了解和调整内存

Node.js 构建于 Google 的 V8 JavaScript 引擎之上，为在服务器端运行 JavaScript 提供了强大的运行时环境。但是，随着应用程序的增长，管理内存成为保持最佳性能和管理内存泄漏或崩溃等问题的关键任务。在本文中，我们将探讨如何在 Node.js 中监视、管理和优化内存使用。我们还将介绍重要的 V8 概念，例如堆和垃圾回收，并讨论如何使用命令行标志来微调内存行为。

V8 如何管理内存

V8 在其核心将内存划分为几个部分，其中两个主要区域是堆和栈。了解这些空间，尤其是如何管理堆，是提高应用程序内存使用率的关键。

堆

V8 的内存管理基于分代假设，即大多数对象都很快消亡。因此，它将堆分成几代，以优化垃圾回收

新生代空间：这是分配新的、短生命周期对象的地方。此处的对象预计会“很快消亡”，因此会经常进行垃圾回收，从而可以快速回收内存。

例如，假设你有一个 API，每秒接收 1,000 个请求。每个请求都会生成一个临时对象，例如 { name: 'John', age: 30 }，该对象在处理完请求后会被丢弃。如果你将新生代空间大小保留为默认值，V8 将频繁执行次要垃圾回收以清除这些小对象，从而确保内存使用量保持在可管理的状态。
老生代空间：在新生代空间中经过多次垃圾回收周期后仍然存在的对象会被提升到老生代空间。这些通常是长生命周期的对象，例如用户会话、缓存数据或持久状态。因为这些对象往往会持续更长时间，所以此空间中的垃圾回收发生频率较低，但资源消耗更大。

假设你正在运行一个跟踪用户会话的应用程序。每个会话可能存储如下数据：{ userId: 'abc123', timestamp: '2025-04-10T12:00:00', sessionData: {...} }，只要用户处于活动状态，这些数据就需要保存在内存中。随着并发用户数量的增长，老生代空间可能会被填满，导致内存溢出错误或由于低效的垃圾回收周期而导致响应时间变慢。

在 V8 中，JavaScript 对象、数组和函数的内存分配在堆中。堆的大小不是固定的，超过可用内存可能会导致“内存溢出”错误，从而导致您的应用程序崩溃。

要检查当前的堆大小限制，您可以使用 v8 模块。

const v8 = require('node:v8');
const { heap_size_limit } = v8.getHeapStatistics();
const heapSizeInGB = heap_size_limit / (1024 * 1024 * 1024);

console.log(`${heapSizeInGB} GB`);

这将输出最大堆大小（以 GB 为单位），该大小基于您系统的可用内存。

栈

除了堆之外，V8 还使用栈进行内存管理。栈是用于存储局部变量和函数调用信息的内存区域。与由 V8 垃圾回收器管理的堆不同，栈按照后进先出 (LIFO) 的原则运行。

每当调用函数时，都会将一个新的帧压入栈。当函数返回时，其帧会被弹出。与堆相比，栈的尺寸要小得多，但内存分配和释放速度更快。但是，栈的大小有限，过度使用内存（例如深度递归）可能导致栈溢出。

监控内存使用情况

在调整内存使用情况之前，了解您的应用程序消耗了多少内存非常重要。Node.js 和 V8 提供了几种用于监控内存使用情况的工具。

使用 `process.memoryUsage()`

process.memoryUsage() 方法提供了有关您的 Node.js 进程正在使用多少内存的见解。它返回一个包含以下详细信息的对象：

rss (常驻集大小): 分配给您的进程的总内存，包括堆和其他区域。
heapTotal: 为堆分配的总内存。
heapUsed: 堆中当前正在使用的内存。
external: 外部资源（如 C++ 库的绑定）使用的内存。
arrayBuffers: 分配给各种类似 Buffer 对象的内存。

以下是如何使用 process.memoryUsage() 监控应用程序中的内存使用情况：

console.log(process.memoryUsage());

输出将显示每个区域中正在使用的内存量。

{
  "rss": 25837568,
  "heapTotal": 5238784,
  "heapUsed": 3666120,
  "external": 1274076,
  "arrayBuffers": 10515
}

通过随时间监控这些值，您可以确定内存使用量是否在意外增加。例如，如果 heapUsed 稳步增长而不被释放，则可能表明您的应用程序中存在内存泄漏。

用于内存调整的命令行标志

Node.js 提供了几个命令行标志来微调与内存相关的设置，从而使您可以优化应用程序中的内存使用情况。

`--max-old-space-size`

此标志设置 V8 堆中老生代空间的大小限制，其中存储了长期存在的对象。如果您的应用程序使用大量内存，您可能需要调整此限制。

例如，假设您的应用程序处理稳定的传入请求流，每个请求都会生成一个大型对象。随着时间的推移，如果这些对象未被清除，老生代空间可能会变得过载，导致崩溃或响应时间变慢。

您可以通过设置 --max-old-space-size 标志来增加老生代空间大小：

node --max-old-space-size=4096 app.js

这会将老生代空间大小设置为 4096 MB（4 GB），这在您的应用程序处理大量持久数据（如缓存或用户会话信息）时特别有用。

`--max-semi-space-size`

此标志控制 V8 堆中新生代空间的大小。新生代空间是新创建的对象被分配和频繁进行垃圾回收的地方。增加此大小可以减少次要垃圾回收周期的频率。

例如，如果您有一个 API 接收大量请求，每个请求都创建小对象，例如 { name: 'Alice', action: 'login' }，您可能会注意到由于频繁的垃圾回收而导致性能下降。通过增加新生代空间大小，您可以减少这些回收的频率并提高整体性能。

node --max-semi-space-size=64 app.js

这会将新生代空间增加到 64 MB，从而允许更多对象在触发垃圾回收之前驻留在内存中。这在对象创建和销毁频繁的高吞吐量环境中特别有用。

`--gc-interval`

此标志调整垃圾回收周期的发生频率。默认情况下，V8 确定最佳间隔，但在某些需要更多地控制内存清理的情况下，您可以覆盖此设置。

例如，在像股票交易平台这样的实时应用程序中，您可能希望通过降低回收频率来最大限度地减少垃圾回收的影响，从而确保应用程序可以在没有明显暂停的情况下处理数据。

node --gc-interval=100 app.js

此设置强制 V8 每 100 毫秒尝试进行垃圾回收。您可能需要针对特定用例调整此间隔，但请注意：将间隔设置得太低可能会由于过多的垃圾回收周期而导致性能下降。

`--expose-gc`

使用 --expose-gc 标志，您可以从应用程序代码中手动触发垃圾回收。这在特定情况下可能很有帮助，例如在处理完一大批数据之后，您希望在继续进行其他操作之前回收内存。

要公开 gc，请使用以下命令启动您的应用程序：

node --expose-gc app.js

然后，在您的应用程序代码中，您可以调用 global.gc() 手动触发垃圾回收。

global.gc();

请记住，手动触发垃圾回收不会禁用正常的 GC 算法。V8 仍会根据需要执行自动垃圾回收。手动调用是补充性的，应谨慎使用，因为过度使用会对性能产生负面影响。

其他资源

要深入了解 V8 如何处理内存，请查看 V8 团队的以下文章：

整合起来

通过调整老生代空间和新生代空间大小的设置、有选择地触发垃圾回收以及配置堆限制，您可以优化应用程序的内存使用情况并提高其整体性能。这些工具使您能够在高需求场景中更好地管理内存，并在应用程序扩展时保持稳定性。

Node.js 简介