深入理解 Node.js 的 Buffer

Buffer 模块是 Node.js 非常重要的模块，很多模块都依赖它，本文介绍一下 Buffer 模块底层的原理，包括 Buffer 的核心实现和 V8 堆外内存等内容。

1 Buffer 的实现

1.1 Buffer 的 JS 层实现

Buffer 模块的实现虽然非常复杂，代码也非常多，但是很多都是编码解码以及内存分配管理的逻辑，我们从常用的使用方式 Buffer.from 来看看 Buffer 的核心实现。

1. Buffer.from = function from(value, encodingOrOffset, length) { 
2.   return fromString(value, encodingOrOffset); 
3. }; 
4.  
5. function fromString(string, encoding) { 
6.   return fromStringFast(string, ops); 
7. } 
8.  
9. function fromStringFast(string, ops) { 
10.   const length = ops.byteLength(string); 
11.   // 长度太长，从 C++ 层分配 
12.   if (length >= (Buffer.poolSize >>> 1)) 
13.     return createFromString(string, ops.encodingVal); 
14.   // 剩下的不够了，扩容  
15.   if (length > (poolSize - poolOffset)) 
16.     createPool(); 
17.   // 从 allocPool （ArrayBuffer）中分配内存 
18.   let b = new FastBuffer(allocPool, poolOffset, length); 
19.   const actual = ops.write(b, string, 0, length); 
20.   poolOffset += actual; 
21.   alignPool(); 
22.   return b; 
23. } 

from 的逻辑如下：1. 如果长度大于 Node.js 设置的阈值，则调用 createFromString 通过 C++ 层直接分配内存。2. 否则判断之前剩下的内存是否足够，足够则直接分配。Node.js 初始化时会首先分配一大块内存由 JS 管理，每次从这块内存了切分一部分给使用方，如果不够则扩容。我们看看 createPool。

1. // 分配一个内存池 
2. function createPool() { 
3.   poolSize = Buffer.poolSize; 
4.   // 拿到底层的 ArrayBuffer 
5.   allocPool = createUnsafeBuffer(poolSize).buffer; 
6.   poolOffset = 0; 
7. } 
8.  
9. function createUnsafeBuffer(size) { 
10.   zeroFill[0] = 0; 
11.   try { 
12.     return new FastBuffer(size); 
13.   } finally { 
14.     zeroFill[0] = 1; 
15.   } 
16. } 
17.  
18. class FastBuffer extends Uint8Array {} 

我们看到最终调用 Uint8Array 实现了内存分配。3. 通过 new FastBuffer(allocPool, poolOffset, length) 从内存池中分配一块内存。如下图所示。

