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13 | 垃圾回收：垃圾数据是如何自动回收的？

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13 | 垃圾回收：垃圾数据是如何自动回收的？

2019-09-03 李兵 来自北京
《浏览器工作原理与实践》
课程介绍

讲述：李兵

时长14:36大小20.02M

在上一篇文章中，我们提到了 JavaScript 中的数据是如何存储的，并通过例子分析了原始数据类型是存储在栈空间中的，引用类型的数据是存储在堆空间中的。通过这种分配方式，我们解决了数据的内存分配的问题。
不过有些数据被使用之后，可能就不再需要了，我们把这种数据称为垃圾数据。如果这些垃圾数据一直保存在内存中，那么内存会越用越多，所以我们需要对这些垃圾数据进行回收，以释放有限的内存空间。

不同语言的垃圾回收策略

通常情况下，垃圾数据回收分为手动回收和自动回收两种策略。
如 C/C++ 就是使用手动回收策略，何时分配内存、何时销毁内存都是由代码控制的，你可以参考下面这段 C 代码：
//在堆中分配内存
char* p = (char*)malloc(2048); //在堆空间中分配2048字节的空间，并将分配后的引用地址保存到p中
//使用p指向的内存
{
//....
}
//使用结束后，销毁这段内存
free(p)；
p = NULL；
从上面这段 C 代码可以看出来，要使用堆中的一块空间，我们需要先调用 mallco 函数分配内存，然后再使用；当不再需要这块数据的时候，就要手动调用 free 函数来释放内存。如果这段数据已经不再需要了，但是又没有主动调用 free 函数来销毁，那么这种情况就被称为内存泄漏。
另外一种使用的是自动垃圾回收的策略，如 JavaScript、Java、Python 等语言，产生的垃圾数据是由垃圾回收器来释放的，并不需要手动通过代码来释放。
对于 JavaScript 而言，也正是这个“自动”释放资源的特性带来了很多困惑，也让一些 JavaScript 开发者误以为可以不关心内存管理，这是一个很大的误解。
那么在本文，我们将围绕“JavaScript 的数据是如何回收的”这个话题来展开探讨。因为数据是存储在栈和堆两种内存空间中的，所以接下来我们就来分别介绍“栈中的垃圾数据”和“堆中的垃圾数据”是如何回收的。

调用栈中的数据是如何回收的

首先是调用栈中的数据，我们还是通过一段示例代码的执行流程来分析其回收机制，具体如下：
function foo(){
var a = 1
var b = {name:"极客邦"}
function showName(){
var c = 2
var d = {name:"极客时间"}
}
showName()
}
foo()
当执行到第 6 行代码时，其调用栈和堆空间状态图如下所示：
执行到 showName 函数时的内存模型
从图中可以看出，原始类型的数据被分配到栈中，引用类型的数据会被分配到堆中。当 foo 函数执行结束之后，foo 函数的执行上下文会从堆中被销毁掉，那么它是怎么被销毁的呢？下面我们就来分析一下。
在上篇文章中，我们简单介绍过了，如果执行到 showName 函数时，那么 JavaScript 引擎会创建 showName 函数的执行上下文，并将 showName 函数的执行上下文压入到调用栈中，最终执行到 showName 函数时，其调用栈就如上图所示。与此同时，还有一个记录当前执行状态的指针（称为 ESP），指向调用栈中 showName 函数的执行上下文，表示当前正在执行 showName 函数。
接着，当 showName 函数执行完成之后，函数执行流程就进入了 foo 函数，那这时就需要销毁 showName 函数的执行上下文了。ESP 这时候就帮上忙了，JavaScript 会将 ESP 下移到 foo 函数的执行上下文，这个下移操作就是销毁 showName 函数执行上下文的过程。
你可能会有点懵，ESP 指针向下移动怎么就能把 showName 的执行上下文销毁了呢？具体你可以看下面这张移动 ESP 前后的对比图：
从栈中回收 showName 执行上下文
从图中可以看出，当 showName 函数执行结束之后，ESP 向下移动到 foo 函数的执行上下文中，上面 showName 的执行上下文虽然保存在栈内存中，但是已经是无效内存了。比如当 foo 函数再次调用另外一个函数时，这块内容会被直接覆盖掉，用来存放另外一个函数的执行上下文。
所以说，当一个函数执行结束之后，JavaScript 引擎会通过向下移动 ESP 来销毁该函数保存在栈中的执行上下文。

