你丟我撿!神奇的 Firefox 內部記憶體回收機制

大家都知道 JavaScript 是一個很方便的語言,想要一個新物件? 沒問題,new 一下就有了。需要一個陣列來做暫存空間? 也是交給 new。不像其他,比如說 C,等較低階的語言,JavaScript 的使用者絕大多數時候都不必煩惱實際上資料被放到什麼地方,也不需擔心用完了卻忘記要交還給系統而造成記憶體漏洞。在這麼方便的語言特性背後,其實有一套相當複雜的機制在運作,將我們從瑣碎的記憶體管理中解放出來。今天要向各位介紹的便是 Firefox 內部的記憶體回收機制。

物件實體與參照

在介紹記憶體回收機制前,要先來複習一下 JavaScript 對物件的操作行為。在 JavaScript 中,物件的變數名稱僅是參照 (reference),它是用來存取物件的一個連結,每當我們在程式裡提及一個物件變數,代表我們想對某個物件實體做點什麼事。我們透過參照/變數名稱來存取物件,而物件實體則放在別的地方。不同的變數可能參照到同一個物件實體,但是一個變數只能參照到一個實體。

舉列來說,假設我們有一個物件 car_a,其廠牌和型號分別是 toyota 和 camry。當我們需要另一台同廠牌但不同型號的 car_b 時,一個直覺但是錯誤的做法是將 car_a 複製過來,然後把型號換掉:

由此例可知物件實體和參照的不同。

垃圾回收器 Garbage Collector

那麼,Firefox 內部是如何管理這些物件實體的呢? 每當有新的物件被定義或 new 出來時,記憶體中就會有一個區塊被劃出來以存放這個物件實體,而當這個物件變成"垃圾"之後,最終就會被垃圾回收器 (garbage collector) 發現,而它所佔用的記憶體區塊也就在此時被歸還。決定是不是垃圾的方式就是透過參照,當一個物件實體已經沒有被任何變數參照到時,代表我們再也無法存取到它了,這時就可以很放心的把它給回收掉。

判斷一個物件有無被參照到的方式主要有兩類:reference count 及 mark-sweep。reference count 顧名思義就是在每個物件身上裝一個計數器,每當有新的變數參照到這個物件時,計數器就加一。當參照到這個物件的變數改參照到別的物件時,計數器就減一。當計數器變成零時,代表此時已無變數參照到此物件,它就可以被回收掉。

另一個方法是 mark-sweep。這個方法會從一組我們總是可以存取到的變數開始,如全域變數,當前方法及其呼叫者的區域變數等等,把它們能參照到的物件,這些物件參照到的其他物件…等所有直接及間接可參照到的所有物件標記起來,最後,沒被標記到物件代表它們已經無法被存取到,只要一次把這些沒被標記到的物件給釋放掉即可。

和 mark-sweep 比起來,reference count 有一些缺點:

比較肥:由於每個物件都要有一個計數器,因此會使用較多的額外空間。

比較慢:如果我們把物件當成頂點,參照當成邊,畫成數學上的圖,則 mark-sweep 的標記過程會把所有可存取到的邊都走訪過一遍。相對的,reference count 中計數器的每一個增減都對應到邊的變動。換句話說,reference count 的時間成本正比於從無到有,建構這個 (物件–參照) 圖的步驟的數目。而 mark-sweep 需要的僅是開始標記前一刻,這個圖的一個子集而已。在絕大多數情況下,兩者的總計算量差距是相當大的。

漏網之魚:萬一有兩個以上的物件互相參照,但是完全獨立於其他物件們,這樣一來雖然 reference count 不為零,卻永遠無法被回收。這會造成記憶體漏洞。

但是 mark-sweep 也不是全無缺點。由於它的特性是一段時間才會作動一次,因此會讓整個記憶體使用量較大,回收後也較容易有記憶體破碎的問題。雖然記憶體破碎通常能由 compacting GC 來解決,但代價就是得多花時間。

另外,不像 reference count 的計算是平均分布在整個使用過程,它是一段時間才做一次,因此這一次 mark-sweep 可能會相當久,且標記時物件不可變動,所有 thread 都得停下來等它,常見的結果就是會造成使用者介面不時會忽然頓一下。因此 Firefox 中的回收器採回漸進式回收 (Incremental GC),透過一些標記時的小技巧 (read/write barrier),把一次很長的標記過程拆成許多次,讓整個過程更平順。

結語

方才所談僅是 Firefox 中,記憶體回收機制的初步介紹,下次將再說明更多實做上的細節及技巧,如分層回收 (Generational GC) 及回收器切入的時間點等等。

圖片來源:http://www.veeqi.com/show/12680/

 

 

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  1. 參照: 淺談 Cycle Collection | Mozilla Tech | 謀智台客

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