

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，当 JavaScript 需要访问该数据的时候，是通过栈中的引用地址来访问的。

那为什么原始类型的数据值直接保存在“栈”中的，而引用类型的值存放在“堆”中？所有的数据都放在栈中不就可以了吗？

答案是不可以的。这是 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。 比如文中的 foo 函数执行结束了，JavaScript 引擎需要离开当前的执行上下文，只需要将指针下移到上个执行上下文的地址就可以了，foo 函数执行上下文栈区空间全部回收。

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。

继续回到示例代码那里，看看它最后一步将变量 c 赋值给变量 d 是怎么执行的？

在 JavaScript 中，赋值操作和其他语言有很大的不同， 原始类型的赋值会完整复制变量值，而引用类型的赋值是复制引用地址。 所以d=c的操作就是把 c 的引用地址赋值给 d，此时内存状态如下：

从图中可以看到， 变量 c 和变量 d 都指向了同一个堆中的对象，归根结底它们是同一个对象 。

闭包在内存中的实现

前文提到，闭包是词法作用域下的产物，那闭包在内存中是怎么存储的呢？

继续以 浏览器原理系列-JS执行上下文详解​ 一文闭包的示例代码来一探究竟：

function foo() {
    var myName = "IE";
    let test1 = 1;
    const test2 = 2;
    var innerBar = {
        getName:function(){
            console.log(test1);
            return myName;
        },
        setName:function(newName){
            myName = newName;
        }
    }
    return innerBar;
}
var bar = foo();
bar.setName("Chrome");
bar.getName();
console.log(bar.getName());

下图是代码执行到 setName 时调用栈的情况：

从图中我们可以看到图中 foo 函数拥有一个闭包，包含了test 和 myName 两个变量，那这个闭包是如何形成的呢？我们来从内存模型的角度来分析一下这段代码的执行流程。

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

通过上面的分析，我们可以画出执行到 foo 函数中“return innerBar”语句时的调用栈状态，如下图所示：

当执行到 foo 函数时，闭包就产生了；当 foo 函数执行结束之后，返回的 getName 和 setName 方法都引用“clourse(foo)”对象，所以即使 foo 函数退出了，“clourse(foo)”依然被其内部的 getName 和 setName 方法引用。所以在下次调用 bar.setName 或者 bar.getName 时，创建的执行上下文中就包含了“clourse(foo)”。

总的来说， 产生闭包的核心有两步：第一步是需要预扫描内部函数；第二步是把内部函数引用的外部变量保存到堆中。

V8引擎如何存储对象

灵魂发问：访问对象的属性复杂度是多少？ 大家可以先思考一下，下篇文章《浏览器原理系列-V8引擎对象存储的优化》将来分析这个问题。

三、垃圾回收

垃圾回收策略

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。大家熟悉的 C/C++ 语言属于手动回收策略，需要开发者手动控制内存的分配和销毁，另一种策略是自动垃圾回收策略，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。

JavaScript “自动”释放资源这个特性让很多 JavaScript 开发者误以为可以不关心内存管理，这是一个很大的误解。下面我们来看看 JavaScript 是如何进行垃圾回收的。

调用栈中的数据是如何回收的

前文提到，JavaScript 在执行过程中会将执行上线压入执行栈中形成调用栈，同时， 有一个记录当前执行状态的指针，称为ESP，指向调用栈中正在执行的上下文 。当函数执行完成时，需要销毁其执行上下文，JavaScript 引擎会将 ESP 下移一位，这个下移操作就是销毁栈顶的执行上下文。因为指针下移，这部分内存就会成为无效内存，当另一个调用上下文压入堆栈时，这块内容会被直接覆盖掉，用来存放另外一个函数执行的上下文。

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

前文提到非基本类型的数据存储在堆中，调用上下文通过 ESP 指针向下偏移释放栈空间，但在调用上下文声明的引用类型的变量依然占用着堆空间。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

在具体了解 JavaScript 垃圾回收策略前，需要学习一个假说，JavaScript 的垃圾回收策略就建立在该假说的基础之上。

代际假说有以下两个特点：

• 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。

其实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。

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，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: 标记-回收-内存整理

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。其实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。所以最后一步需要整理这些内存碎片，但这步其实是可选的，因为有的垃圾回收器不会产生内存碎片，比如JavaScript 中的副垃圾回收器。

副垃圾回收器

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。

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 。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 。

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。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，一个是对象占用空间大，另一个是对象存活时间长。

主垃圾回收器采用 标记 - 清除（Mark-Sweep） 的算法进行垃圾回收。

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 。

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，这个过程是清除掉红色标记数据的过程，可参考下图大致理解下其清除过程： 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。 可以参考下图：

全停顿和增量标记

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） 。

当堆中的数据有 1.5GB 时，V8 实现一次完成的垃圾回收需要1秒以上的时间，在这1秒内，由于垃圾回收导致 JavaScript 线程暂停执行，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。在执行垃圾回收的过程中，占用主线程时间较长。

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。而后续的清理和整理也分别采用延迟清理（lazy sweeping）和增量整理（incremental compact）。

增量回收过程较为复杂，需要解决两个难点：暂停重启和程序执行过程中的“副作用”。有兴趣的同学可以看看 三色标记 。本文就不做深度的讨论了。