1.2 Buffer 的 C++ 层实现

分析 C++ 层之前我们先看一下 V8 里下面几个对象的关系图。

接着来看看通过 createFromString 直接从 C++ 申请内存的实现。

1. void CreateFromString(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) { 
2.   enum encoding enc = static_cast<enum encoding>(args[1].As<Int32>()->Value()); 
3.   Local<Object> buf; 
4.   if (New(args.GetIsolate(), args[0].As<String>(), enc).ToLocal(&buf)) 
5.     args.GetReturnValue().Set(buf); 
6. } 
7.  
8. MaybeLocal<Object> New(Isolate* isolate, 
9.                        Local<String> string, 
10.                        enum encoding enc) { 
11.   EscapableHandleScope scope(isolate); 
12.  
13.   size_t length; 
14.   // 计算长度 
15.   if (!StringBytes::Size(isolate, string, enc).To(&length)) 
16.     return Local<Object>(); 
17.   size_t actual = 0; 
18.   char* data = nullptr; 
19.   // 直接通过 realloc 在进程堆上申请一块内存 
20.   data = UncheckedMalloc(length); 
21.   // 按照编码转换数据 
22.   actual = StringBytes::Write(isolate, data, length, string, enc); 
23.   return scope.EscapeMaybe(New(isolate, data, actual)); 
24. } 
25.  
26. MaybeLocal<Object> New(Isolate* isolate, char* data, size_t length) { 
27.   EscapableHandleScope handle_scope(isolate); 
28.   Environment* env = Environment::GetCurrent(isolate); 
29.   Local<Object> obj; 
30.   if (Buffer::New(env, data, length).ToLocal(&obj)) 
31.     return handle_scope.Escape(obj); 
32.   return Local<Object>(); 
33. } 
34.  
35. MaybeLocal<Object> New(Environment* env, 
36.                        char* data, 
37.                        size_t length) { 
38.   // JS 层变量释放后使得这块内存没人用了，GC 时在回调里释放这块内存                
39.   auto free_callback = [](char* data, void* hint) { free(data); }; 
40.   return New(env, data, length, free_callback, nullptr); 
41. } 
42.  
43. MaybeLocal<Object> New(Environment* env, 
44.                        char* data, 
45.                        size_t length, 
46.                        FreeCallback callback, 
47.                        void* hint) { 
48.   EscapableHandleScope scope(env->isolate()); 
49.   // 创建一个 ArrayBuffer 
50.   Local<ArrayBuffer> ab = 
51.       CallbackInfo::CreateTrackedArrayBuffer(env, data, length, callback, hint); 
52.   /*  
53.     创建一个 Uint8Array  
54.     Buffer::New => Local<Uint8Array> ui = Uint8Array::New(ab, byte_offset, length) 
55.   */ 
56.   MaybeLocal<Uint8Array> maybe_ui = Buffer::New(env, ab, 0, length); 
57.  
58.   Local<Uint8Array> ui; 
59.   if (!maybe_ui.ToLocal(&ui)) 
60.     return MaybeLocal<Object>(); 
61.  
62.   return scope.Escape(ui); 
63. } 

通过一系列的调用，最后通过 CreateTrackedArrayBuffer 创建了一个 ArrayBuffer，再通过 ArrayBuffer 创建了一个 Uint8Array。接着看一下 CreateTrackedArrayBuffer 的实现。

1. Local<ArrayBuffer> CallbackInfo::CreateTrackedArrayBuffer( 
2.     Environment* env, 
3.     char* data, 
4.     size_t length, 
5.     FreeCallback callback, 
6.     void* hint) { 
7.   // 管理回调 
8.   CallbackInfo* self = new CallbackInfo(env, callback, data, hint); 
9.   // 用自己申请的内存创建一个 BackingStore，并设置 GC 回调 
10.   std::unique_ptr<BackingStore> bs = 
11.       ArrayBuffer::NewBackingStore(data, length, [](void*, size_t, void* arg) { 
12.         static_cast<CallbackInfo*>(arg)->OnBackingStoreFree(); 
13.       }, self); 
14.   // 通过 BackingStore 创建 ArrayBuffer 
15.   Local<ArrayBuffer> ab = ArrayBuffer::New(env->isolate(), std::move(bs)); 
16.   return ab; 
17. } 

看一下 NewBackingStore 的实现。

1. std::unique_ptr<v8::BackingStore> v8::ArrayBuffer::NewBackingStore( 
2.     void* data, size_t byte_length, v8::BackingStore::DeleterCallback deleter, 
3.     void* deleter_data) { 
4.   std::unique_ptr<i::BackingStoreBase> backing_store = i::BackingStore::WrapAllocation(data, byte_length, deleter, deleter_data, 
5.                                       i::SharedFlag::kNotShared); 
6.   return std::unique_ptr<v8::BackingStore>( 
7.       static_cast<v8::BackingStore*>(backing_store.release())); 
8. } 
9.  
10. std::unique_ptr<BackingStore> BackingStore::WrapAllocation( 
11.     void* allocation_base, size_t allocation_length, 
12.     v8::BackingStore::DeleterCallback deleter, void* deleter_data, 
13.     SharedFlag shared) { 
14.   bool is_empty_deleter = (deleter == v8::BackingStore::EmptyDeleter); 
15.   // 新建一个 BackingStore  
16.   auto result = new BackingStore(allocation_base,    // start 
17.                                  allocation_length,  // length 
18.                                  allocation_length,  // capacity 
19.                                  shared,             // shared 
20.                                  false,              // is_wasm_memory 
21.                                  true,               // free_on_destruct 
22.                                  false,              // has_guard_regions 
23.                                  // 说明释放内存由调用方执行 
24.                                  true,               // custom_deleter 
25.                                  is_empty_deleter);  // empty_deleter 
26.   // 保存回调需要的信息                                
27.   result->type_specific_data_.deleter = {deleter, deleter_data}; 
28.   return std::unique_ptr<BackingStore>(result); 
29. } 

