[深入浅出]JavaScript GC 垃圾回收机制

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掘金原文

为什么需要垃圾回收

• 在C / C++中，跟踪内存的使用和管理内存对开发者来说是很大的负担

  • JavaScript是使用垃圾回收机制的语言，也就是说执行环境负责在代码执行时管理内存，帮开发者卸下了这个负担
  • 通过自动内存管理实现内存的分配和资源的回收
  • 基本思路很简单，确定哪个变量不会再被使用了，把它的内存空间释放
  • 这个过程是周期性的，意思是这个垃圾回收程序每隔一段时间就会运行一次

• 像JS中的对象、字符串、对象的内存是不固定的，只有真正用到的时候才会动态分配内存

  • 这些内存需在不使用后进行释放以便再次使用，否则在计算机可用内存耗尽后造成崩溃

• 浏览器发展史上的垃圾回收法主要有

  • 引用计数法
  • 标记清除法

引用计数法

思路

• 变量只是对值进行引用
• 当变量引用该值时，引用次数+1
• 当该变量的引用被覆盖或者清除时，引用次数-1
• 当引用次数为0时，就可以安全地释放这块内存。

let arr = [1, 0, 1]   // [1, 0, 1]这块内存被arr引用  引用次数为1
arr = [0, 1, 0]  // [1, 0, 1]的内存引用次数为0被释放  
                 // [0, 1, 0]的内存被arr引用   引用次数为1
const tmp = arr  // [0, 1, 0]的内存被tmp引用   引用次数为2

循环引用问题

Netscape Navigator 3.0 采用

• 在这个例子中，ObjectA和ObjectB的属性分别相互引用
• 造成这个函数执行后，Object被引用的次数不会变成0，影响了正常的GC。
• 如果执行多次，将造成严重的内存泄漏。
• 而标记清除法则不会出现这个问题。

function Example(){

    let ObjectA = new Object();
    let ObjectB = new Object();

    ObjectA.p = ObjectB;
    ObjectB.p = ObjectA;   

}

Example();

• 解决方法：在函数结束时将其指向null

ObjectA = null;
ObjectB = null;

标记清除法

为了解决循环引用造成的内存泄漏问题，Netscape Navigator 4.0 开始采用标记清除法

到了 2008 年，IE、Firefox、Opera、Chrome 和 Safari 都在自己的 JavaScript 实现中采用标记清理(或 其变体)，只是在运行垃圾回收的频率上有所差异。

思路

• 在变量进入执行上下文时打上“进入”标记

• 同时在变量离开执行上下文时也打上“离开”标记

  • 从此以后，无法访问这个变量
  • 在下一次垃圾回收时进行内存的释放

function Example(n){
    const a = 1, b = 2, c = 3;
    return n * a * b * c;
}
// 标记Example进入执行上下文

const n = 1;  // 标记n进入执行上下文
Example(n);   // 标记a,b,c进入执行上下文
console.log(n); // 标记a, b, c离开执行上下文，等待垃圾回收

const和let声明提升性能

• const和let不仅有助于改善代码风格，同时有利于垃圾回收性能的提升
• const和let使JS有了块级作用域，当块级作用域比函数作用域更早结束时，垃圾回收程序更早介入
• 尽早回收该回收的内存，提升了垃圾回收的性能

V8引擎的垃圾回收

V8引擎的垃圾回收采用标记清除法与分代回收法

分为新生代和老生代

新生代

新生代垃圾回收采用Scavenge 算法

分配给常用内存和新分配的小量内存

• 内存大小

  • 32位系统16M内存
  • 64位系统32M内存

• 分区

  • 新生代内存分为以下两区，内存各占一半
  • From space
  • To space

• 运行

  • 实际运行的只有From space
  • To space处于空闲状态

• Scavenge算法

  • 当From space内存使用将要达到上限时开始垃圾回收，将From space中的不可达对象都打上标记

  • 将From space的未标记对象复制到To space。

    • 解决了内存散落分块的问题（不连续的内存空间）
    • 相当于用空间换时间。
  • 然后清空From space、将其闲置，也就是转变为To space，俗称反转。

