Расширяем кругозор: Garbage Collector в V8

Всем привет, Хабрчане! Во время подготовки к очередному тех-собесу, я задался вопросом: а как в V8 работает Garbage Collector, что такое Heap и Stack, про которые я неоднократно слышал? После прочтения нескольких англоязычных и русскоязычных ресурсов понял, что одни копают очень глубоко, а другие дают лишь минимальную базу. Я решил сделать что-то среднее и с агрегировать все эти знания в одну статью, плавно погружая читателя в тему.

Кстати, я начинающий Node.js разработчик и это моя первая статья, прошу не судить строго :)

Погружаемся!

Начнем с базы

Принцип сборки мусора довольно прост: если на сегмент в памяти никто не ссылается, например на объект, можно считать, что он (объект) не используется, и очистить его. Такой принцип ещё называют "принципом достижимости ^[1]".

Основной алгоритм сборки мусора называется mark-and-sweep ^[2]. Этот алгоритм может быть объединен также и с алгоритмом mark-compact ^[3]. Вместе они работают следующим образом:

1. Сборщик мусора отмечает все корневые объекты.

2. Далее помечаются все объекты, на которые ссылаются эти корни.

3. Процесс повторяется для всех достижимых объектов.

4. После этого непомеченные объекты считаются недостижимыми и удаляются.

5. Происходит перемещение (дефрагментация) оставшихся объектов. Это уменьшит фрагментацию и повысит производительность выделения памяти для новых объектов.

Существует ещё несколько алгоритмов сборки мусора. Некоторые из наиболее распространенных алгоритмов включают:

1. Serial Garbage Collector ^[4]

2. Parallel Garbage Collector ^[5]

3. Concurrent Mark and Sweep (CMS) ^[6]

4. Garbage First (G1) ^[7]

Копаем глубже

Как в памяти V8 распределяются переменные, функции и объекты? V8 использует схему, основанную на концепции Java Virtual Machine (JVM) ^[8] и делит память на сегменты:

V8 memory schema

• Code Segment: выполняемый на данный момент код.

• Stack (статическое выделение памяти): содержит все примитивные типы данных (вроде int, bool, string) с указателями на функции, объекты, а также информация о вызовах методов.

• Heap (динамическое выделение памяти): сегмент памяти, предназначенный для хранения ссылочных типов данных, вроде объектов, массивов и функций. Это самый большой блок области памяти и именно здесь происходит сборка мусора.

Подробнее про каждый сегмент

Stack:

Это область памяти, выделенная для каждого процесса в V8. Здесь, как говорилось ранее, хранятся статические данные, включая фреймы методов/функций, примитивные значения и указатели на объекты. Стек работает по принципу LIFO (Last In, First Out) ^[9], то есть последний добавленный элемент будет первым извлеченным.

Heap – самый большой блок области памяти, под капотом он делиться на:

Heap schema

• Young generation - место, где "живут" новые объекты, и большинство из них недолговечны. Это пространство небольшое и состоит из двух полу-пространств (from-space, to-space).

• Old generation - место, куда перемещаются объекты, которые пережили два цикла сборки мусора в Young generation блоке. Это пространство управляется основным алгоритмом сборки мусора mark-and-sweep. Old generation можно поделить ещё на два подпространства:

  • Old pointer space - cодержит объекты, которые пережили два цикла сборки мусора, и имеют указатели на другие объекты.

  • Old data space – содержит исключительно объекты, которые имеют данные (без ссылок) и строки, числа, массивы.

• Large object space – тут хранятся объекты, размер которых превышает размер других пространств. Большие объекты никогда не удаляются сборщиком мусора.

• Code-space - Здесь Just In Time (JIT) ^[10] компилятор сохраняет скомпилированные блоки кода. Это единственное пространство с исполняемой памятью.

• Cell space, property cell space, and map space – тут хранятся сервисные объекты, которые упрощают сборку мусора.

Заключение

Я надеюсь, что эта статья была полезной и интересной. Буду рад любым замечаниям и вопросам. Спасибо за внимание!

Вдохновлялся:

1. A tour of V8: Garbage Collection ^[11]

2. Visualizing memory management in V8 Engine (JavaScript, NodeJS, Deno, WebAssembly) ^[12]

3. Устройство и работа JVM (Java Virtual Machine) ^[8]

4. Эффективная работа с памятью в Node.js ^[13]

Мой репозиторий "Расширяем кругозор: Node.js и JavaScript" ^[14], где я записываю интересные ответы на вопросы и познаю дзен V8.