V8 的內(nèi)存限制

在一般的后端開(kāi)發(fā)語(yǔ)言中，在基本的內(nèi)存使用上沒(méi)有什么限制，然而在 Node 中通過(guò) JavaScript 使用內(nèi)存時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)只能使用部分內(nèi)存（64位系統(tǒng)下約為1.4GB，32位系統(tǒng)下約為0.7GB）。在這樣的限制下，將會(huì)導(dǎo)致 Node 無(wú)法直接操作大內(nèi)存對(duì)象。

造成這個(gè)問(wèn)題的主要原因在于 Node 的 JavaScript 執(zhí)行引擎 V8。

在 V8 中，所有的 JavaScript 對(duì)象都是通過(guò)堆來(lái)進(jìn)行分配的。Node 提供了 V8 中內(nèi)存的使用量查看方法

process.memoryUsage()。

• heapTotal 已申請(qǐng)到的堆內(nèi)存
• heapUsed 當(dāng)前使用的堆內(nèi)存

為什么 V8 要限制堆的大小：

1.V8 為瀏覽器而設(shè)計(jì)，不太可能遇到用大量?jī)?nèi)存的場(chǎng)景

2.V8 的垃圾回收機(jī)制的限制。（按官方的說(shuō)法，以1.5GB的垃圾回收堆內(nèi)存為例，V8做一次小的垃圾回收需要50ms以上，做一次非增量式的垃圾回收需要1s以上）

V8提供了選項(xiàng)讓我們可以控制使用內(nèi)存的大小

• node --max-old-space-size=1700 test.js 設(shè)置老生代內(nèi)存空間最大值，單位為MB
• node --max-new-space-size=1024 test.js 設(shè)置新生代內(nèi)存空間最大值，單位為KB

比較遺憾的是，這兩個(gè)最大值需要在啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行。這意味著 V8 使用的內(nèi)存沒(méi)辦法根據(jù)使用的情況自動(dòng)擴(kuò)充，當(dāng)內(nèi)存分配過(guò)程中超過(guò)極限值時(shí)，就會(huì)引起進(jìn)程出錯(cuò)。

V8 的垃圾回收機(jī)制

V8 的垃圾回收策略主要基于分代式垃圾回收機(jī)制。在 V8 中，主要將內(nèi)存分為新生代和老生代兩代。新生代中的對(duì)象為存活時(shí)間較短的對(duì)象，老生代中的對(duì)象為存活時(shí)間較長(zhǎng)或常駐內(nèi)存的對(duì)象。

V8 堆的整體大小就是新生代的內(nèi)存空間加上老生代的內(nèi)存空間

Scavenge 算法

在分代的基礎(chǔ)上，新生代中的對(duì)象主要通過(guò) Scavenge 算法進(jìn)行垃圾回收。在 Scavenge 的具體實(shí)現(xiàn)中，主要采用了 Cheney 算法。

Cheney 算法是一種采用復(fù)制的方式實(shí)現(xiàn)的垃圾回收算法。它將堆內(nèi)存一分為二，每一部分空間成為 semispace。在這兩個(gè) semispace 空間中，只有一個(gè)處于使用中，另一個(gè)處于閑置中。處于使用中的 semispace 空間成為 From 空間，處于閑置狀態(tài)的空間成為 To 空間。當(dāng)我們分配對(duì)象時(shí)，先是在 From 空間中進(jìn)行分配。當(dāng)開(kāi)始進(jìn)行垃圾回收時(shí)，會(huì)檢查 From 空間中的存活對(duì)象，這些存活對(duì)象將被復(fù)制到 To 空間中，而非存活對(duì)象占用的空間將被釋放。完成復(fù)制后， From 空間和 To 空間的角色發(fā)生對(duì)換。

Scavenge 的缺點(diǎn)是只能使用堆內(nèi)存的一半，但 Scavenge 由于只復(fù)制存活的對(duì)象，并且對(duì)于生命周期短的場(chǎng)景存活對(duì)象只占少部分，所以它在時(shí)間效率上表現(xiàn)優(yōu)異。Scavenge 是典型的犧牲空間換取時(shí)間的算法，無(wú)法大規(guī)模地應(yīng)用到所有的垃圾回收中，但非常適合應(yīng)用在新生代中。

晉升

對(duì)象從新生代中移動(dòng)到老生代中的過(guò)程稱(chēng)為晉升。

From 空間中的存活對(duì)象在復(fù)制到 To 空間之前需要進(jìn)行檢查，在一定條件下，需要將存活周期長(zhǎng)的對(duì)象移動(dòng)到老生代中，也就是完成對(duì)象的晉升。

晉升條件主要有兩個(gè)：

1.對(duì)象是否經(jīng)歷過(guò)一次 Scavenge 回收

2.To 空間已經(jīng)使用超過(guò) 25%

設(shè)置 25% 這個(gè)限制值得原因是當(dāng)這次 Scavenge 回收完成后，這個(gè) To 空間將變成 From 空間，接下來(lái)的內(nèi)存分配將在這個(gè)空間中進(jìn)行，如果占比過(guò)高，會(huì)影響后續(xù)的內(nèi)存分配。