NewBackingStore 最终是创建了一个 BackingStore 对象。我们再看一下 GC 时 BackingStore 的析构函数里都做了什么。

1. BackingStore::~BackingStore() { 
2.   if (custom_deleter_) { 
3.     type_specific_data_.deleter.callback(buffer_start_, byte_length_, 
4.                                          type_specific_data_.deleter.data); 
5.     Clear(); 
6.     return; 
7.   } 
8. } 

析构的时候会执行创建 BackingStore 时保存的回调。我们看一下管理回调的 CallbackInfo 的实现。

1. CallbackInfo::CallbackInfo(Environment* env, 
2.                            FreeCallback callback, 
3.                            char* data, 
4.                            void* hint) 
5.     : callback_(callback), 
6.       data_(data), 
7.       hint_(hint), 
8.       env_(env) { 
9.   env->AddCleanupHook(CleanupHook, this); 
10.   env->isolate()->AdjustAmountOfExternalAllocatedMemory(sizeof(*this)); 
11. } 

CallbackInfo 的实现很简单，主要的地方是 AdjustAmountOfExternalAllocatedMemory。该函数告诉 V8 堆外内存增加了多少个字节，V8 会根据内存的数据做适当的 GC。CallbackInfo 主要是保存了回调和内存地址。接着在 GC 的时候会回调 CallbackInfo 的 OnBackingStoreFree。

1. void CallbackInfo::OnBackingStoreFree() { 
2.   std::unique_ptr<CallbackInfo> self { this }; 
3.   Mutex::ScopedLock lock(mutex_); 
4.   // check 阶段执行 CallAndResetCallback 
5.   env_->SetImmediateThreadsafe([self = std::move(self)](Environment* env) { 
6.     self->CallAndResetCallback(); 
7.   });}void CallbackInfo::CallAndResetCallback() { 
8.   FreeCallback callback; 
9.   { 
10.     Mutex::ScopedLock lock(mutex_); 
11.     callback = callback_; 
12.     callback_ = nullptr; 
13.   } 
14.   if (callback != nullptr) { 
15.     // 堆外内存减少了这么多个字节 
16.     int64_t change_in_bytes = -static_cast<int64_t>(sizeof(*this)); 
17.     env_->isolate()->AdjustAmountOfExternalAllocatedMemory(change_in_bytes); 
18.     // 执行回调，通常是释放内存 
19.     callback(data_, hint_); 
20.   } 
21. } 

1.3 Buffer C++ 层的另一种实现

刚才介绍的 C++ 实现中内存是由自己分配并释放的，下面介绍另一种内存的分配和释放由 V8 管理的场景。以 Buffer 的提供的 EncodeUtf8String 函数为例，该函数实现字符串的编码。

1. static void EncodeUtf8String(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) { 
2.   Environment* env = Environment::GetCurrent(args); 
3.   Isolate* isolate = env->isolate(); 
4.   // 被编码的字符串 
5.   Local<String> str = args[0].As<String>(); 
6.   size_t length = str->Utf8Length(isolate); 
7.   // 分配内存 
8.   AllocatedBuffer buf = AllocatedBuffer::AllocateManaged(env, length); 
9.   // 编码 
10.   str->WriteUtf8(isolate, 
11.                  buf.data(), 
12.                  -1,  // We are certain that `data` is sufficiently large 
13.                  nullptr, 
14.                  String::NO_NULL_TERMINATION | String::REPLACE_INVALID_UTF8); 
15.   // 基于上面申请的 buf 内存新建一个 Uint8Array               
16.   auto array = Uint8Array::New(buf.ToArrayBuffer(), 0, length); 
17.   args.GetReturnValue().Set(array); 
18. } 