• 新生代 -> 老生代

  • 新生代存放的是新分配的小量内存，如果达到以下条件中的一个，将被分配至老生代

    • 内存大小达到From space的25%
    • 经历了From space <-> To space的一个轮回

老生代

老生代采用mark-sweep标记清除和mark-compact标记整理

通常存放较大的内存块和从新生代分配过来的内存块

• 内存大小

  • 32位系统700M左右
  • 64位系统1.4G左右

• 分区

  • Old Object Space

    • 字面的老生代，存放的是新生代分配过来的内存。

  • Large Object Space

    • 存放其他区域放不下的较大的内存，基本都超过1M

  • Map Space

    • 存放存储对象的映射关系

  • Code Space

    • 存储编译后的代码

• 回收流程

  • 标记分类（三色标记）

    • 未被扫描，可回收，下面简称1类
    • 扫描中，不可回收，下面简称2类
    • 扫描完成，不可回收，下面简称3类

  • 遍历

    • 采用深度优先遍历，遍历每个对象。
    • 首先将非根部对象全部标记为1类，然后进行深度优先遍历。
    • 遍历过程中将对象压入栈，这个过程中对象被标记为2类。
    • 遍历完成对象出栈，这个对象被标记为3类。
    • 整个过程直至栈空

  • Mark-sweep

    • 标记完成之后，将标记为1类的对象进行内存释放
      

  • Mark-compact

    • 垃圾回收完成之后，内存空间是不连续的。
    • 这样容易造成无法分配较大的内存空间的问题，从而触发垃圾回收。
    • 所以，会有Mark-compact步骤将未被回收的内存块整理为连续地内存空间。
    • 频繁触发垃圾回收会影响引擎的性能，内存空间不足时也会优先触发Mark-compact

垃圾回收优化

• 增量标记

  • 如果用集中的一段时间进行垃圾回收，新生代倒还好，老生代如果遍历较大的对象，可能会造成卡顿。
  • 增量标记：使垃圾回收程序和应用逻辑程序交替运行，思想类似Time Slicing

• 并行回收

  • 在垃圾回收的过程中，开启若干辅助线程，提高垃圾回收效率。

• 并发回收

  • 在逻辑程序执行的过程中，开启若干辅助线程进行垃圾回收，清理和主线程没有任何逻辑关系的内存。

内存泄露场景

全局变量

// exm1
function Example(){
    exm = 'LeBron'   
}

// exm2
function Example(){
    this.exm = 'LeBron'
}
Example()

未清除的定时器

const timer = setInterval(() => {
    //...
}, 1000)

// clearInterval(timer)

闭包

function debounce(fn, time) {
  let timeout = null; 
  return function () {
    if (timeout) {
      clearTimeout(timeout);
    }

    timeout = setTimeout(() => {
      fn.apply(this, arguments);
    }, time);
  };
}

const fn = debounce(handler, 1000); // fn引用了timeout

未清除的DOM元素引用

const element = {
    // 此处引用了DOM元素
    button:document.getElementById('LeBron'),
    select:document.getElementById('select')
}

document.body.removeChild(document.getElementById('LeBron'))

如何检测内存泄漏

这个其实不难，浏览器原带的开发者工具Performance就可以

• 步骤

  • F12打开开发者工具
  • 选择Performance工具栏
  • 勾选屏幕截图和Memory
  • 点击开始录制
  • 一段时间之后结束录制

• 结果

  • 堆内存会周期性地分配和释放
  • 如果堆内存的min值在逐渐上升则存在内存泄漏

优化内存使用

1. 尽量不在for循环中定义函数

// exm
const fn = (idx) => {
    return idx * 2;
}

function Example(){
    for(let i=0;i<1000;i++){
        //const fn = (idx) => {
        //    return idx * 2;
        // }
        const res = fn(i);
    }
}

2. 尽量不在for循环中定义对象

function Example() {
  const obj = {};
  let res = "";
  for (let i = 0; i < 1000; i++) {
    // const obj = {
    //   a: i,
    //   b: i * 2,
    //   c: i * 3,
    // };
    obj.a = i;
    obj.b = i * 2;
    obj.c = i * 3;
    res += JSON.stringify(obj);
  }
  return res
}

3. 清空数组

arr = [0, 1, 2]
arr.length = 0; // 清空了数组，数组类型不变
// arr = []  // 重新申请了一块空数组对象内存

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