Mark-Sweep & Mark-Compact

V8 在老生代中主要采用了 Mark-Sweep 和 Mark-Compact 相結(jié)合的方式進(jìn)行垃圾回收。

Mark-Sweep 是標(biāo)記清除的意思，它分為兩個(gè)階段，標(biāo)記和清除。Mark-Sweep 在標(biāo)記階段遍歷堆中的所有對(duì)象，并標(biāo)記活著的對(duì)象，在隨后的清除階段中，只清除未被標(biāo)記的對(duì)象。

Mark-Sweep 最大的問(wèn)題是在進(jìn)行一次標(biāo)記清除回收后，內(nèi)存空間會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)的狀態(tài)。這種內(nèi)存碎片會(huì)對(duì)后續(xù)的內(nèi)存分配造成問(wèn)題，因?yàn)楹芸赡艹霈F(xiàn)需要分配一個(gè)大對(duì)象的情況，這時(shí)所有的碎片空間都無(wú)法完成此次分配，就會(huì)提前觸發(fā)垃圾回收，而這次回收是不必要的。

為了解決 Mark-Sweep 的內(nèi)存碎片問(wèn)題，Mark-Compact 被提出來(lái)。Mark-Compact是標(biāo)記整理的意思，是在 Mark-Sweep 的基礎(chǔ)上演進(jìn)而來(lái)的。它們的差別在于對(duì)象在標(biāo)記為死亡后，在整理過(guò)程中，將活著的對(duì)象往一端移動(dòng)，移動(dòng)完成后，直接清理掉邊界外的內(nèi)存。

下表為3種主要垃圾回收算法的簡(jiǎn)單比較

從表中可以看出，在 Mark-Sweep 和 Mark-Compact 之間，由于 Mark-Compact 需要移動(dòng)對(duì)象，所以它的執(zhí)行速度不可能很快，所以在取舍上，V8 主要使用 Mark-Sweep，在空間不足以從新生代中晉升過(guò)來(lái)的對(duì)象進(jìn)行分配時(shí)才使用 Mark-Compact 。

Incremental Marking

為了避免出現(xiàn) JavaScript 應(yīng)用邏輯與垃圾回收器看到的不一致的情況，垃圾回收的3種算法都需要將應(yīng)用邏輯暫停下來(lái)，這種行為稱(chēng)為“全停頓” (stop-the-world)。

由于新生代配置的空間較小，存活對(duì)象較少，全停頓對(duì)新生代影響不大。但老生代通常配置的空間較大，且存活對(duì)象較多，全堆垃圾回收（full 垃圾回收）的標(biāo)記、清除、整理等動(dòng)作造成的停頓就會(huì)比較可怕。

為了降低全堆垃圾回收帶來(lái)的停頓時(shí)間，V8 先從標(biāo)記階段入手，將原本要一口氣停頓完成的動(dòng)作改成增量標(biāo)記(Incremental Marking)，也就是拆分為許多小“步進(jìn)”，每做完一“步進(jìn)”就讓JavaScript應(yīng)用邏輯執(zhí)行一小會(huì)兒，垃圾回收和應(yīng)用邏輯交替執(zhí)行直到標(biāo)記階段完成。

V8 在經(jīng)過(guò)增量標(biāo)記的改進(jìn)后，垃圾回收的最大停頓時(shí)間可以減少到原本的 1/6 左右。

查看GC日志

查看垃圾回收日志的方式主要是在啟動(dòng)時(shí)添加 --trace_gc 參數(shù)。

小結(jié)

1.Node 的 JavaScript 執(zhí)行引擎為 V8，內(nèi)存使用和控制也受限于 V8。

2.V8 把內(nèi)存分為新生代和老生代，分別存放存活時(shí)間較短和存活時(shí)間較長(zhǎng)或常駐內(nèi)存的對(duì)象。

3.在新生代中使用 Scavenge 算法進(jìn)行垃圾回收，優(yōu)點(diǎn)是速度快無(wú)內(nèi)存碎片，缺點(diǎn)是占用雙倍內(nèi)存空間。

4.在老生代中將 Mark-Sweep 和 Mark-Compact 兩種算法結(jié)合使用，主要使用 Mark-Sweep，優(yōu)點(diǎn)的是無(wú)需移動(dòng)對(duì)象，缺點(diǎn)是產(chǎn)生內(nèi)存碎片。Mark-Compact 是對(duì) Mark-Sweep 的補(bǔ)充，在空間不足以對(duì)新晉升的對(duì)象進(jìn)行分配時(shí)整理內(nèi)存，清除內(nèi)存碎片，由于要移動(dòng)對(duì)象，速度較慢。

5.V8 使用 Incremental Marking 來(lái)減少全停頓帶來(lái)的影響。

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