堆中的数据是如何回收的

通过上面的讲解，我想现在你应该已经知道，当上面那段代码的 foo 函数执行结束之后，ESP 应该是指向全局执行上下文的，那这样的话，showName 函数和 foo 函数的执行上下文就处于无效状态了，不过保存在堆中的两个对象依然占用着空间，如下图所示：
foo 函数执行结束后的内存状态
从图中可以看出，1003 和 1050 这两块内存依然被占用。要回收堆中的垃圾数据，就需要用到 JavaScript 中的垃圾回收器了。
所以，接下来我们就来通过 Chrome 的 JavaScript 引擎 V8 来分析下堆中的垃圾数据是如何回收的。

代际假说和分代收集

不过在正式介绍 V8 是如何实现回收之前，你需要先学习下代际假说（The Generational Hypothesis）的内容，这是垃圾回收领域中一个重要的术语，后续垃圾回收的策略都是建立在该假说的基础之上的，所以很是重要。
代际假说有以下两个特点：
第一个是大部分对象在内存中存在的时间很短，简单来说，就是很多对象一经分配内存，很快就变得不可访问；
第二个是不死的对象，会活得更久。
其实这两个特点不仅仅适用于 JavaScript，同样适用于大多数的动态语言，如 Java、Python 等。
有了代际假说的基础，我们就可以来探讨 V8 是如何实现垃圾回收的了。
通常，垃圾回收算法有很多种，但是并没有哪一种能胜任所有的场景，你需要权衡各种场景，根据对象的生存周期的不同而使用不同的算法，以便达到最好的效果。
所以，在 V8 中会把堆分为新生代和老生代两个区域，新生代中存放的是生存时间短的对象，老生代中存放的生存时间久的对象。
新生区通常只支持 1～8M 的容量，而老生区支持的容量就大很多了。对于这两块区域，V8 分别使用两个不同的垃圾回收器，以便更高效地实施垃圾回收。
副垃圾回收器，主要负责新生代的垃圾回收。
主垃圾回收器，主要负责老生代的垃圾回收。

垃圾回收器的工作流程

现在你知道了 V8 把堆分成两个区域——新生代和老生代，并分别使用两个不同的垃圾回收器。其实不论什么类型的垃圾回收器，它们都有一套共同的执行流程。
第一步是标记空间中活动对象和非活动对象。所谓活动对象就是还在使用的对象，非活动对象就是可以进行垃圾回收的对象。
第二步是回收非活动对象所占据的内存。其实就是在所有的标记完成之后，统一清理内存中所有被标记为可回收的对象。
第三步是做内存整理。一般来说，频繁回收对象后，内存中就会存在大量不连续空间，我们把这些不连续的内存空间称为内存碎片。当内存中出现了大量的内存碎片之后，如果需要分配较大连续内存的时候，就有可能出现内存不足的情况。所以最后一步需要整理这些内存碎片，但这步其实是可选的，因为有的垃圾回收器不会产生内存碎片，比如接下来我们要介绍的副垃圾回收器。
那么接下来，我们就按照这个流程来分析新生代垃圾回收器（副垃圾回收器）和老生代垃圾回收器（主垃圾回收器）是如何处理垃圾回收的。

