《JavaScript 闯关记》之垃圾回收和内存管理

垃圾回收和内存管理

JavaScript 具有自动垃圾收集机制(GC:Garbage Collecation),也就是说,执行环境会负责管理代码执行过程中使用的内存。而在 C 和 C++ 之类的语言中,开发人员的一项基本任务就是手工跟踪内存的使用情况,这是造成许多问题的一个根源。

在编写 JavaScript 程序时,开发人员不用再关心内存使用问题,所需内存的分配以及无用内存的回收完全实现了自动管理。这种垃圾收集机制的原理其实很简单:找出那些不再继续使用的变量,然后释放其占用的内存。为此,垃圾收集器会按照固定的时间间隔(或代码执行中预定的收集时间),周期性地执行这一操作。

正因为垃圾回收器的存在,许多人认为 JavaScript 不用太关心内存管理的问题,但如果不了解 JavaScript 的内存管理机制,我们同样非常容易成内存泄漏(内存无法被回收)的情况。

垃圾回收机制

内存的分配场景

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// 1.对象
new Object();
new MyConstructor();
{ a: 4, b: 5 }
Object.create();
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// 2.数组 
new Array();
[ 1, 2, 3, 4 ];
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// 3.字符串,JavaScript 的字符串和 .NET 一样,使用资源池和 copy on write 方式管理字符串。
new String("hello hyddd");
"<p>" + e.innerHTML + "</p>"
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// 4.函数
var x = function () { ... }
new Function(code);
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// 5.闭包 
function outer(name) {
var x = name;
return function inner() {
return "Hi, " + name;
}
}

内存的生命周期

下面我们来分析一下函数中局部变量的正常生命周期。

  • 内存分配:局部变量只在函数执行的过程中存在。而在这个过程中,会为局部变量在栈(或堆)内存上分配相应的空间,以便存储它们的值。
  • 内存使用:然后在函数中使用这些变量,直至函数执行结束。
  • 内存回收:此时,局部变量就没有存在的必要了,因此可以释放它们的内存以供将来使用。

通常,很容易判断变量是否还有存在的必要,但并非所有情况下都这么容易就能得出结论(例如:使用闭包的时)。垃圾收集器必须跟踪哪个变量有用哪个变量没用,对于不再有用的变量打上标记,以备将来收回其占用的内存。用于标识无用变量的策略可能会因实现而异,但具体到浏览器中的实现,则通常有两个策略:标记清除引用计数

标记清除

JavaScript 中最常用的垃圾收集方式是 标记清除(mark-and-sweep)。当变量进入环境(例如,在函数中声明一个变量)时,就将这个变量标记为“进入环境”。从逻辑上讲,永远不能释放进入环境的变量所占用的内存,因为只要执行流进入相应的环境,就可能会用到它们。而当变量离开环境时,则将其标记为“离开环境”。

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function test(){ 
var a = 10 ; // 被标记 ,进入环境
var b = 20 ; // 被标记 ,进入环境
}
test(); // 执行完毕 之后 a、b又被标离开环境,被回收。

垃圾回收器在运行的时候会给存储在内存中的所有变量都加上标记(当然,可以使用任何标记方式)。然后,它会去掉环境中的变量以及被环境中的变量引用的变量的标记(例如,闭包)。而在此之后再被加上标记的变量将被视为准备删除的变量,原因是环境中的变量已经无法访问到这些变量了。最后,垃圾回收器完成内存清除工作,销毁那些带标记的值并回收它们所占用的内存空间。

这种方式的主要缺点就是如果某些对象被清理后,内存是不连续的,那么就算内存占用率不高,例如只有50%,但是由于内存空隙太多,后来的大对象甚至无法存储到内存之中。一般的处理方式都是在垃圾回收后进行整理操作,这种方法也叫 标记整理,整理的过程就是将不连续的内存向一端复制,使不连续的内存连续起来。

目前,IE9+、Firefox、Opera、Chrome 和 Safari 的 JavaScript 实现使用的都是 标记清除 式的垃圾收集策略(或类似的策略),只不过垃圾收集的时间间隔互有不同。

