聊聊Node.js中的 GC （垃圾回收）機制

Node 是如何做 GC （垃圾回收）的？下面這篇文章就來帶大家了解一下。

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 開源的高效能 JavaScript 引擎，使用了 C 來編寫。 【相關教學推薦：nodejs影片教學】

Node.js 的記憶體主要分成三個部分：

• 程式碼空間：存放程式碼段的地方；

• 堆疊：函數呼叫堆疊產生的臨時變量，為一些基本類型，例如數字、字串、布林值，以及物件參考（保存的是地址，不保存對象本身）。

• 堆：存放物件等資料;

#堆記憶體

Node.js 底層使用的是V8，下面來講解V8 的記憶體回收機制。

首先 JS 中所有的物件都會保存在堆記憶體中。在創建進程的時候，會分配一個初始大小的堆內存，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），就會堆疊記憶體溢位的錯誤，然後終止 Node.js 進程。

新生代與老生代

V8 先將記憶體分成兩部分，或說兩個生代（generation）：

• 新生代（yong generation）：保存一些存活時間較短的物件；

• 老生代（old generation）：保存存活時間長或長駐的物件。

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

新生代可透過 node --max-semi-space-size=SIZE index.js 修改新生代的大小，單位為 MB。

另外，老生代則透過--max-old-space-size=SIZE 來設定

新生代的Scavenge 演算法

新生代使用了Scavenge 演算法，是一種基於copy（複製）的演算法。

新生代會分成兩個空間，這個空間稱為semispace，它們為：

• From 空間：新宣告的物件會放入這裡

• To 空間：用作移動的空間

新宣告的物件會放入到From 空間中，From 空間的物件緊密排布，透過指針，上一對象緊貼下一個對象，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對象，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 互換身分。

如果有些物件被 copy 了多次，會被認為存活時間較長，將會被移到老生代。

這種基於copy 的演算法，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運的空間位置，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大得多了，放的是一些存活時間長的對象，用的是Mark-Sweep （標記清除）演算法。

首先是標記階段。從根集 Root Set（執行堆疊和全域物件）往上找到所有能存取的對象，並標記它們為活躍物件。

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位址為空閒。

這種做法會導致 空閒記憶體空間碎片化，當我們創建了一個大的連續對象，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，而且會阻塞JavaScript 的線程，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 也做了平行標記和並行清理，提高執行效率。

查看記憶體相關資訊

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

process.memoryUsage();

#輸出內容為：

{
  rss: 35454976,
  heapTotal: 7127040,
  heapUsed: 5287088,
  external: 958852,
  arrayBuffers: 11314
}

說明

• rss：常駐記憶體大小（resident set size），包含程式碼片段、堆疊記憶體、棧等部分。

• heapTotal：V8 的堆記憶體總大小;

• heapUsed：佔用的堆記憶體；

• #external：V8 以外的記憶體大小，指的是C 物件佔用的內存，例如Buffer 資料。

• arrayBuffers：ArrayBuffer 和 SharedArrayBuffer 相關的記憶體大小，屬於 external 的一部份。

以上數字的單位都是位元組。

測試最大記憶體限制

寫一個腳本，用一個計時器，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);

要特別注意的是，不要用 Buffer 來做測試。

因為 Buffer 是 Node.js 特有的處理二進制的對象，它不是在 V8 中的實現的，是 Node.js 用 C 另外實現的，不通過 V8 分配內存，屬於堆外內存。

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（透過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
...

可以看到，是在 4000 MB 之後超出了記憶體上限，發生堆溢出，然後退出了進程。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運作所在的機器有關，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。

更多node相關知識，請造訪：nodejs 教學！

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