副垃圾回收器

副垃圾回收器主要负责新生区的垃圾回收。而通常情况下，大多数小的对象都会被分配到新生区，所以说这个区域虽然不大，但是垃圾回收还是比较频繁的。
新生代中用 Scavenge 算法来处理。所谓 Scavenge 算法，是把新生代空间对半划分为两个区域，一半是对象区域，一半是空闲区域，如下图所示：
新生区要划分为对象区域和空闲区域
新加入的对象都会存放到对象区域，当对象区域快被写满时，就需要执行一次垃圾清理操作。
在垃圾回收过程中，首先要对对象区域中的垃圾做标记；标记完成之后，就进入垃圾清理阶段，副垃圾回收器会把这些存活的对象复制到空闲区域中，同时它还会把这些对象有序地排列起来，所以这个复制过程，也就相当于完成了内存整理操作，复制后空闲区域就没有内存碎片了。
完成复制后，对象区域与空闲区域进行角色翻转，也就是原来的对象区域变成空闲区域，原来的空闲区域变成了对象区域。这样就完成了垃圾对象的回收操作，同时这种角色翻转的操作还能让新生代中的这两块区域无限重复使用下去。
由于新生代中采用的 Scavenge 算法，所以每次执行清理操作时，都需要将存活的对象从对象区域复制到空闲区域。但复制操作需要时间成本，如果新生区空间设置得太大了，那么每次清理的时间就会过久，所以为了执行效率，一般新生区的空间会被设置得比较小。
也正是因为新生区的空间不大，所以很容易被存活的对象装满整个区域。为了解决这个问题，JavaScript 引擎采用了对象晋升策略，也就是经过两次垃圾回收依然还存活的对象，会被移动到老生区中。

主垃圾回收器

主垃圾回收器主要负责老生区中的垃圾回收。除了新生区中晋升的对象，一些大的对象会直接被分配到老生区。因此老生区中的对象有两个特点，一个是对象占用空间大，另一个是对象存活时间长。
由于老生区的对象比较大，若要在老生区中使用 Scavenge 算法进行垃圾回收，复制这些大的对象将会花费比较多的时间，从而导致回收执行效率不高，同时还会浪费一半的空间。因而，主垃圾回收器是采用标记 - 清除（Mark-Sweep）的算法进行垃圾回收的。下面我们来看看该算法是如何工作的。
首先是标记过程阶段。标记阶段就是从一组根元素开始，递归遍历这组根元素，在这个遍历过程中，能到达的元素称为活动对象，没有到达的元素就可以判断为垃圾数据。
比如最开始的那段代码，当 showName 函数执行退出之后，这段代码的调用栈和堆空间如下图所示：
标记过程
从上图你可以大致看到垃圾数据的标记过程，当 showName 函数执行结束之后，ESP 向下移动，指向了 foo 函数的执行上下文，这时候如果遍历调用栈，是不会找到引用 1003 地址的变量，也就意味着 1003 这块数据为垃圾数据，被标记为红色。由于 1050 这块数据被变量 b 引用了，所以这块数据会被标记为活动对象。这就是大致的标记过程。
接下来就是垃圾的清除过程。它和副垃圾回收器的垃圾清除过程完全不同，你可以理解这个过程是清除掉红色标记数据的过程，可参考下图大致理解下其清除过程：
标记清除过程
上面的标记过程和清除过程就是标记 - 清除算法，不过对一块内存多次执行标记 - 清除算法后，会产生大量不连续的内存碎片。而碎片过多会导致大对象无法分配到足够的连续内存，于是又产生了另外一种算法——标记 - 整理（Mark-Compact），这个标记过程仍然与标记 - 清除算法里的是一样的，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。你可以参考下图：
标记整理过程

全停顿

现在你知道了 V8 是使用副垃圾回收器和主垃圾回收器处理垃圾回收的，不过由于 JavaScript 是运行在主线程之上的，一旦执行垃圾回收算法，都需要将正在执行的 JavaScript 脚本暂停下来，待垃圾回收完毕后再恢复脚本执行。我们把这种行为叫做全停顿（Stop-The-World）。
比如堆中的数据有 1.5GB，V8 实现一次完整的垃圾回收需要 1 秒以上的时间，这也是由于垃圾回收而引起 JavaScript 线程暂停执行的时间，若是这样的时间花销，那么应用的性能和响应能力都会直线下降。主垃圾回收器执行一次完整的垃圾回收流程如下图所示：
全停顿
在 V8 新生代的垃圾回收中，因其空间较小，且存活对象较少，所以全停顿的影响不大，但老生代就不一样了。如果在执行垃圾回收的过程中，占用主线程时间过久，就像上面图片展示的那样，花费了 200 毫秒，在这 200 毫秒内，主线程是不能做其他事情的。比如页面正在执行一个 JavaScript 动画，因为垃圾回收器在工作，就会导致这个动画在这 200 毫秒内无法执行的，这将会造成页面的卡顿现象。
为了降低老生代的垃圾回收而造成的卡顿，V8 将标记过程分为一个个的子标记过程，同时让垃圾回收标记和 JavaScript 应用逻辑交替进行，直到标记阶段完成，我们把这个算法称为增量标记（Incremental Marking）算法。如下图所示：
增量标记
使用增量标记算法，可以把一个完整的垃圾回收任务拆分为很多小的任务，这些小的任务执行时间比较短，可以穿插在其他的 JavaScript 任务中间执行，这样当执行上述动画效果时，就不会让用户因为垃圾回收任务而感受到页面的卡顿了。