引用计数

另一种不太常见的垃圾收集策略叫做 引用计数(reference counting)。引用计数的含义是跟踪记录每个值被引用的次数。当声明了一个变量并将一个引用类型值赋给该变量时,则这个值的引用次数就是1。如果同一个值又被赋给另一个变量,则该值的引用次数加1。相反,如果包含对这个值引用的变量又取得了另外一个值,则这个值的引用次数减1。当这个值的引用次数变成0时,则说明没有办法再访问这个值了,因而就可以将其占用的内存空间回收回来。这样,当垃圾收集器下次再运行时,它就会释放那些引用次数为零的值所占用的内存。

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function test(){ 
var a = {} ; // a的引用次数为0
var b = a ; // a的引用次数加1,为1
var c = a; // a的引用次数再加1,为2
var b = {}; // a的引用次数减1,为1
}

早期很多浏览器使用引用计数策略,但很快它就遇到了一个严重的问题:循环引用。循环引用指的是对象 A 中包含一个指向对象 B 的指针,而对象 B 中也包含一个指向对象 A 的引用。请看下面这个例子:

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function problem(){
var objectA = new Object();
var objectB = new Object();

objectA.someOtherObject = objectB;
objectB.anotherObject = objectA;
}

在这个例子中,objectA 和 objectB 通过各自的属性相互引用;也就是说,这两个对象的引用次数都是2。在采用 标记清除 策略的实现中,由于函数执行之后,这两个对象都离开了作用域,因此这种相互引用不是个问题。但在采用 引用计数 策略的实现中,当函数执行完毕后,objectA 和 objectB 还将继续存在,因为它们的引用次数永远不会是0。假如这个函数被重复多次调用,就会导致大量内存得不到回收。为此,新一代浏览器都放弃了引用计数方式,转而采用标记清除来实现其垃圾收集机制。可是,引用计数导致的麻烦并未就此终结。

我们知道,IE 中有一部分对象并不是原生 JavaScript 对象。例如,其 BOM 和 DOM 中的对象就是使用 C++ 以 COM(Component Object Model,组件对象模型)对象的形式实现的,而 COM 对象的垃圾收集机制采用的就是引用计数策略。因此,即使 IE 的 JavaScript 引擎是使用标记清除策略来实现的,但 JavaScript 访问的 COM 对象依然是基于引用计数策略的。换句话说,只要在 IE 中涉及 COM 对象,就会存在循环引用的问题。下面这个简单的例子,展示了使用 COM 对象导致的循环引用问题:

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var element = document.getElementById("some_element");
var myObject = new Object();
myObject.element = element;
element.someObject = myObject;

这个例子在一个 DOM 元素(element)与一个原生 JavaScript 对象(myObject)之间创建了循环引用。其中,变量 myObject 有一个名为 element 的属性指向 element 对象;而变量 element 也有一个属性名叫 someObject 回指 myObject。由于存在这个循环引用,即使将例子中的 DOM 从页面中移除,它也永远不会被回收。

为了避免类似这样的循环引用问题,最好是在不使用它们的时候手工断开原生 JavaScript 对象与 DOM 元素之间的连接。例如,可以使用下面的代码消除前面例子创建的循环引用:

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myObject.element = null;
element.someObject = null;

将变量设置为 null 意味着切断变量与它此前引用的值之间的连接。当垃圾收集器下次运行时,就会删除这些值并回收它们占用的内存。

为了解决上述问题,IE9 把 BOM 和 DOM 对象都转换成了真正的 JavaScript 对象。这样,就避免了两种垃圾收集算法并存导致的问题,也消除了常见的内存泄漏现象。

IE6 的性能问题

IE6 的垃圾回收是根据内存分配量运行的,当环境中存在256个变量、4096个对象、64k的字符串任意一种情况的时候就会触发垃圾回收器工作,看起来很科学,不用按一段时间就调用一次,有时候会没必要,这样按需调用不是很好吗?但是如果环境中就是有这么多变量等一直存在,现在脚本如此复杂,那么垃圾回收器会一直工作,这样浏览器就没法儿玩儿了。

微软在 IE7 中做了调整,触发条件不再是固定的,而是动态修改的,初始值和 IE6 相同,如果垃圾回收器回收的内存分配量低于程序占用内存的15%,说明大部分内存不可被回收,设的垃圾回收触发条件过于敏感,这时候把临界条件翻倍,如果回收的内存高于85%,说明大部分内存早就该清理了,这时候则将各种临界值重置回默认值。这一看似简单的调整,极大地提升了 IE7 在运行包含大量 JavaScript 的页面时的性能。