我们重点分析 AllocatedBuffer::AllocateManaged。

1. AllocatedBuffer AllocatedBuffer::AllocateManaged( 
2.     Environment* env, 
3.     size_t size) { 
4.   NoArrayBufferZeroFillScope no_zero_fill_scope(env->isolate_data()); 
5.   std::unique_ptr<v8::BackingStore> bs = v8::ArrayBuffer::NewBackingStore(env->isolate(), size); 
6.   return AllocatedBuffer(env, std::move(bs)); 
7. } 

AllocateManaged 调用 NewBackingStore 申请了内存。

1. std::unique_ptr<v8::BackingStore> v8::ArrayBuffer::NewBackingStore( 
2.     Isolate* isolate, size_t byte_length) { 
3.  
4.   i::Isolate* i_isolate = reinterpret_cast<i::Isolate*>(isolate); 
5.   std::unique_ptr<i::BackingStoreBase> backing_store = 
6.       i::BackingStore::Allocate(i_isolate, byte_length, 
7.                                 i::SharedFlag::kNotShared, 
8.                                 i::InitializedFlag::kZeroInitialized); 
9.  
10.   return std::unique_ptr<v8::BackingStore>( 
11.       static_cast<v8::BackingStore*>(backing_store.release())); 
12. } 

继续看 BackingStore::Allocate。

1. std::unique_ptr<BackingStore> BackingStore::Allocate( 
2.     Isolate* isolate, size_t byte_length, SharedFlag shared, 
3.     InitializedFlag initialized) { 
4.   void* buffer_start = nullptr; 
5.   // ArrayBuffer 内存分配器，可以自定义，V8 默认提供的是使用平台相关的堆内存分析函数，比如 malloc 
6.   auto allocator = isolate->array_buffer_allocator(); 
7.   if (byte_length != 0) { 
8.     auto allocate_buffer = [allocator, initialized](size_t byte_length) { 
9.       // 分配内存 
10.       void* buffer_start = allocator->Allocate(byte_length); 
11.       return buffer_start; 
12.     }; 
13.     // 同步执行 allocate_buffer 分配内存 
14.     buffer_start = isolate->heap()->AllocateExternalBackingStore(allocate_buffer, byte_length); 
15.   } 
16.   // 新建 BackingStore 管理内存 
17.   auto result = new BackingStore(buffer_start,  // start 
18.                                  byte_length,   // length 
19.                                  byte_length,   // capacity 
20.                                  shared,        // shared 
21.                                  false,         // is_wasm_memory 
22.                                  true,          // free_on_destruct 
23.                                  false,         // has_guard_regions 
24.                                  false,         // custom_deleter 
25.                                  false);        // empty_deleter 
26.  
27.   return std::unique_ptr<BackingStore>(result); 
28. } 

BackingStore::Allocate 分配一块内存并新建 BackingStore 对象管理这块内存，内存分配器是在初始化 V8 的时候设置的。这里我们再看一下 AllocateExternalBackingStore 函数的逻辑。

1. void* Heap::AllocateExternalBackingStore( 
2.     const std::function<void*(size_t)>& allocate, size_t byte_length) { 
3.    // 可能需要触发 GC 
4.    if (!always_allocate()) { 
5.     size_t new_space_backing_store_bytes = 
6.         new_space()->ExternalBackingStoreBytes(); 
7.     if (new_space_backing_store_bytes >= 2 * kMaxSemiSpaceSize && 
8.         new_space_backing_store_bytes >= byte_length) { 
9.       CollectGarbage(NEW_SPACE, 
10.                      GarbageCollectionReason::kExternalMemoryPressure); 
11.     } 
12.   } 
13.   // 分配内存 
14.   void* result = allocate(byte_length); 
15.   // 成功则返回 
16.   if (result) return result; 
17.   // 失败则进行 GC 
18.   if (!always_allocate()) { 
19.     for (int i = 0; i < 2; i++) { 
20.       CollectGarbage(OLD_SPACE, 
21.                      GarbageCollectionReason::kExternalMemoryPressure); 
22.       result = allocate(byte_length); 
23.       if (result) return result; 
24.     } 
25.     isolate()->counters()->gc_last_resort_from_handles()->Increment(); 
26.     CollectAllAvailableGarbage( 
27.         GarbageCollectionReason::kExternalMemoryPressure); 
28.   } 
29.   // 再次分配，失败则返回失败 
30.   return allocate(byte_length); 
31. } 

