聊聊Node.js中的 GC （垃圾回收）機制

是如何做 GC （垃圾回收）的？下面本篇文章就來帶大家瞭解一下。

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GC，Garbage Collection，垃圾回收。在程式設計中，一般指的是記憶體自動回收機制，會定時將不需要用到的資料進行清除。

Node.js 底層使用了 V8 引擎。V8 是 Google 開源的一款高效能 JavaScript 引擎，使用了 C++ 進行編寫。【相關教學推薦：】

Node.js 的記憶體主要分成三部分：

程式碼空間：存放程式碼段的地方；
棧：函數呼叫棧產生的臨時變數，為一些基本型別，比如數位、字串、布林值，以及物件參照（儲存的是地址，不儲存物件本身）。
堆：存放物件等資料；

堆記憶體

Node.js 底層使用的是 V8，下面講解一下 V8 的記憶體回收機制。

首先 JS 中所有的物件都會儲存在堆記憶體中。在建立程序的時候，會分配一個初始大小的堆記憶體，然後我們的物件就會放到裡面。

當物件越來越多，堆記憶體會不夠用，此時堆記憶體會動態地擴大。如果到達一個最大限制（現在通常是 4GB），就會堆記憶體溢位的錯誤，然後終止 Node.js 程序。

新生代與老生代

V8 首先將記憶體分成兩部分，或者說兩個生代（generation）：

新生代（yong generation）：儲存一些存活時間較短的物件；
老生代（old generation）：儲存存活時間長或者長駐的物件。

新生代很小，這裡會存放一些存活時間很短的物件，通常它們會被頻繁地回收（比如函數的呼叫棧的一些臨時物件）。

新生代可通過 node --max-semi-space-size=SIZE index.js 修改新生代的大小，單位為 MB。
另外，老生代則通過 --max-old-space-size=SIZE 來設定

新生代的 Scavenge 演演算法

新生代使用了 Scavenge 演演算法，是一種基於 copy（複製）的演演算法。

新生代會分成兩個空間，這種空間稱為 semispace，它們為：

From 空間：新宣告的物件會放入這裡
To 空間：用作搬移的空間

新宣告的物件會放入到 From 空間中，From 空間的物件緊密排布，通過指標，上一物件緊貼下一個物件，是記憶體連續的，不用擔心記憶體碎片的問題。

所謂記憶體碎片，指的是空間分配不均勻，產生大量小的連續空間，無法放入一個大物件。

當 From 空間快滿了，我們就會遍歷找出活躍物件，將它們 copy 到 To 空間。此時 From 空間其實就空了，然後我們將 From 和 To 互換身份。

如果一些物件被 copy 了多次，會被認為存活時間較長，將被移動到老生代中。

這種基於 copy 的演演算法，優點是可以很好地處理記憶體碎片的問題，缺點是會浪費一些空間作為搬移的空間位置，此外因為拷貝比較耗費時間，所以不適合分配太大的記憶體空間，更多是做一種輔助 GC。

Mark-Sweep 和 Mark-Compact

老生代的空間就比新生代要大得多了，放的是一些存活時間長的物件，用的是 Mark-Sweep （標記清除）演演算法。

首先是標記階段。從根集 Root Set（執行棧和全域性物件）往上找到所有能存取到的物件，給它們標記為活躍物件。

標記完後，就是清除階段，將沒有標記的物件清除，其實就是標記一下這個記憶體地址為空閒。

這種做法會導致 空閒記憶體空間碎片化，當我們建立了一個大的連續物件，就會找不到地方放下。這時候，就要用 Mark-Compact（標記整理）來將碎片的活躍物件做一個整合。

Mark-Compact 會將所有活躍物件拷貝移動到一端，然後邊界的另一邊就是一整塊的連續可用記憶體了。

考慮到 Mark-Sweep 和 Mark-Compact 花費的時間很長，且會阻塞 JavaScript 的執行緒，所以通常我們不會一次性做完，而是用增量標記（Incremental Marking）的方式。也就是做斷斷續續地標記，小步走，垃圾回收和應用邏輯交替進行。

另外，V8 還做了並行標記和並行清理，提高執行效率。

檢視記憶體相關資訊

我們可以通過 process.memoryUsage 方法拿到記憶體相關的一些資訊。

process.memoryUsage();
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輸出內容為：

{
  rss: 35454976,
  heapTotal: 7127040,
  heapUsed: 5287088,
  external: 958852,
  arrayBuffers: 11314
}
登入後複製

說明

rss：常駐記憶體大小（resident set size），包括程式碼片段、堆記憶體、棧等部分。
heapTotal：V8 的堆記憶體總大小；
heapUsed：佔用的堆記憶體；
external：V8 之外的的記憶體大小，指的是 C++ 物件佔用的記憶體，比如 Buffer 資料。
arrayBuffers：ArrayBuffer 和 SharedArrayBuffer 相關的記憶體大小，屬於 external 的一部分。

以上數位的單位都是位元組。

測試最大記憶體限制

寫一個指令碼，用一個定時器，讓一個陣列不停地變大，並列印堆記憶體使用情況，直到記憶體溢位。

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);
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需要特別注意的是，不要用 Buffer 做測試。
因為 Buffer 是 Node.js 特有的處理二進位制的物件，它不是在 V8 中的實現的，是 Node.js 用 C++ 另外實現的，不通過 V8 分配記憶體，屬於堆外記憶體。

我使用電腦是 macbook pro M1 Pro，Node.js 版本為 v16.17.0，使用的 V8 版本是 9.4.146.26-node.22（通過 process.versions.v8 得到）。

輸出結果為（省略了一些多餘的資訊）：

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
...
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可以看到，是在 4000 MB 之後超出了記憶體上限，發生堆溢位，然後退出了程序。說明在我的機器上，預設的最大記憶體為 4G。

實際最大記憶體和它執行所在的機器有關，如果你的機器的記憶體大小為 2G，最大記憶體將設定為 1.5G。

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