总结

好了，今天就讲到这里，下面我们就来总结下今天的主要内容。
首先我们介绍了不同语言的垃圾回收策略，然后又说明了栈中的数据是如何回收的，最后重点讲解了 JavaScript 中的垃圾回收器是如何工作的。
从上面的分析你也能看出来，无论是垃圾回收的策略，还是处理全停顿的策略，往往都没有一个完美的解决方案，你需要花一些时间来做权衡，而这需要牺牲当前某几方面的指标来换取其他几个指标的提升。
其实站在工程师的视角，我们经常需要在满足需求的前提下，权衡各个指标的得失，把系统设计得尽可能适应最核心的需求。
生活中处理事情的原则也与之类似，古人很早就说过“两害相权取其轻，两利相权取其重”，所以与其患得患失，不如冷静地分析哪些才是核心诉求，然后果断决策牺牲哪些以使得利益最大化。

思考时间

今天留给你的思考题是：你是如何判断 JavaScript 中内存泄漏的？可以结合一些你在工作中避免内存泄漏的方法。
欢迎在留言区与我分享你的想法，也欢迎你在留言区记录你的思考过程。感谢阅读，如果你觉得这篇文章对你有帮助的话，也欢迎把它分享给更多的朋友。
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精选留言(86)

  • mfist
    2019-09-03
    1. 如何判断内存泄漏的？一般是感官上的长时间运行页面卡顿，猜可能会有内存泄漏。通过DynaTrace（IE）profiles等工具一段时间收集数据，观察对象的使用情况。然后判断是否存在内存泄漏。修改后验证 2. 工作中避免内存泄漏方法：确定不使用的临时变量置为null，当前es6普及场景下少使用闭包也是一种方法。 今日总结 垃圾回收策略一般分为手动回收和自动回收，java python JavaScript等高级预言为了减轻程序员负担和出错概率采用了自动回收策略。JavaScript的原始类型数据和引用数据是分别存储在栈和椎中的，由于栈和堆分配空间大小差异，垃圾回收方式也不一样。栈中分配空间通过ESP的向下移动销毁保存在栈中数据；堆中垃圾回收主要通过副垃圾回收器（新生代）和主垃圾回收器（老生代）负责的，副垃圾回收器采用scavenge算法将区域分为对象区域和空闲区域，通过两个区域的反转让新生代区域无限使用下去。主垃圾回收器采用Mark-Sweep（Mark-Compact Incremental Marking解决不同场景下问题的算法改进）算法进行空间回收的。无论是主副垃圾回收器的策略都是标记-清除-整理三个大的步骤。另外还有新生代的晋升策略（两次未清除的），大对象直接分配在老生代。
    展开

