JavaScript内核与高级编程之：`V8`的垃圾回收机制：`Scavenger`和`Mark-Sweep`的协同工作。 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

各位观众老爷们，大家好！今天咱们来聊聊V8引擎里那些“吃饱了没事干”的家伙们——垃圾回收器，特别是它里面的两位劳模：Scavenger和Mark-Sweep，看看它们是如何协同工作，让我们的JavaScript程序跑得更快更稳的。

开场白：JavaScript的“中年危机”

话说咱们的JavaScript代码，写起来是真爽，new这个，new那个，感觉内存就像个无底洞，随便造。但计算机的内存可不是无限的，用多了就得还。如果只借不还，内存早晚会被塞满，到时候程序就只能瘫痪在地，这就是所谓的“内存泄漏”。

JavaScript引擎为了解决这个问题，就引入了垃圾回收机制（Garbage Collection，简称GC）。GC的作用就是定期扫描内存，找出那些不再使用的对象，然后把它们占用的内存释放掉，让程序有更多的空间可以浪。

V8引擎的GC机制非常复杂，但核心部分就是Scavenger和Mark-Sweep这两个算法的协同工作。咱们今天就来扒一扒它们的老底。

第一部分：Scavenger——年轻代的“闪电侠”

Scavenger，又名“新生代垃圾回收器”，专门负责处理生命周期短的对象，也就是那些“朝生暮死”的家伙。

1. 新生代内存区域：伊甸园和两个幸存者乐园

V8引擎把内存分成了不同的区域，其中有一块叫做“新生代（Young Generation）”，专门用来存放新创建的对象。新生代又被进一步划分为三个区域：

伊甸园（Eden）：所有新创建的对象最初都出生在这里，就像亚当和夏娃一样。
幸存者乐园（Survivor Spaces）：有两个，分别是From空间和To空间。它们的作用是轮流存放经过Scavenger扫描后仍然存活的对象。

我们可以用一个简单的表格来表示：

区域名称	作用
伊甸园	新对象出生的地方
From空间	上一次Scavenger扫描后，存活的对象存放的地方。
To空间	当前Scavenger扫描后，存活的对象存放的地方，与From空间轮换角色。

2. Scavenger的工作流程：复制式回收

Scavenger采用的是一种叫做“复制式回收（Copying Collection）”的算法。简单来说，它的工作流程是这样的：

扫描伊甸园和From空间：Scavenger会遍历伊甸园和From空间，找出所有仍然存活的对象（也就是说，仍然被程序引用的对象）。
复制存活对象到To空间：把所有存活的对象从伊甸园和From空间复制到To空间。在复制的过程中，会更新对象的引用关系，确保引用仍然指向正确的对象。
交换From和To空间的角色：清空伊甸园和From空间，然后把From空间和To空间的角色互换。原来的To空间变成新的From空间，原来的From空间变成新的空闲To空间。

用代码来模拟一下这个过程（简化版）：

// 假设我们有一个新生代内存区域
let eden = [];
let fromSpace = [];
let toSpace = [];

// 创建一些对象
let obj1 = { name: "Object 1", age: 1 };
let obj2 = { name: "Object 2", age: 2 };
let obj3 = { name: "Object 3", age: 3 };

// 把对象放到伊甸园
eden.push(obj1);
eden.push(obj2);
eden.push(obj3);

// 假设obj1和obj3仍然被引用，obj2不再被引用

// 模拟Scavenger扫描
function scavenger() {
  let survivingObjects = [];
  // 假设判断对象是否存活的函数
  function isAlive(obj) {
    //  这里只是一个假设，实际情况要复杂得多
    if (obj === obj1 || obj === obj3) {
      return true;
    }
    return false;
  }

  // 扫描伊甸园，找到存活对象
  for (let i = 0; i < eden.length; i++) {
    let obj = eden[i];
    if (isAlive(obj)) {
      survivingObjects.push(obj);
    }
  }

  // 扫描From空间，找到存活对象
  for (let i = 0; i < fromSpace.length; i++) {
    let obj = fromSpace[i];
    if (isAlive(obj)) {
      survivingObjects.push(obj);
    }
  }

  // 将存活的对象复制到To空间
  toSpace = [...survivingObjects]; // 简单地复制对象引用
  //实际的V8会做更复杂的操作，例如更新指针

  // 清空伊甸园和From空间
  eden = [];
  fromSpace = [];

  // 交换From和To空间的角色
  [fromSpace, toSpace] = [toSpace, fromSpace];

  console.log("Scavenger 完成一次扫描");
  console.log("From Space:", fromSpace);
  console.log("To Space:", toSpace);
  console.log("Eden Space:", eden);
}

// 运行Scavenger
scavenger();

3. Scavenger的优点和缺点

优点：速度快！因为只需要复制存活的对象，而不需要遍历所有对象。
缺点：浪费空间！因为需要预留To空间来存放存活的对象。

4. 晋升（Promotion）：老家伙们去哪儿了？

如果一个对象在Scavenger的多次扫描中仍然存活，那么它就会被认为是一个“老家伙”，会被“晋升（Promotion）”到老生代（Old Generation）内存区域。这个过程就像是公司里的升职加薪，从基层员工变成了中层干部。

第二部分：Mark-Sweep——老生代的“清道夫”

