垃圾回收器

在讲垃圾收回器之前，首先需要明确一些概念。 JavaScript 是弱类型的动态语言。

弱类型表示不需要告诉 JavaScript 声明的语言是什么类型，JavaScript 便能自动计算出类型；

动态表示 JavaScript 可以用一个变量存储不同类型的语言；

JavaScript 的数据类型：

基础类型：Undefined、Null、String、Boolean、Number、BigInt、Symbol

引用类型：Object

了解了上面的概率后，先来做一道题：

// 题1function show1() {  var a = 1;  var b = a;  a = 100;  console.log(a, b);}show1();// 题2function show2() {  var a = { name: "zhangsan" };  var b = a;  a.name = "lisi";  console.log(a.name, b.name);}show2();

猜猜上面的两个方法执行后，分别打印的是什么？ 执行方法 show1，很明显打印的值，a为100，b为1；执行方法 show2，打印的值a、b的name值都为lisi。 这是为什么呢？方法 show1 中，声明的 a、b 变量都是基础类型，方法 show2 中的声明的 a、b 变量是 object，即为引用类型，所以区别应该就在此。 要完全弄懂这点，需要先知道 JavaScript 中，变量在内存空间中是如何存储的。

内存空间

要理解 JavaScript 代码运行过程中，是如何存储的，首先要弄清楚存储空间的种类：

代码空间：存储可执行代码的空间；

栈空间：存储基础类型的空间；

堆空间：存储引用类型的空间；

如下图所示：

代码空间会在后续的文章中进行讲解，本文不会涉及。

栈空间和堆空间

栈空间就是前面文章中反复提到过的调用栈，用来存储执行上下文。先复习一下栈空间中是如何存储执行上下文，看下面的代码：

function show() {  var a = 1;  var b = { name: "zhangsan" };  var c = a;  var d = b;}show();

当代码编译后，遇到函数调用，就会在栈空间中创建一个执行上下文，然后在按照顺序执行下去。调用 show 方法时，会在栈空间生成一段执行上下文，存储 show 方法中声明的变量，如下图所示：

从图中可以看到，代码执行到变量 b 时，判断到 b 声明的变量是一个引用类型，JavaScript 声明引用类型的变量并不是存在栈空间中，而是存在堆空间中，存储后堆空间中会生成一个地址，然后将地址写进变量 b 的值，同样在执行 d = b 时，d 的变量值存储的是堆中的地址，如图：

由图可知，b 和 d 在栈空间存储的是堆空间的引用地址，b 和 d 指向堆中同一个地址空间，因此，这儿就解释了，在开头例子中，改变了 a.name 的值，b.name 的值也会跟随改变。

到这里，我们知道栈空间存储的基础类型，堆空间存储的是引用类型。声明引用类型的变量，会在堆中开辟一片空间进行存储，并在堆中生成一个地址，栈空间对应值存的只是堆的地址。相当于做了一次中转。

了解了栈空间和堆空间存储过程，再来看上一篇文章JavaScript 执行机制二（深入之闭包），相信对闭包会有一个深入理解。

GC 如何自动回收

上面通篇在说变量是如何存的，基础类型存储在栈空间，引用类型存储在堆空间，如果空间分配后，变量就不再使用，那么这些声明变量就成为垃圾数据。内存中存的垃圾数据不回收，随着程序的运行，内存中会存在大量的垃圾数据，占用内存越大，必然会造成卡顿问题。 所以，JavaScript 会对这些垃圾数据进行自动回收，自动释放空间。 JavaScript 对于栈空间和堆空间的垃圾数据回收策略是不一样的，接下来会一步一步分析，它们是如何回收的。

调用栈的回收策略

还是先看一段代码，如下：

function show() {  var a = 1;  var b = { name: "张三" };  function showName() {    var c = 2;    var d = { name: "李四" };  }  showName();}show();

上面代码，调用 show 方法，会产生一个 show 的执行上下文，进入调用栈，该执行上下文的变量环境中有两个变量，a 是基础类型的变量，存放值为 1，b 是一个引用类型的变量，存放值为堆空间中的地址。同样调用 showName 方法时，创建一个 showName 的执行上下文，变量环境中 c 存放 2，d 存放对应在堆空间中的地址。如下图所示：

在执行 showName 函数，会创建 showName 的执行上下文，同时还会有一个记录当前执行状态的指针（ESP），指向当前正在执行的执行上下文 showName，当 showName 执行完成后，ESP 指针下移，这时 showName 执行上下文就应该销毁了，如下图所示：

所以，当执行上下文执行完成后，JavaScript 会通过向下移动 ESP 的方式来销毁该函数在内存中的执行上下文。

堆空间的回收策略

堆空间中的回收策略相对于栈空间回收策略要复杂很多，在上面的例子中，当指针下移指向全局执行上下文后，showName 和 show 的执行上下被销毁，并回收对应内存空间，b 和 d 的真实数据存放在堆空间中，并没有被回收，如下：