我们看到通过 BackingStore 申请内存失败时会触发 GC 来腾出更多的可用内存。分配完内存后，最终以 BackingStore 对象为参数，返回一个 AllocatedBuffer 对象。

1. AllocatedBuffer::AllocatedBuffer( 
2.     Environment* env, std::unique_ptr<v8::BackingStore> bs) 
3.     : env_(env), backing_store_(std::move(bs)) {} 

接着把 AllocatedBuffer 对象转成 ArrayBuffer 对象。

1. v8::Local<v8::ArrayBuffer> AllocatedBuffer::ToArrayBuffer() { 
2.   return v8::ArrayBuffer::New(env_->isolate(), std::move(backing_store_)); 
3. } 

最后把 ArrayBuffer 对象传入 Uint8Array 返回一个 Uint8Array 对象返回给调用方。

2 Uint8Array 的使用和实现

从前面的实现中可以看到 C++ 层的实现中，内存都是从进程的堆中分配的，那么 JS 层通过 Uint8Array 申请的内存是否也是在进程堆中申请的呢?下面我们看看 V8 中 Uint8Array 的实现。Uint8Array 有多种创建方式，我们只看 new Uint8Array(length) 的实现。

1. transitioning macro ConstructByLength(implicit context: Context)( 
2.     map: Map, lengthObj: JSAny, 
3.     elementsInfo: typed_array::TypedArrayElementsInfo): JSTypedArray { 
4.   try { 
5.     // 申请的内存大小 
6.     const length: uintptr = ToIndex(lengthObj); 
7.     // 拿到创建 ArrayBuffer 的函数 
8.     const defaultConstructor: Constructor = GetArrayBufferFunction(); 
9.     const initialize: constexpr bool = true; 
10.     return TypedArrayInitialize( 
11.         initialize, map, length, elementsInfo, defaultConstructor) 
12.         otherwise RangeError; 
13.   } 
14. } 
15.  
16. transitioning macro TypedArrayInitialize(implicit context: Context)( 
17.     initialize: constexpr bool, map: Map, length: uintptr, 
18.     elementsInfo: typed_array::TypedArrayElementsInfo, 
19.     bufferConstructor: JSReceiver): JSTypedArray labels IfRangeError { 
20.  
21.   const byteLength = elementsInfo.CalculateByteLength(length); 
22.   const byteLengthNum = Convert<Number>(byteLength); 
23.   const defaultConstructor = GetArrayBufferFunction(); 
24.   const byteOffset: uintptr = 0; 
25.  
26.   try { 
27.     // 创建 JSArrayBuffer 
28.     const buffer = AllocateEmptyOnHeapBuffer(byteLength); 
29.     const isOnHeap: constexpr bool = true; 
30.     // 通过 buffer 创建 TypedArray 
31.     const typedArray = AllocateTypedArray( 
32.         isOnHeap, map, buffer, byteOffset, byteLength, length); 
33.     // 内存置 0 
34.     if constexpr (initialize) { 
35.       const backingStore = typedArray.data_ptr; 
36.       typed_array::CallCMemset(backingStore, 0, byteLength); 
37.     } 
38.  
39.     return typedArray; 
40.   } 
41. } 

主要逻辑分为两步，首先通过 AllocateEmptyOnHeapBuffer 申请一个 JSArrayBuffer，然后以 JSArrayBuffer 创建一个 TypedArray。我们先看一下 AllocateEmptyOnHeapBuffer。