Mark-Sweep，又名“老生代垃圾回收器”，专门负责处理生命周期长的对象，也就是那些“老不死”的家伙。

1. 老生代内存区域：地广人稀

老生代内存区域比新生代大得多，存放的对象也更加复杂，比如全局对象、闭包等等。

2. Mark-Sweep的工作流程：标记-清除

Mark-Sweep采用的是一种叫做“标记-清除（Mark-Sweep）”的算法。简单来说，它的工作流程是这样的：

标记（Mark）：从根对象（Root Objects）开始，递归遍历所有可以访问到的对象，把它们标记为“存活”。根对象是指那些始终会被引用的对象，比如全局对象、当前执行栈中的变量等等。
清除（Sweep）：遍历整个老生代内存区域，找出所有没有被标记为“存活”的对象，把它们占用的内存释放掉。

用代码来模拟一下这个过程（简化版）：

// 假设我们有一个老生代内存区域
let oldGeneration = [];

// 创建一些对象
let obj4 = { name: "Object 4", age: 4 };
let obj5 = { name: "Object 5", age: 5 };
let obj6 = { name: "Object 6", age: 6 };

// 把对象放到老生代
oldGeneration.push(obj4);
oldGeneration.push(obj5);
oldGeneration.push(obj6);

// 假设obj4和obj6仍然被引用，obj5不再被引用

// 模拟Mark-Sweep垃圾回收
function markSweep() {
  // 标记阶段
  let markedObjects = new Set(); // 用Set来存储被标记的对象

  // 模拟根对象
  let rootObjects = [obj4];

  // 递归标记函数
  function mark(obj) {
    if (markedObjects.has(obj)) {
      return; // 已经标记过了
    }
    markedObjects.add(obj);

    // 递归标记obj引用的其他对象（这里简化了，实际情况要复杂得多）
    // 例如，如果obj有属性是对象，也要递归标记
    // 这里假设没有
  }

  // 从根对象开始标记
  for (let root of rootObjects) {
    mark(root);
  }

  // 清除阶段
  let newOldGeneration = [];
  for (let obj of oldGeneration) {
    if (markedObjects.has(obj)) {
      newOldGeneration.push(obj); // 保留被标记的对象
    } else {
      //  释放obj占用的内存（这里只是简单地忽略它）
      console.log("释放对象:", obj.name);
    }
  }

  oldGeneration = newOldGeneration; // 更新老生代

  console.log("Mark-Sweep 完成一次扫描");
  console.log("Old Generation:", oldGeneration);
}

// 运行Mark-Sweep
markSweep();

3. Mark-Sweep的优点和缺点

优点：节省空间！不需要预留额外的空间来存放存活的对象。
缺点：速度慢！因为需要遍历所有对象，而且会产生内存碎片。

4. 内存碎片：老房子里的“钉子户”

Mark-Sweep算法在释放内存后，可能会留下一些不连续的空闲内存块，这就是所谓的“内存碎片”。这些碎片就像老房子里的“钉子户”，虽然房子是空的，但却无法被利用，导致内存利用率下降。

5. Mark-Compact：整理老房子

为了解决内存碎片的问题，V8引擎还使用了另一种叫做“标记-整理（Mark-Compact）”的算法。Mark-Compact算法在Mark-Sweep的基础上增加了一个“整理（Compact）”的步骤：

标记（Mark）：和Mark-Sweep一样，标记所有存活的对象。
整理（Compact）：把所有存活的对象移动到内存的一端，然后把另一端的内存全部释放掉。这样就可以消除内存碎片，让内存更加连续。

第三部分：Scavenger和Mark-Sweep的协同工作：完美搭档

Scavenger和Mark-Sweep并不是孤立工作的，它们是V8引擎GC机制中的一对完美搭档。

Scavenger负责处理新生代：由于新生代的对象生命周期短，所以Scavenger可以快速回收大量的垃圾。
Mark-Sweep负责处理老生代：由于老生代的对象生命周期长，所以Mark-Sweep可以有效地回收那些不再使用的老对象。

通过这种分工合作，V8引擎可以高效地管理内存，让JavaScript程序跑得更快更稳。

总结：GC的艺术

垃圾回收是一个非常复杂的问题，V8引擎的GC机制也在不断进化。Scavenger和Mark-Sweep只是其中的一部分，还有很多其他的优化技术，比如增量式垃圾回收（Incremental GC）、并发垃圾回收（Concurrent GC）等等。

理解GC的原理，可以帮助我们编写更加高效的JavaScript代码，避免内存泄漏，提升程序的性能。

一些提高代码效率的小建议：

建议	说明
避免创建不必要的对象	减少对象的创建可以减少GC的压力。
及时释放不再使用的对象	将不再使用的对象设置为`null`，可以帮助GC更快地回收它们。
避免全局变量污染	过多的全局变量会增加根对象的数量，导致GC扫描的范围扩大。
注意闭包的使用	闭包会延长变量的生命周期，如果使用不当，可能会导致内存泄漏。
使用性能分析工具	使用Chrome DevTools等工具可以分析程序的内存使用情况，找出潜在的内存泄漏问题。

好了，今天的讲座就到这里，希望大家有所收获！下次有机会再和大家聊聊V8引擎的其他黑科技。谢谢大家！

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