《现代JavaScript高级教程》JavaScript引擎的垃圾回收机制

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JavaScript引擎的垃圾回收机制

1. 引言

在编程语言中，内存管理是一项关键的任务，尤其对于构建大规模和性能敏感的应用程序来说尤为重要。然而，对于JavaScript这种动态语言来说，开发者通常不需要（也无法）直接管理内存，这项任务主要由JavaScript引擎来完成。

这种自动管理的机制让开发者可以更专注于业务逻辑的实现，而不用担心内存泄漏或溢出等问题。但同时，作为开发者，了解JavaScript引擎如何管理内存，如何进行垃圾回收（Garbage Collection，简称GC），也是很有价值的。这种理解可以帮助我们编写出更高效、更具性能的代码，避免可能导致内存问题的代码模式。

2. JavaScript内存生命周期

在讨论垃圾回收之前，我们首先需要了解一下JavaScript的内存生命周期，这个过程通常分为三个阶段：

1. 分配内存：当声明变量、添加属性、或者调用函数等操作时，JavaScript引擎会分配内存来存储值。例如，当你写let a = 1时，JavaScript引擎会为变量a分配一块内存来存储值1。
2. 使用内存：在分配了内存之后，我们可以通过读写操作来使用这块内存。例如，我们可以读取变量a的值，或者改变它的值。
3. 释放内存：当内存不再被需要时（例如，变量已经离开了它的作用域），这块内存需要被释放，以便为新的内存分配做出空间。这个过程就是垃圾回收。

3. 垃圾回收

垃圾回收是自动完成的。垃圾收集器会周期性地（或在特定触发条件下）运行，找出不再使用的变量，然后释放其占用的内存。但是，如何确定哪些内存“不再需要”呢？这其实是一个复杂的问题，因为某些内存可能仍然被间接引用，或者可能在将来需要。因此，垃圾收集器必须使用一种算法来确定哪些内存可以安全地释放。接下来我们将详细介绍两种常见的垃圾回收算法：标记-清除算法和引用计数算法。

3.1. 标记-清除算法

这是JavaScript中最常用的垃圾回收算法。它的工作原理大致可以分为两个阶段：标记和清除。

在标记阶段，垃圾回收器从一组“根”（root）对象开始，遍历所有从这些根对象可达的对象。可达的对象包括直接引用的对象，以及通过其他可达对象间接引用的对象。所有可达的对象都被标记为“活动的”或“非垃圾的”。

然后，在清除阶段，垃圾回收器会遍历所有的堆内存，清除未被标记的对象。这些未被标记的对象就是我们所说的“垃圾”，它们无法从根对象访问到，因此我们可以安全地假设它们不会再被应用程序使用。

function test() {
    var x = 123;
    var y = { a: 1, b: 2 };
    // 当函数执行结束时，x 和 y 就离开了环境
}
test();
// 现在 x 和 y 都是非环境变量，它们占用的内存就可以被垃圾回收器回收

3.2. 引用计数算法

引用计数是另一种垃圾回收策略。这种策略的基本思想是跟踪每个对象被引用的次数。当声明一个变量并将一个引用类型值赋给该变量时，这个引用类型值的引用次数就是1。如果同一个引用值被赋给另一个变量，引用次数增加1。相反，如果对该值的引用被删除，引用次数减少1。当这个引用次数变成0时，就表示没有任何地方再引用这个值了，因此该值可以被视为“垃圾”并被收集。

然而，引用计数算法有一个著名的问题，那就是循环引用。如果两个对象相互引用，即使它们没有被其他任何对象引用，它们的引用次数也不会是0，因此它们不会被回收，这会导致内存泄漏。为了解决这个问题，现代JavaScript引擎通常会结合使用标记-清除和引用计数两种算法。

function cycleReference() {
    var obj1 = {};
    var obj2 = {};
    obj1.prop = obj2;
    obj2.prop = obj1;
}
cycleReference();
// 在函数执行结束后，obj1 和 obj2 仍然相互引用，但已经离开了环境，无法被引用计数器捕获

4. JavaScript引擎的垃圾回收优化策略

现代JavaScript引擎不仅实现了上述的基础垃圾回收算法，而且引入了一些优化策略，以提高垃圾回收的效率并减小对性能的影响。

4.1. 分代收集

大部分的JavaScript对象在创建后很快就会死亡，而那些能活下来的对象，通常能活很久。这给了JavaScript引擎一个优化垃圾收集的思路。它把内存堆分为两个

区域：新生代和老生代。新生代存放的是生存时间短的对象，老生代存放的是生存时间长的对象。

对新生代的垃圾回收采用Scavenge算法，它将新生代的空间一分为二，一个为使用空间（From），一个为空闲空间（To）。新对象总是被分配到From空间，当From空间快被使用完时，就会触发垃圾回收过程。回收过程中，存活的对象将会被复制到To空间，同时From和To空间的角色会对调，也就是原来的To空间变成新的From空间。这个过程称为新生代的晋升策略。

而老生代的对象数量一般较多且存活时间较长，如果还使用上面的Scavenge算法就会占用较多的CPU，因此老生代采用了标记-清除和标记-整理算法。

4.2. 延迟清除和增量标记

为了减小垃圾回收过程对应用程序性能的影响，JavaScript引擎采用了“延迟清除”（Lazy Sweeping）和“增量标记”（Incremental Marking）两种策略。

“延迟清除”是指，在标记-清除算法中，垃圾回收器并不是在标记完对象之后立即清除，而是将清除操作延迟到应用程序空闲时进行。

“增量标记”则是将一次完整的标记过程分解为几个部分，每个部分只标记一部分对象。这样，垃圾回收器可以在运行一小段时间后，暂停一会儿，让出CPU给应用程序，然后再运行一小段时间，如此反复，直到标记所有对象。这种方式可以让垃圾回收和应用程序交替运行，减小了垃圾回收对应用程序性能的影响。

4.3 JavaScript代码优化和垃圾回收

了解了垃圾回收的基本概念和机制后，我们可以通过优化JavaScript代码来减少垃圾回收的压力，提高程序的性能。以下是一些基本的策略：

1.局部变量和立即释放内存

使用局部变量而不是全局变量可以更快地释放内存。这是因为局部变量的生命周期通常比全局变量短，一旦离开了它的环境（例如：函数执行结束），局部变量就可以被标记为垃圾回收。

function test() {
    var local = "I'm a local variable";
    // 当函数执行结束后，local 就离开了环境，可以被垃圾回收
}
test();

2.解除对象引用

当你不再需要一个对象时，应该解除对它的引用。这样，垃圾回收器在下一次运行时就可以回收这个对象。

var obj = { prop: "I'm an object" };
obj = null; // 现在，obj 可以被垃圾回收

3.避免长生命周期的引用

长生命周期的引用（例如：全局变量或DOM引用）会阻止垃圾回收器回收它们所引用的对象。因此，应该尽量避免使用长生命周期的引用，或者在不再需要它们时及时解除引用。

在理解了JavaScript的垃圾回收机制和如何优化代码以减轻垃圾回收压力之后，我们可以写出更高效、更可靠的代码，从而提高用户体验，降低系统负载。

5. 总结

JavaScript的垃圾回收机制是一个复杂且精妙的系统，它能自动管理内存，让开发者可以专注于实现业务逻辑。虽然大多数时候我们不需要关心垃圾回收的具体过程，但是了解其工作原理，可以帮助我们编写出更高效、更具性能的代码，避免可能导致内存问题的代码模式。