1. TNode<JSArrayBuffer> TypedArrayBuiltinsAssembler::AllocateEmptyOnHeapBuffer( 
2.     TNode<Context> context, TNode<UintPtrT> byte_length) { 
3.  
4.   TNode<NativeContext> native_context = LoadNativeContext(context); 
5.   TNode<Map> map = CAST(LoadContextElement(native_context, Context::ARRAY_BUFFER_MAP_INDEX)); 
6.   TNode<FixedArray> empty_fixed_array = EmptyFixedArrayConstant(); 
7.   // 申请一个 JSArrayBuffer 对象所需要的内存 
8.   TNode<JSArrayBuffer> buffer = UncheckedCast<JSArrayBuffer>(Allocate(JSArrayBuffer::kSizeWithEmbedderFields)); 
9.   // 初始化对象的属性 
10.   StoreMapNoWriteBarrier(buffer, map); 
11.   StoreObjectFieldNoWriteBarrier(buffer, JSArray::kPropertiesOrHashOffset, empty_fixed_array); 
12.   StoreObjectFieldNoWriteBarrier(buffer, JSArray::kElementsOffset, empty_fixed_array); 
13.   int32_t bitfield_value = (1 << JSArrayBuffer::IsExternalBit::kShift) | 
14.                            (1 << JSArrayBuffer::IsDetachableBit::kShift); 
15.   StoreObjectFieldNoWriteBarrier(buffer, JSArrayBuffer::kBitFieldOffset, Int32Constant(bitfield_value)); 
16.   StoreObjectFieldNoWriteBarrier(buffer, JSArrayBuffer::kByteLengthOffset, byte_length); 
17.   // 设置 buffer 为 nullptr                                
18.   StoreJSArrayBufferBackingStore(buffer, EncodeExternalPointer(ReinterpretCast<RawPtrT>(IntPtrConstant(0)))); 
19.   StoreObjectFieldNoWriteBarrier(buffer, JSArrayBuffer::kExtensionOffset, IntPtrConstant(0)); 
20.   for (int offset = JSArrayBuffer::kHeaderSize; offset < JSArrayBuffer::kSizeWithEmbedderFields; offset += kTaggedSize) { 
21.     StoreObjectFieldNoWriteBarrier(buffer, offset, SmiConstant(0)); 
22.   } 
23.   return buffer; 
24. } 

AllocateEmptyOnHeapBuffer 申请了一个空的 JSArrayBuffer 对象，空的意思是说没有存储数据的内存。接着看基于 JSArrayBuffer 对象 通过 AllocateTypedArray 创建一个 TypedArray。

1. transitioning macro AllocateTypedArray(implicit context: Context)( 
2.     isOnHeap: constexpr bool, map: Map, buffer: JSArrayBuffer, 
3.     byteOffset: uintptr, byteLength: uintptr, length: uintptr): JSTypedArray { 
4.   // 从 V8 堆中申请存储数据的内存 
5.   let elements: ByteArray = AllocateByteArray(byteLength); 
6.   // 申请一个 JSTypedArray 对象 
7.   const typedArray = UnsafeCast<JSTypedArray>(AllocateFastOrSlowJSObjectFromMap(map)); 
8.   // 初始化属性 
9.   typedArray.elements = elements; 
10.   typedArray.buffer = buffer; 
11.   typedArray.byte_offset = byteOffset; 
12.   typedArray.byte_length = byteLength; 
13.   typedArray.length = length; 
14.   typed_array::SetJSTypedArrayOnHeapDataPtr(typedArray, elements, byteOffset); 
15.   SetupTypedArrayEmbedderFields(typedArray); 
16.   return typedArray; 

我们发现 Uint8Array 申请的内存是基于 V8 堆的，而不是 V8 的堆外内存，这难道和 C++ 层的实现不一样?Uint8Array 的内存的确是基于 V8 堆的，比如我像下面这样使用的时候。

1. const arr = new Uint8Array(1); 
2. arr[0] = 65; 

但是如果我们使用 arr.buffer 的时候，情况就不一样了。我们看看具体的实现。

1. BUILTIN(TypedArrayPrototypeBuffer) { 
2.   HandleScope scope(isolate); 
3.   CHECK_RECEIVER(JSTypedArray, typed_array, 
4.                  "get %TypedArray%.prototype.buffer"); 
5.   return *typed_array->GetBuffer(); 
6. } 

