各位观众老爷，大家好！我是今天的主讲人，人称 Bug Killer（希望如此）。今天咱们聊聊 JavaScript 垃圾回收机制里的两个重要人物：分代收集 (Generational Collection) 和增量收集 (Incremental Collection)。别被这俩名字吓着，其实它们就是为了更好地管理内存，让我们的 JavaScript 程序跑得更快、更稳。
咱们先从一个大家可能都经历过的场景说起：你房间乱成狗窝，需要收拾。一种办法是，一口气把所有东西都翻出来，一件一件地整理，累得半死。另一种办法是，先挑出那些一眼看上去就是垃圾的东西扔掉，然后每次花一点时间整理一部分，慢慢地把房间收拾干净。
JavaScript 的垃圾回收机制也是这么个思路。第一种方法对应着“停止-复制”（Stop-the-World）式的垃圾回收，效率低；后两种方法对应着分代收集和增量收集，效率更高。
一、为什么需要垃圾回收？
在深入了解分代和增量收集之前，我们需要先搞清楚一个根本问题：为什么需要垃圾回收？
简单来说，JavaScript 是一种动态类型的语言，这意味着你可以随时创建对象、分配内存。但是，如果你创建了对象，用完了却忘记释放，这些对象就会一直占用内存，最终导致内存泄漏，程序崩溃。垃圾回收机制就是自动找出这些不再使用的对象，并释放它们占用的内存，让程序可以继续运行。
二、分代收集 (Generational Collection)：活得久的，优先照顾
分代收集的核心思想是：“大多数对象在创建后很快就会变成垃圾，而那些活得比较久的对象，往往会继续存活很长时间。” 这就像人一样，小时候容易生病，长大后抵抗力就强了。
基于这个观察，分代收集将内存划分为两个或多个“代”（generation）：
- 新生代 (Young Generation)： 用于存放新创建的对象。
- 老生代 (Old Generation)： 用于存放经过多次垃圾回收仍然存活的对象。
垃圾回收器会更加频繁地对新生代进行回收，因为大部分垃圾都集中在这里。而对老生代的回收频率则相对较低，因为这里的对象更有可能继续存活。
2.1 新生代回收 (Young Generation Collection)
新生代通常使用一种叫做 Scavenge 算法 的垃圾回收方式。 Scavenge 算法又分为两个步骤：
- 标记 (Marking)： 从根对象（例如全局对象、当前执行栈中的变量）开始，遍历所有可达的对象，标记为“活动对象”。
- 复制 (Copying)： 将所有活动对象复制到另一块空闲的内存区域（称为“From Space”或“To Space”），然后清空原来的内存区域。
举个例子，假设新生代内存空间如下：
[ A | B | C | D | E | F | G | H ] (假设内存空间被划分成8个块)其中 A, B, C, D, E, F, G, H 都是对象。 假设经过标记阶段，发现 A, C, E, G 是活动对象， 那么Scavenge算法会将这些对象复制到另一块空闲区域：
[ A | C | E | G | | | | ] (To Space)然后，清空原来的内存区域：
[ | | | | | | | ] (From Space - 现在清空了)这样就完成了新生代的垃圾回收。
代码示例：
虽然我们无法直接控制 JavaScript 的垃圾回收，但我们可以通过创建大量的临时对象来模拟新生代的垃圾回收。
function createTemporaryObjects() {
for (let i = 0; i < 100000; i++) {
let obj = { data: new Array(100).fill(i) }; // 创建临时对象
}
}
console.time("Young Generation Collection Simulation");
createTemporaryObjects();
console.timeEnd("Young Generation Collection Simulation");
// 在不同的浏览器和环境下，执行时间可能会有所不同这段代码创建了大量的临时对象，这些对象很可能被分配到新生代，并在下次新生代垃圾回收时被清理掉。
2.2 老生代回收 (Old Generation Collection)
当一个对象在新生代经过多次垃圾回收仍然存活，它会被晋升 (Promotion) 到老生代。 老生代的垃圾回收频率较低，通常使用以下算法：
- 标记-清除 (Mark and Sweep)： 标记所有可达对象，然后清除所有未被标记的对象。
- 标记-整理 (Mark and Compact)： 标记所有可达对象，然后将所有活动对象移动到内存的一端，清理另一端。
标记-清除算法的缺点是会产生内存碎片，而标记-整理算法可以解决这个问题，但效率相对较低。
代码示例：
老生代的垃圾回收更难直接模拟，因为它涉及到对象的长期存活。我们可以创建一个长期存活的对象，并观察它是否会被移动到老生代。
let longLivedObject = {};
function createAndForget(iterations) {
for (let i = 0; i < iterations; i++) {
let tempObject = { data: i };
if (i % 1000 === 0) {
longLivedObject[i] = tempObject; // 长期存活的对象
}
}
}
console.time("Creating and Forgetting");
createAndForget(100000);
console.timeEnd("Creating and Forgetting");
// 虽然我们无法直接观察对象何时被移动到老生代，
// 但我们可以假设，经过多次垃圾回收后，longLivedObject