    作者回复: 总结很好，还可以通过Chrome开发者工具中的Performance来观察。

    111
  • dellyoung
    2020-03-29
    栈和堆 栈垃圾回收 当函数执行结束，JS引擎通过向下移动ESP指针（记录调用栈当前执行状态的指针），来销毁该函数保存在栈中的执行上下文（变量环境、词法环境、this、outer）。 堆垃圾回收 一、代际假说 1、大部分对象存活时间很短 2、不被销毁的对象，会活的更久 二、分类 V8 中会把堆分为新生代和老生代两个区域，新生代中存放的是生存时间短的对象，老生代中存放的生存时间久的对象。 三、新生代 算法：Scavenge 算法 原理： 1、把新生代空间对半划分为两个区域，一半是对象区域，一半是空闲区域。 2、新加入的对象都会存放到对象区域，当对象区域快被写满时，就需要执行一次垃圾清理操作。 3、先对对象区域中的垃圾做标记，标记完成之后，把这些存活的对象复制到空闲区域中 4、完成复制后，对象区域与空闲区域进行角色翻转，也就是原来的对象区域变成空闲区域，原来的空闲区域变成了对象区域。 对象晋升策略： 经过两次垃圾回收依然还存活的对象，会被移动到老生区中。 四、老生代 算法：标记 - 清除（Mark-Sweep）算法 原理： 1、标记：标记阶段就是从一组根元素开始，递归遍历这组根元素，在这个遍历过程中，能到达的元素称为活动对象，没有到达的元素就可以判断为垃圾数据。 2、清除：将垃圾数据进行清除。 碎片： 对一块内存多次执行标记 - 清除算法后，会产生大量不连续的内存碎片。而碎片过多会导致大对象无法分配到足够的连续内存。 算法：标记 - 整理（Mark-Compact）算法 原理： 1、标记：和标记 - 清除的标记过程一样，从一组根元素开始，递归遍历这组根元素，在这个遍历过程中，能到达的元素标记为活动对象。 2、整理：让所有存活的对象都向内存的一端移动 3、清除：清理掉端边界以外的内存 优化算法：增量标记（Incremental Marking）算法 原理： 1、为了降低老生代的垃圾回收而造成的卡顿 2、V8把一个完整的垃圾回收任务拆分为很多小的任务 1、让垃圾回收标记和 JavaScript 应用逻辑交替进行
    展开
    共 2 条评论
    69
  • 忘忧草的约定
    2019-09-04
    老师请问：经过内存整理之后活动对象在堆中的内存地址就变化了，主线程还处于垃圾回收阶段，此时内存变化是如何更新到相应执行上下文中的呢
    共 6 条评论
    25
  • ytd
    2019-09-04
    做了这么长时间的前端开发，第一次关注内存泄漏的问题，以后得多关注这方面了。通过chrome的Perfomance面板记录页面的活动，然后在页面上进行各种交互操作，过一段时间后（时间越长越好），停止记录，生成统计数据，然后看timeline下部的内存变化趋势图，如果是有规律的周期平稳变化，则不存在内存泄漏，如果整体趋势上涨则说明存在内存泄漏。另外，想问下老师，这个内存变化趋势只是js堆内存的变化吗？因为我发现在统计图表下部分了几类：JS Heap、Documents、Nodes、Listeners、GPU Memory，JS Heap是占用最多的，其次是Nodes，再次是Listeners。
    展开
    25
  • 一步
    2019-09-03
    对于栈中的垃圾回收，是通过移动 ESP 指针来实现的，是不需要通过V8的垃圾回收机制的吗？

    作者回复: 是的 栈中的过期数据直接通过esp给抹掉，效率非常高。

    共 3 条评论
    21
  • Hurry
    2019-09-03
    使用 chrome 的 Performance 面板，观察内存变化 如何多次垃圾回收后，整体趋势是向上，就存在内部泄漏的可能！

    作者回复: 这是一个很好的方法

    共 3 条评论
    21
  • 一步
    2019-09-03
    对于新生代，副垃圾回收器是怎么进行标记的，文章也就一句话带过了，是和老生代标记算法一样吗？从一组跟元素开始，然后开始遍历的

    作者回复: 新生区和老生区标记过程是同一个过程，之后新生代把存活的数据移动到空闲区，老生代把死去的对象加到空闲列表中。

    共 2 条评论
    18
  • 芒果
    2019-11-06
    大道至简，看完了浏览器的垃圾回收，让我联想到了jvm的垃圾回收，发现2者思想上基本都差不多。

    作者回复: 现代虚拟机都是抄来抄去的

    16
  • 屈悦微
    2019-12-06
    这篇文章写得很有深度，反复看了几遍，收获颇多，但是仍有一个问题，望作者百忙之中能解答 在本篇中作者介绍了的垃圾回收机制是，标记对象的机制 但在《javascript高级程序设计》中还介绍了引用计数的机制 我产生以下两个疑问 1.v8有没有使用引用计数的机制？ 2.如果有，何时使用引用计数，何时使用标记对象？
    展开