接着看 GetBuffer 的实现。

1. Handle<JSArrayBuffer> JSTypedArray::GetBuffer() { 
2.   Isolate* isolate = GetIsolate(); 
3.   Handle<JSTypedArray> self(*this, isolate); 
4.   // 拿到 TypeArray 对应的 JSArrayBuffer 对象 
5.   Handle<JSArrayBuffer> array_buffer(JSArrayBuffer::cast(self->buffer()), isolate); 
6.   // 分配过了直接返回 
7.   if (!is_on_heap()) { 
8.    return array_buffer; 
9.   } 
10.   size_t byte_length = self->byte_length(); 
11.   // 申请 byte_length 字节内存存储数据 
12.   auto backing_store = BackingStore::Allocate(isolate, byte_length, SharedFlag::kNotShared, InitializedFlag::kUninitialized); 
13.   // 关联 backing_store 到 array_buffer 
14.   array_buffer->Setup(SharedFlag::kNotShared, std::move(backing_store)); 
15.   return array_buffer; 
16. } 

我们看到当使用 buffer 的时候，V8 会在 V8 堆外申请内存来替代初始化 Uint8Array 时在 V8 堆内分配的内存，并且把原来的数据复制过来。看一下下面的例子。

1. console.log(process.memoryUsage().arrayBuffers) 
2. let a = new Uint8Array(10); 
3. a[0] = 65; 
4. console.log(process.memoryUsage().arrayBuffers) 

我们会发现 arrayBuffers 的值是一样的，说明 Uint8Array 初始化时没有通过 arrayBuffers 申请堆外内存。接着再看下一个例子。

1. console.log(process.memoryUsage().arrayBuffers) 
2. let a = new Uint8Array(1); 
3. a[0] = 65; 
4. a.buffer 
5. console.log(process.memoryUsage().arrayBuffers) 
6. console.log(new Uint8Array(a.buffer)) 

我们看到输出的内存增加了一个字节，输出的 a.buffer 是 [ 65 ](申请内存超 64 时会从堆外申请)。

3 堆外内存的管理

从之前的分析中我们看到，Node.js Buffer 是基于堆外内存实现的(自己申请进程堆内存或者使用 V8 默认的内存分配器)，我们知道，平时使用的变量都是由 V8 负责管理内存的，那么 Buffer 所代表的堆外内存是怎么管理的呢?Buffer 的内存释放也是由 V8 跟踪的，不过释放的逻辑和堆内内存不太一样。我们通过一些例子来分析一下。

1. function forceGC() { 
2.     new ArrayBuffer(1024 * 1024 * 1024); 
3. } 
4.  
5. setTimeout(() => { 
6.     /* 
7.         从 C++ 层调用 V8 对象创建内存 
8.         let a = process.binding('buffer').createFromString("你好", 1); 
9.     */  
10.     /* 
11.         直接使用 V8 内置对象 
12.         let a = new ArrayBuffer(10); 
13.     */ 
14.     // 从 C++ 层自己管理内存 
15.     let a = process.binding('buffer').encodeUtf8String("你好"); 
16.     // 置空等待 GC 
17.     a = null; 
18.     // 分配一块大内存触发 GC 
19.     process.nextTick(forceGC); 
20. }, 1000); 
21.  
22. const net = require('net'); 
23. net.createServer((socket) => {}).listen() 

在 V8 的代码打断点，然后调试以上代码。

我们看到在超时回调里 V8 分配了一个 ArrayBufferExtension 对象并记录到 ArrayBufferSweeper 中。接着看一下触发 GC 时的逻辑。

V8 在 GC 中会调用

heap_->array_buffer_sweeper()->RequestSweepYoung() 回收堆外内存，另外 Node.js 本身似乎也使用线程去回收 堆外内存。我们再看一下自己管理内存的情况下回调的触发。

如果这样写是不会触发 BackingStore::~BackingStore 执行的，再次验证了 Uint8Array 初始化时没有使用 BackingStore。

1. setTimeout(() => { 
2.    let a = new Uint8Array(1); 
3.    // a.buffer; 
4.    a = null; 
5.    process.nextTick(forceGC); 
6. }); 

但是如果把注释打开就可以。

4 总结

Buffer 平时用起来可能比较简单，但是如果深入研究它的实现就会发现涉及的内容不仅多，而且还复杂，不过深入理解了它的底层实现后，会有种豁然开朗的感觉，另外 Buffer 的内存是堆外内存，如果我们发现进程的内存不断增长但是 V8 堆快照大小变化不大，那可能是 Buffer 变量没有释放，理解实现能帮助我们更好地思考问题和解决问题。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/ln2ReI-2aF4_Ubxn1EGg7Q