Node.js 是如何做 GC （垃圾回收）的？

大家好，我是前端西瓜哥。今天我们来研究一下 Node.js 是如何做 GC 的。

GC，Garbage Collection，垃圾回收。在编程中，一般指的是内存自动回收机制，会定时将不需要用到的数据进行清除。

Node.js 底层使用了 V8 引擎。V8 是 Google 开源的一款高性能 JavaScript 引擎，使用了 C++ 进行编写。

Node.js 的内存主要分成三部分：

1. 代码空间：存放代码段的地方；
2. 栈：函数调用栈产生的临时变量，为一些基本类型，比如数字、字符串、布尔值，以及对象引用（保存的是地址，不保存对象本身）。
3. 堆：存放对象等数据；

堆内存

Node.js 底层使用的是 V8，下面讲解一下 V8 的内存回收机制。

首先 JS 中所有的对象都会保存在堆内存中。在创建进程的时候，会分配一个初始大小的堆内存，然后我们的对象就会放到里面。

当对象越来越多，堆内存会不够用，此时堆内存会动态地扩大。如果到达一个最大限制（现在通常是 4GB），就会堆内存溢出的错误，然后终止 Node.js 进程。

新生代与老生代

V8 首先将内存分成两部分，或者说两个生代（generation）：

1. 新生代（yong generation）：保存一些存活时间较短的对象；
2. 老生代（old generation）：保存存活时间长或者长驻的对象。

新生代很小，这里会存放一些存活时间很短的对象，通常它们会被频繁地回收（比如函数的调用栈的一些临时对象）。

新生代可通过 node --max-semi-space-size=SIZE index.js 修改新生代的大小，单位为 MB。

另外，老生代则通过 --max-old-space-size=SIZE 来设置

新生代的 Scavenge 算法

新生代使用了 Scavenge 算法，是一种基于 copy（复制）的算法。

新生代会分成两个空间，这种空间称为 semispace，它们为：

1. From 空间：新声明的对象会放入这里
2. To 空间：用作搬移的空间

新声明的对象会放入到 From 空间中，From 空间的对象紧密排布，通过指针，上一对象紧贴下一个对象，是内存连续的，不用担心内存碎片的问题。

所谓内存碎片，指的是空间分配不均匀，产生大量小的连续空间，无法放入一个大对象。

当 From 空间快满了，我们就会遍历找出活跃对象，将它们 copy 到 To 空间。此时 From 空间其实就空了，然后我们将 From 和 To 互换身份。

如果一些对象被 copy 了多次，会被认为存活时间较长，将被移动到老生代中。

这种基于 copy 的算法，优点是可以很好地处理内存碎片的问题，缺点是会浪费一些空间作为搬移的空间位置，此外因为拷贝比较耗费时间，所以不适合分配太大的内存空间，更多是做一种辅助 GC。

Mark-Sweep 和 Mark-Compact

老生代的空间就比新生代要大得多了，放的是一些存活时间长的对象，用的是 Mark-Sweep （标记清除）算法。

首先是标记阶段。从根集 Root Set（执行栈和全局对象）往上找到所有能访问到的对象，给它们标记为活跃对象。

标记完后，就是清除阶段，将没有标记的对象清除，其实就是标记一下这个内存地址为空闲。

这种做法会导致 空闲内存空间碎片化，当我们创建了一个大的连续对象，就会找不到地方放下。这时候，就要用 Mark-Compact（标记整理）来将碎片的活跃对象做一个整合。

Mark-Compact 会将所有活跃对象拷贝移动到一端，然后边界的另一边就是一整块的连续可用内存了。

考虑到 Mark-Sweep 和 Mark-Compact 花费的时间很长，且会阻塞 JavaScript 的线程，所以通常我们不会一次性做完，而是用 增量标记 （Incremental Marking）的方式。也就是做断断续续地标记，小步走，垃圾回收和应用逻辑交替进行。

另外，V8 还做了并行标记和并行清理，提高执行效率。

查看内存相关信息

我们可以通过 process.memoryUsage 方法拿到内存相关的一些信息。

process.memoryUsage();
1

输出内容为：

{
  rss: 35454976,
  heapTotal: 7127040,
  heapUsed: 5287088,
  external: 958852,
  arrayBuffers: 11314
}
1
2
3
4
5
6
7

说明

• rss：常驻内存大小（resident set size），包括代码片段、堆内存、栈等部分。
• heapTotal：V8 的堆内存总大小；
• heapUsed：占用的堆内存；
• external：V8 之外的的内存大小，指的是 C++ 对象占用的内存，比如 Buffer 数据。
• arrayBuffers： ArrayBuffer 和 SharedArrayBuffer 相关的内存大小，属于 external 的一部分。

以上数字的单位都是字节。

测试最大内存限制

写一个脚本，用一个定时器，让一个数组不停地变大，并打印堆内存使用情况，直到内存溢出。

const format = function (bytes) {
  return (bytes / 1024 / 1024).toFixed(2) + " MB";
};

const printMemoryUsage = function () {
  const memoryUsage = process.memoryUsage();
  console.log(
    `heapTotal: ${format(memoryUsage.heapTotal)}, heapUsed: ${format(
      memoryUsage.heapUsed
    )}`
  );
};

const bigArray = [];
setInterval(function () {
  bigArray.push(new Array(20 * 1024 * 1024));
  printMemoryUsage();
}, 500);
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18

需要特别注意的是，不要用 Buffer 做测试。

因为 Buffer 是 Node.js 特有的处理二进制的对象，它不是在 V8 中的实现的，是 Node.js 用 C++ 另外实现的，不通过 V8 分配内存，属于堆外内存。

我使用电脑是 macbook pro M1 Pro，Node.js 版本为 v16.17.0，使用的 V8 版本是 9.4.146.26-node.22（通过 process.versions.v8 得到）。

输出结果为（省略了一些多余的信息）：

heapTotal: 164.81 MB, heapUsed: 163.93 MB
heapTotal: 325.83 MB, heapUsed: 323.79 MB
heapTotal: 488.59 MB, heapUsed: 483.84 MB
...
heapTotal: 4036.44 MB, heapUsed: 4003.37 MB
heapTotal: 4196.45 MB, heapUsed: 4163.29 MB

<--- Last few GCs --->

[28033:0x140008000]    17968 ms: Mark-sweep 4003.2 (4036.4) -> 4003.1 (4036.4) MB, 2233.8 / 0.0 ms  (average mu = 0.565, current mu = 0.310) allocation failure scavenge might not succeed
[28033:0x140008000]    19815 ms: Mark-sweep 4163.3 (4196.5) -> 4163.1 (4196.5) MB, 1780.3 / 0.0 ms  (average mu = 0.413, current mu = 0.036) allocation failure scavenge might not succeed


<--- JS stacktrace --->

FATAL ERROR: Reached heap limit Allocation failed - JavaScript heap out of memory
...
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17

可以看到，是在 4000 MB 之后超出了内存上限，发生堆溢出，然后退出了进程。说明在我的机器上，默认的最大内存为 4G。

实际最大内存和它运行所在的机器有关，如果你的机器的内存大小为 2G，最大内存将设置为 1.5G。

结尾

我是前端西瓜哥，欢迎关注我，学习更多前端知识。