    作者回复: 引用计数有问题，会导致内存泄漏，所以现在流行的垃圾回收器都没有采用引用计数的方式！

    16
  • 郝仁杰
    2019-09-03
    trim之后，数据在堆上的地址发生变化，v8是如何更新对应栈上的引用的

    作者回复: JavaScript中的原始字符串是不可变的（immutable），也就是说，一旦一个字符串创建了，它在内存中的值就不可能改变，这和其他语言是有区别的。 所以当你调用trim方法后，v8引擎返回给你的是一个新字符串，并不是之前的字符串了。

    共 7 条评论
    14
  • 咖飞的白
    2020-01-13
    请教老师几个问题： 1. JS 执行代码时是在执行声明语句时就分配内存还是赋值时分配？若是执行声明语句时就分配，那如何知道是大对象(存储在老生代)还是新对象(存储在新生代)？

    作者回复: 声明变量是在编译阶段完成的，这时赋值语句还没执行！ 比如 var a = 6 首先编译阶段确定有变量a了，并给a赋值undefined； 接下来执行代码，在执行过程中，会将6赋给a，这时候a等于6！ 由于6是原生类型，通常情况下，会在栈上分配该变量！ 如果 var a = Object 将对象赋给a时，在编译阶段 a依然等于undefined，在执行过程中，会在堆中创建一块内存，存放Object的值，然后栈中有个指向堆中Object地址的指针

    13
  • Jerry银银
    2020-01-06
    学Java虚拟机的垃圾回收机制，再来看这篇文章，可谓是：“天下垃圾一样收”！ Java虚拟机垃圾回收使用的也是分代收集的策略，主要也是新生代和老年代。而分代收集的思想依据是二八原则：80%的对象即生即死。
    共 1 条评论
    12
  • tick
    2019-09-03
    标记的过程具体是什么样的呢？我理解老师讲的是，一个指针指向堆里，每次移动一块内存，一个指针遍历栈中，然后看栈中是否引用这块堆中的内存，但感觉这样效率很低

    作者回复: 比如全局window对象看成是一个树状结构，垃圾回收时，V8会先遍历这颗树，能遍历到的元素说明还存活的，标记为活动对象！没有被标记到的说明已经没有被引用了。 同时V8还维护了一个空闲列表，也就是没有被使用的空闲空间列表，垃圾清理过程就是把没有标记的添加到空闲列表中！ 这样就完成了“标记-清除”操作

    共 2 条评论
    11
  • YBB
    2019-09-05
    有个问题想请教下，副回收器的触发频率会高于主回收器吗？还是两者是同步触发的？

    作者回复: 会的，副垃圾回收器执行速度快，而且容易满，所以回收频率会比主垃圾回收器高。

    10
  • 于你
    2019-09-07
    老师，我最近听了一门课，那个老师说现代的浏览器用闭包不会造成内存泄漏，因为垃圾回收是用的标记清除

    作者回复: 对，没有被引用的闭包会被自动回收，不过如果没用的闭包还保存在全局变量中，依然会内存泄漏！

    共 5 条评论
    9
  • heora
    2021-03-14
    老师，问一个问题，WeakMap 和 WeakSet 是如何被回收的？最近面试被问到这个问题，面试官说它不计入垃圾回收机制，但是不应该是都是自动进行垃圾回收的嘛？
    共 3 条评论
    8
  • JC.彦
    2020-04-13
    既然v8有自动垃圾回收机制，为啥还会有内存泄露，只是闭包引起的吗？如何解决内存泄露问题？ 数组占用内存过高就说明代码写的不好，这是什么原因？
    共 4 条评论
    6
  • 江霖
    2019-12-11
    老师我有个问题，副垃圾回收器的回收机制是对象区域满的时候，那么主垃圾回收器呢？ 代码空间占用的内存什么时间回收呢
    共 4 条评论
    5
  • 韦恩先生
    2019-09-06
    增量标记会受到中间穿插的js应用逻辑影响么？会造成标记结果不全或者错误么？

    作者回复: 不全没关系，新产生的垃圾下次再回收，分配内存使用空闲列表里面的。

    4
  • Lx
    2019-09-03
    我想问下，标记清除和标记整理是两个同等级的算法策略吗？目前v8使用的是两者结合，还是只有一种？

    作者回复: 标记清除和标记整理可以看成是垃圾回收的两个阶段吧，v8在实现垃圾回收过程中，两种算法都用上了。

    共 3 条评论
    4