V8内存管理与优化

Node与V8

Node选择了V8引擎，基于事件驱动、非阻塞I/O模型。

V8的内存限制

64位系统约为1.4GB，32位系统约为0.7GB，在这样限制下，将会导致Node无法直接操作大内存对象，比如无法将一个2GB的文件读入内存中进行字符串分析处理，即使物理内存有32GB，这样在单个Node进程的情况下，计算机的内存资源无法得到充足的使用。要知晓V8为何限制了内存的用量，则需要回归到V8在内存使用上的策略。

V8的对象分配

在V8中，所有的JS对象都是通过堆来进行分配的。

Node提供V8内存使用量查看方式：

$ node
$ process.memoryUsage();
{  
    rss: 18702336,  
    heapTotal: 10295296,  
    heapUsed: 5409936
}复制代码

heapTotal：已申请到的堆内存

heapUsed：当前使用的量

JS声明变量并赋值时，所使用对象的内存就分配在堆中。如果已申请的堆空闲内存不够分配新的对象，将继续申请堆内存，直到对的大小超过V8的限制为止。

至于V8为何要限制堆的大小，表层原因：V8最初为浏览器而设计，不太可能遇到用大量内存的场景。深层原因：V8的垃圾回收机制的限制。官方说法，以1.5GB的垃圾回收堆内存为例，V8做一次小的垃圾回收需要50毫秒以上，做一次非增量式的垃圾回收甚至要1秒以上。这是垃圾回收中引起JS线程暂停执行的时间，在这样时间花销下，应用的性能和响应能力都会直线下降。V8提供选择来调整内存大小的配置，需要在初始化时候配置生效，遇到Node无法分配足够内存给JS对象的情况，可以用如下办法来放宽V8默认内存限制。避免执行过程内存用的过多导致崩溃。

node --max-old-space-size=1700 index.js
node --max-new-space-size=1024 index.js
复制代码

V8的垃圾回收机制

V8垃圾回收策略主要基于分代式垃圾回收机制。

V8的内存分代

在 V8 中，主要将内存分为新生代和老生代，新生代的对象为存活时间较短的对象，老生代的对象为存活时间较长或常驻内存的对象，如下图：

Scavenge算法

在分代基础上，新生代中的对象主要通过 Scavenge 算法进行垃圾回收。在Scavenge的具体实现中，主要采用了Cheney算法。

Cheney算法是一种采用复制的方式实现的垃圾回收算法。它将堆内存一分为二，每一部分空间称为semispace。在这两个semispace空间中，只有一个处于使用中，另一个处于闲置状态。处于使用状态的semispace空间称为From空间，处于闲置状态的空间称为To空间。当我们分配对象时，先是在From空间中进行分配。当开始进行垃圾回收时，会检查From空间中的存活对象，这些存活对象将被复制到To空间中，而非存活对象占用的空间将会被释放。完成复制后，From空间和To空间的角色发生兑换。简而言之，在垃圾回收过程中，就是通过将存活对象在两个semispace空间之间进行复制。

Scavenge的缺点是只能使用堆内存中的一半，这是由划分空间和复制机制所决定的。但Scavenge由于只复制存活的对象，并且对于生命周期短的场景存活对象只占少部分，所以它在时间效率上有优异的表现。

由于 Scavenge 是典型的牺牲空间换取时间的算法，所以无法大规模地应用到所有的垃圾回收中。但可以发现，Scavenge非常适合应用在新生代中，因为新生代中对象的生命周期较短，恰恰适合这个算法。

V8堆内存示意图：

实际使用的堆内存是新生代的两个semispace空间大小和老生代所用内存大小之和。当一个对象经过多次复制依然存活时，它将会被认为是生命周期较长的对象。这种较长生命周期的对象随后会被移动到老生代中，采用新的算法进行管理。对象从新生代中移动到老生代中的过程称为晋升。

在单纯的Scavenge过程中，From空间中的存活对象会被复制到To空间中去，然后对From空间和To空间进行角色对换（又称翻转）。但在分代式垃圾回收前提下，From空间中的存活对象在复制到To空间之前需要进行检查。在一定条件下，需要将存活周期长的对象移动到老生代中，也就是完成对象晋升。

对象晋升的条件主要有两个，一个是对象是否经历过Scavenge回收，一个是To空间的内存占用比超过限制。

在默认情况下，V8的对象分配主要集中在From空间中。对象从From空间中复制到To空间时，会检查它的内存地址来判断这个对象是否已经经历过一次Scavenge回收。如果已经经历过了，会将该对象从From空间复制到老生代空间中，如果没有，则复制到To空间中。这个晋升流程如图：

另一个判断条件是To空间的内存占用比。当要从From空间复制一个对象到To空间时，如果To空间已经使用了超过25%，则这个对象直接晋升到老生代空间中，这个晋升的判断示意图如下图：

设置25%这个限制值的原因是当这次Scavenge回收完成后，这个To空间将变成From空间，接下来的内存分配将在这个空间中进行。如果占比过高，会影响后续的内存分配。对象晋升后，将会在老生代空间中作为存活周期较长的对象来对待，接受新的回收算法处理。