上图中，当 ESP 指向全局执行上下文时，栈空间的其他执行上下文所占用的空间已经被回收，但是堆空间中的变量 1003 和 1005 仍然存储在内存中。对于堆空间中存储的内存回收，就要涉及到垃圾回收器。

在 V8 中，堆分为新生代和老生代两个区域：

新生代：存放占用内存小、生存时间短的对象，空间内存大约是 1-8M 的容量，使用副垃圾回收器回收；

老生代：存放内存占用大、存放周期久的对象，空间内存相对于新生代大的多，使用主垃圾回收器回收；

无论主垃圾回收器还是副垃圾回收器的回收机制，他们都有一套相同的流程：

标记活跃对象和非活跃对象，活跃对象表示正在运行的对象，非活跃对象表示可以进行垃圾回收的对象；

在标记完成后，统一回收所有被标记可以回收的对象；

非活跃对象回收后，可能会造成内存碎片，所以需要进行内存整理，将不连续的空间整理为连续的内存空间，如果垃圾回收器没有造成内存碎片，那这一步就不会执行；

副垃圾回收器

副垃圾收回器主要负责新生代中的垃圾收回，通常针对一些小的、存活时间短的对象，会被分配到新生代中，虽然新生代中的内存空间不大，但回收频繁。

副垃圾回收器使用的算法是Scavenge算法，把对象分为两个空间，一个是对象区域（又称分配空间，Allocation Space），另一个是空闲区域（又称幸存者空间，Survivor Sapce），把空间分成大小相同的两个空间，如下：

当创建新对象时，会在对象空间中分配内存，当空间满后，会进行一次垃圾回收，使用的是就是简单的 copy 算法，首先标记活跃对象和非活跃对象，将活跃对象复制到空闲区域，并将这些对象有序的排列起来，相当于进行一次内存整理，所以复制到空闲空间后就没有内存碎片了。

复制结束后，将对象空间中的非活跃对象全部清空，此时将对象空间和空闲空间对调，原来的对象空间设置为空闲空间，原来的空闲空间设置为对象空间，这样就完成了垃圾回收的操作，同时角色翻转在新生代的两个区域中可以无限重复使用下去。

前面介绍过，新生代中的空间只有 1-8M 左右，是因为使用的 copy 操作，如果对象占用的内存较大，复制需要很多时间，所以才将新生代的内存设置的比较小。但是因为内存设置的比较少，所以很容易在角色翻转几次后，空间就装满了。JavaScript 采用了晋升策略：

经过两次垃圾回收依然存活的对象，会被移动到老生代空间中；

进行一次垃圾回收，复制到空闲区的对象占用 25%以上，那么这个对象会晋升到老生代中。设置 25%的原因，是因为角色翻转后，如果占用的内存较大，对于新对象存储和分配都会有影响；

主垃圾回收器

主垃圾回收器负责老生代的垃圾回收，对于大多数占用空间大、存活时间长的对象会被分配到老生代空间中，如果在老生代中使用 scavenge 算法进行回收，数据大复制所花费的时间较长，存活时间长，来回复制所需时间也会比较长，运行效率不高。因此，主垃圾回收器使用标记 - 清除（Mark-Sweep）算法进行垃圾回收。 简单来讲，Mark-Sweep 算法由Mark和Sweep两个阶段组成。在 Mark 阶段，垃圾回收器遍历活跃对象，将他们标记为存活。在 Sweep 阶段，回收器遍历整个堆，然后将未被标记的区域回收。

空闲链表

深入讲，Mark-Sweep 用一个链表将所有的空闲空间维护起来，这个链表叫做空闲链表（freelist）。当内存管理器需要申请内存时，便向这个链表查询，找到适合的空闲块，然后将空闲块分配出去，同时将它从空闲链表中移除。如果空间块较大，就需要将空闲块进行分割，一部分用于分割，剩余的部分重新加到空闲链表中。如图所示：

图中 A、C、D、F 是空间中的活跃对象，B、E、G 是三块空闲区域，假设 B 的大小为 20，E 的大小为 36，G 的大小为 60，他们为空闲链表统一管理。现有两个分配请求，都需要分配 30 的空间，那么需要将空间进行分割，才会满足，如下图：

E 空间的大小为 36，满足分配要求，分配后 E 所剩余的空间很小了，分配器不再将其加回空闲链表，因此 E 和 F 间就产生了一块内存碎片。第二个请求在 G 区域进行分配，分配完成后 G 所剩余的空间还比较大，因此分配器会把分割后的空闲区域，也就是 H 挂回空闲链表。上图中显示了分配完成后堆中的最终结果。