// 中的对象会留在老生代。2.3 分代收集的优势
- 提高垃圾回收效率： 通过区分新生代和老生代，可以更有效地回收内存，减少垃圾回收的开销。
- 减少程序暂停时间： 由于新生代的垃圾回收速度很快，可以减少程序暂停的时间，提高用户体验。
表格总结：
| 特性 | 新生代 (Young Generation) | 老生代 (Old Generation) |
|---|---|---|
| 对象存活时间 | 短 | 长 |
| 回收频率 | 高 | 低 |
| 常用算法 | Scavenge | Mark and Sweep, Mark and Compact |
| 优点 | 回收速度快，暂停时间短 | 减少碎片化 |
三、增量收集 (Incremental Collection)：化整为零，润物无声
增量收集的核心思想是：“将垃圾回收过程分解为多个小步骤，每次只回收一部分内存，让垃圾回收器与应用程序交替运行。” 这就像你每天花一点时间整理房间，而不是等到房间乱成猪窝再一口气收拾。
增量收集可以有效地减少垃圾回收导致的程序暂停时间 (Stop-the-World)。 想象一下，如果你的程序需要执行一个耗时的垃圾回收，那么在垃圾回收期间，程序将无法响应用户的操作，导致卡顿。 增量收集通过将垃圾回收过程分解为多个小步骤，每次只暂停程序一小段时间，从而减少了卡顿现象。
3.1 增量收集的原理
增量收集通常需要以下几个步骤：
- 标记 (Marking)： 标记所有可达对象。
- 暂停 (Pause)： 暂停应用程序的执行。
- 增量回收 (Incremental Collection)： 回收一部分内存。
- 恢复 (Resume)： 恢复应用程序的执行。
垃圾回收器会重复执行步骤 2-4，直到所有垃圾都被回收。 在增量回收的过程中，应用程序仍然可以执行，但可能会受到一些影响。
3.2 三色标记法
增量收集通常使用一种叫做 三色标记法 的算法来标记对象。 三色标记法将对象分为三种颜色：
- 白色 (White)： 未被访问的对象。
- 灰色 (Grey)： 自身被访问，但其引用对象未被访问。
- 黑色 (Black)： 自身及其引用对象都被访问。
垃圾回收器会从根对象开始，将所有可达对象标记为灰色，然后逐步将灰色对象标记为黑色，直到所有可达对象都被标记为黑色。 最后，所有白色对象都被视为垃圾，可以被回收。
三色标记法的一个关键问题是 并发标记。 在垃圾回收器标记对象的同时，应用程序可能也在修改对象的引用关系。 这可能会导致一些对象被错误地标记为白色，从而被错误地回收。
为了解决这个问题，增量收集通常使用 写屏障 (Write Barrier) 技术。 写屏障会在应用程序修改对象的引用关系时，通知垃圾回收器，以便垃圾回收器可以重新标记对象。
3.3 代码示例：
增量收集的实现非常复杂，我们无法直接在 JavaScript 中模拟它。 但是，我们可以通过一些技巧来模拟增量回收的效果。
function simulateIncrementalCollection(data, chunkSize) {
let index = 0;
function processChunk() {
let end = Math.min(index + chunkSize, data.length);
for (let i = index; i < end; i++) {
// 模拟一些耗时操作
data[i] = data[i] * 2;
}
index = end;
if (index < data.length) {
// 模拟暂停和恢复
setTimeout(processChunk, 0); // 使用 setTimeout 将任务放入事件循环
} else {
console.log("Incremental collection simulation complete.");
}
}
processChunk();
}
let largeData = new Array(1000000).fill(1);
console.time("Incremental Collection Simulation");
simulateIncrementalCollection(largeData, 10000);
console.timeEnd("Incremental Collection Simulation");这段代码将一个大的数组分成多个小块，然后使用 setTimeout 函数将每个小块的处理放入事件循环中。 这样可以模拟增量回收的效果，避免一次性处理大量数据导致程序卡顿。
3.4 增量收集的优势
- 减少程序暂停时间： 通过将垃圾回收过程分解为多个小步骤，可以减少程序暂停的时间，提高用户体验。
- 提高应用程序的响应性： 由于垃圾回收器与应用程序交替运行，应用程序可以更及时地响应用户的操作。
表格总结：
| 特性 | 增量收集 (Incremental Collection) |
|---|---|
| 回收方式 | 分解为多个小步骤 |
| 暂停时间 | 短 |
| 常用算法 | 三色标记法 |
| 关键技术 | 写屏障 |
| 优点 | 减少程序暂停时间，提高响应性 |
四、总结
分代收集和增量收集是 JavaScript 垃圾回收机制中非常重要的两种技术。 分代收集通过区分新生代和老生代，提高了垃圾回收的效率。 增量收集通过将垃圾回收过程分解为多个小步骤，减少了程序暂停的时间。
总而言之，垃圾回收机制是 JavaScript 引擎背后默默奉献的英雄。 了解这些机制，可以帮助我们编写更高效、更稳定的 JavaScript 代码。 避免创建不必要的对象，及时释放不再使用的资源，都可以帮助垃圾回收器更好地工作，让我们的程序跑得更快、更稳。
今天的讲座就到这里。 希望大家有所收获，早日成为 Bug Killer！ 谢谢大家！