Mark-Sweep & Mark-Compact

对于老生代中的对象，由于存活对象占较大比重，再采用Scavenge的方式会有两个问题：一个是存活对象较多，复制存活对象的效率将会很低；另一个问题依然是浪费一半空间的问题。为此，V8在老生代中主要采用Mark-Sweep和Mark-Compact相结合的方式进行垃圾回收。

Mark-Sweep是标记清除的意思，它分为标记和清除两个阶段。与Scavenge相比，Mark-Sweep并不将内存空间划分为两半，所以不存在浪费一半空间的行为。与Scavenge复制活着的对象不同，Mark-Sweep在标记阶段遍历堆中所有对象，并标记活着的对象，在随后的清除阶段中，只清除没有被标记的对象。可以看出，Scavenge中只复制活着的对象，而Mark-Sweep只清理死亡对象。活对象在新生代中只占较小部分，死对象在老生代中只占较小部分，这是两种回收方式能高效处理的原因。

下图为Mark-Sweep在老生代空间中标记的示意图，黑色部分标记为死亡对象：

Mark-Sweep最大的问题是在进行一次标记清除回收后，内存空间会出现不连续的状态。这种内存碎片会对后续的内存分配造成问题，因为很可能出现需要分配一个大对象的情况，这时所有的碎片空间都无法完成此次分配，就会提前触发垃圾回收，而这次回收是不必要的。

为了解决Mark-Sweep的内存碎片问题，Mark-Compact被提出来。Mark-Compact是标记整理的意思，是在Mark-Sweep的基础上演变而来的。它们的差别在于对象在标记为死亡后，在整理的过程中，将活着的对象往一端移动，移动完成后，直接清理掉边界外的内存。下图为Mark-Compact完成标记并移动存活对象后的示意图，白色格子为存活对象，深色格子为死亡对象，浅色格子为存活对象移动后留下的空洞。

Mark-Sweep、Mark-Compact、Scavenge三种主要垃圾回收算法的简单对比

从表格上看，Mark-Sweep和Mark-Compact之间，由于Mark-Compact需要移动对象，所以它的执行速度不可能很快，所以在取舍上，V8主要使用Mark-Sweep，在空间不足以对从新生代中晋升过来的对象进行分配时才使用Mark-Compact。

Incremental Marking

为了避免出现 js 应用逻辑与垃圾回收器看到的不一致的情况，垃圾回收的3种基本算法都需要将应用逻辑暂停下来，待执行完垃圾回收后再恢复执行应用逻辑，这种行为被称为“全停顿”（

stop-the-world）。在V8的分代式垃圾回收中，一次小垃圾回收只收集新生代，由于新生代默认配置得较小，且其中存活对象通常较少，所以即便它是全停顿的影响也不大。但V8的老生代通常配置得较大，且存活对象较多，全堆垃圾回收（full垃圾回收）的标记、清理、整理等动作造成的停顿就会比较可怕，需要设法改善。

为了降低全堆垃圾回收带来的停顿时间， V8 先从标记阶段入手，将原本要一口气停顿完成的动作改为增量标记（incremental marking），也就是拆分为许多小“步进”，每做完一“步进”就让js应用逻辑执行一小会，垃圾回收与应用逻辑交替执行直到标记阶段完成。

V8在经过增量标记的改进后，垃圾回收的最大停顿时间可以减少到原本的1/6左右。

V8后续还引入了延迟清理（lazy sweeping）与增量式整理（incremental compaction），让清理与整理动作也变成增量式的。同时还计划引入并行标记与并行清理，进一步利用多核性能降低每次停顿的时间。

内存泄漏

Node对内存泄漏十分敏感，一旦线上应用流量千万级别，哪怕一个字节的内存泄漏也会造成堆积，垃圾回收过程中将会耗费更多时间进行对象描述，应用响应缓慢，直到进程内存溢出，应用崩溃。

在V8的垃圾回收机制下，在通常的代码编写中，很少会出现内存泄漏的情况。但是内存泄漏通常产生于无意间，较难排查。尽管内存泄漏的情况不尽相同，但其实质只有一个，那就是应当回收的对象出现意外而没有被回收，变成了常驻在老生代中的对象。通常，造成内存泄漏的原因有如下几个。

• 缓存：无限制增长的数组无限制设置属性和值；
• 队列消费不及时；
• 作用域未释放：任何模块内的私有变量和方法均是永驻内存的。

总结

从 V8 的自动垃圾回收机制的设计角度可以看到，V8对内存使用进行限制的缘由。新生代设计为一个较小的内存空间是合理的，而老生代空间过大对于垃圾回收并无特别意义。V8对内存限制的设置对于Chrome浏览器这种每个选项卡页面使用一个V8实例而言，内存的使用是绰绰有余，对于Node编写的服务器端来说，内存限制也并不影响正常场景下的使用。但是对于V8

的垃圾回收特点和js在单线程上的执行情况，垃圾回收是影响性能的因素之一。想要高性能执行效率，需要注意让垃圾回收尽量少地进行，尤其是全堆垃圾回收。

以 Web 服务器中的会话实现为例，一般通过内存来存储，但在访问量大的时候会导致老生代中的存活对象骤增，不仅造成清理/整理过程费时，还会造成内存紧张，甚至溢出。

github.com/daileiDL/no…