标记-清除（Mark-Sweep）

标记阶段（Mark）

讲完空闲链表，接着说 Mark-Sweep，从第一阶段开始，即 Mark 阶段。 Mark 阶段核心任务是从根引用出发，根据引用关系进行遍历，所有可遍历的对象就是活跃对象。我们需要一边遍历一边将活跃对象记录下来，遍历方式采用 BFS 和 DFS 两种策略。当遍历完成后，就找到了所有的活跃对象。 比如最开始的那段代码，当 showName 退出执行后，调用栈和堆空间如下：

从图中可以看到，当 showName 执行完后，ESP 指针向下移动，指向 show 的执行上下文，这时候遍历调用栈，找不到 1003 的引用地址，便会将这块地址标记为垃圾数据。1005 这块数据被 b 引用，标记为活跃对象。 那么活跃对象是怎么被标记的呢？常见的方法有两种：

一种是在每个对象前面增加一个机器字，采用其中的某一位作为"标记位"，如果该位置位，就表示这个对象是活跃对象；如果该位未置位，那么表示这个对象是要回收的对象；

另一种方法采用标记位图，将每一个机器字映射成为图中的一个比特。在真正实现时，一般会采用两个位图，一个标记活跃对象的起始位置，另一个标记活跃对象的结束位置；

清除阶段（Sweep）

Sweep 阶段将非活跃对象清除，也就是将垃圾对象占用的空间回收起来，重新将他们放回空闲链表中。具体做法是，按照空间顺序，从头到尾扫描整个空间的所有对象，将非活跃对象的空间回收到空闲链表。下面图示简单展示了回收过程，如图：

从图中可以看到，标记清除后，堆空间中会产生大量不连续内存碎片，而这些内存碎片会导致大对象无法分配到连续的存储空间。因此又出现了标记-整理（Mark-Compact）.

标记-整理（Mark-Compact）

标记整理中的标记算法和标记清除算法中的标记算法一样，整理阶段对活跃对象移动到另外一端，然后清理调边界外的内存。如下：

这里只简单讲了如何标记整理的过程，实际上，底层算法是很复杂的，感兴趣的可以了解下，G1 GC 的分区回收算法，大概意思是新生代和老生代不再是一块连续的空间，整个堆被划分成若干个大小相同的Region。Region 的类型有 Eden、Survivor、Old、Humongous 四种，而且每个 Region 都可以单独进行管理。具体挺复杂的，就不在这儿细讲了。

全停顿（Stop The World， SWT）

早期 Mark-Sweep 算法在标记活跃对象时，会将业务线程都停下来，以便垃圾回收器标记活跃对象，假如页面正在运行动画，标记所需时间为 1s，那么就会出现屏幕卡顿现象，把这种情况叫做全停顿或世界停止（Stop The World）。 为了解决垃圾回收造成的卡顿问题，后使用了增量标记算法（Incremental Marking）。v8 将标记过程分为一个个子标记过程，同时让 JavaScript 代码和垃圾回收标记交替进行，直到标记完成。如下图所示：

使用增量标记算法，可以把一个完整的垃圾回收任务拆分成若干个小的任务，每个任务耗时很短，将这些任务穿插在 JavaScript 代码中间执行，这样就避免了全停顿问题。

总结

本文开始讲了声明变量在内存中是如何存储的，基础类型存在栈空间中，引用类型存在堆空间中。

栈空间的垃圾回收器，JavaScript 会通过向下移动 ESP 的方式来销毁该函数在内存中的执行上下文。如果被回收的执行上下文中，存在堆空间地址引用，对应存储在堆空间中的对象会被标记为垃圾数据。

堆空间回收机制分为两部分，新生代和老生代：

新生代的空间大小只有 1-8M，用于存放内存占用小，存放时间短的对象，使用 scavenge 算法进行垃圾回收，将新生代的空间等分为两个部分，一个是对象空间，一个是空闲空间，当新对象进来时，会进入对象空间存储，对象空间存满后会进行一次垃圾回收，将对象空间中的对象进行标记，活跃对象和非活跃对象，活跃对象复制到空闲空间，有序排列，非活跃对象回收，然后将对象空间和空闲空间交换，这样就能无限进行下去；

新生代中进行两次复制的对象和空间占用率大于 25%的对象会根据晋升策略晋升到老生代中；

老生代开始讲了空闲链表，用一个空闲链表来管理空闲空间，有空间请求，都需要向空闲链表申请，根据申请空间的大小进行分割、分配；

然后讲了标记-清除（Mark-Sweep）算法，标记清除后会造成大量不连续的内存碎片，因此使用了标记-整理（Mark-Compact）算法，将内存整理为连续的空间；

最后全停顿（Stop-The-World），使用增量标记算法（Incremental Marking）解决全停顿问题。

对于其他语言的垃圾回收器，如 Java，可能会有异同，Java 中也使用了 Mark Sweep，新生代老生代等概率，但垃圾回收涉及分代垃圾回收算法，跨代引用，并发标记算法等和v8的垃圾回收器有一定区别，感兴趣的可以自行去了解。

原文：https://juejin.cn/post/7099370331025965093