编码注意 - 解除引用

使用具备垃圾收集机制的语言编写程序,开发人员一般不必操心内存管理的问题。但是,JavaScript 在进行内存管理及垃圾收集时面临的问题还是有点与众不同。其中最主要的一个问题,就是分配给 Web 浏览器的可用内存数量通常要比分配给桌面应用程序的少。这样做的目的主要是出于安全方面的考虑,目的是防止运行 JavaScript 的网页耗尽全部系统内存而导致系统崩溃。内存限制问题不仅会影响给变量分配内存,同时还会影响调用栈以及在一个线程中能够同时执行的语句数量。

因此,确保占用最少的内存可以让页面获得更好的性能。而优化内存占用的最佳方式,就是为执行中的代码只保存必要的数据。一旦数据不再有用,最好通过将其值设置为 null 来释放其引用——这个做法叫做 解除引用(dereferencing)。这一做法适用于大多数全局变量和全局对象的属性。局部变量会在它们离开执行环境时自动被解除引用,如下面这个例子所示:

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function createPerson(name){
var localPerson = new Object();
localPerson.name = name;
return localPerson;
}

var globalPerson = createPerson("Nicholas");

// 手工解除globalPerson的引用
globalPerson = null;

由于局部变量 localPersoncreatePerson() 函数执行完毕后就离开了其执行环境,因此无需我们显式地去为它解除引用。但是对于全局变量 globalPerson 而言,则需要我们在不使用它的时候手工为它解除引用,这也正是上面例子中最后一行代码的目的。

不过,解除一个值的引用并不意味着自动回收该值所占用的内存。解除引用的真正作用是让值脱离执行环境,以便垃圾收集器下次运行时将其回收。

垃圾回收的优化策略

和其他语言一样,JavaScript 的垃圾回收策略也无法避免一个问题:垃圾回收时,会停止响应其他操作,这是为了安全考虑。而 JavaScript 的垃圾回收在 100ms 甚至以上,对一般的应用还好,但对于 JavaScript 游戏和动画,这种对连贯性要求比较高的应用,就麻烦了。这就是新引擎需要优化的点:避免垃圾回收造成的长时间停止响应。

David 大叔主要介绍了2个优化方案,而这也是最主要的2个优化方案了:

分代回收(Generation GC)

这个和 Java 回收策略思想是一致的。目的是通过区分「临时」与「持久」对象;多回收「临时对象区」(young generation),少回收「持久对象区」(tenured generation),减少每次需遍历的对象,从而减少每次GC的耗时。Chrome 浏览器所使用的 V8 引擎就是采用的分代回收策略。如图:

增量回收(Incremental GC)

这个方案的思想很简单,就是「每次处理一点,下次再处理一点,如此类推」。这种方案,虽然耗时短,但中断较多,带来了上下文切换频繁的问题。Firefox 浏览器所使用的 JavaScript 引擎就是采用的增量回收策略。如图:

因为每种方案都其适用场景和缺点,因此在实际应用中,会根据实际情况选择方案。例如:如果大量对象都是长期「存活」,则分代处理优势也不大。

原文链接:Know Your Engines: How to Make Your JavaScript Fast
http://t.cn/RIROY1W

查看 Chrome 浏览器下的 CG 过程

  1. 使用快捷键 F12 或者 Ctrl+Shift+J 打开 Chrome 浏览器的「开发者工具」。
  2. 选择 Timeline 选项卡,在 Capture 选项中,只勾选 Memory
  3. 设置完成后,点击最左边的 Record 按钮,然后就可以访问网页了。
  4. 打开一个网站,例如:http://www.taobao.com,当网页加载完成后,点击 Stop,等待分析结果。
  5. 然后在 Chart View 上寻找内存急速下降的部分,查看对应的 Event Log,可以从中找到 GC 的日志。

具体过程如下图所示:

关卡

  • 挑战一,尝试写一段小程序,触发 IE6 的无限 CG。
  • 挑战二,参考「查看 Chrome 浏览器下的 CG 过程」,尝试查看 Firefox 浏览器下的 CG 过程。

更多

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