对于开发者来说,JavaScript 的内存管理是自动的、无形的。我们创建的原始值、对象、函数……这一切都会占用内存。

当我们不再需要某个东西时会发生什么?JavaScript 引擎如何发现它并清理它?

可达性(Reachability)

JavaScript 中主要的内存管理概念是 可达性

简而言之,“可达”值是那些以某种方式可访问或可用的值。它们一定是存储在内存中的。

  1. 这里列出固有的可达值的基本集合,这些值明显不能被释放。

    比方说:

    • 当前函数的局部变量和参数。
    • 嵌套调用时,当前调用链上所有函数的变量与参数。
    • 全局变量。
    • (还有一些内部的)

    这些值被称作 根(roots)

  2. 如果一个值可以通过引用或引用链从根访问任何其他值,则认为该值是可达的。

    比方说,如果局部变量中有一个对象,并且该对象有一个属性引用了另一个对象,则该对象被认为是可达的。而且它引用的内容也是可达的。下面是详细的例子。

在 JavaScript 引擎中有一个被称作 垃圾回收器 的东西在后台执行。它监控着所有对象的状态,并删除掉那些已经不可达的。

一个简单的例子

这里是一个最简单的例子:

// user 具有对这个对象的引用
let user = {
  name: "John"
};

这里的箭头描述了一个对象引用。全局变量 "user" 引用了对象 {name:"John"}(为简洁起见,我们称它为 John)。John 的 "name" 属性存储一个原始值,所以它被写在对象内部。

如果 user 的值被重写了,这个引用就没了:

user = null;

现在 John 变成不可达的了。因为没有引用了,就不能访问到它了。垃圾回收器会认为它是垃圾数据并进行回收,然后释放内存。

两个引用

现在让我们想象下,我们把 user 的引用复制给 admin

// user 具有对这个对象的引用
let user = {
  name: "John"
};

let admin = user;

现在如果执行刚刚的那个操作:

user = null;

……然后对象仍然可以被通过 admin 这个全局变量访问到,所以对象还在内存中。如果我们又重写了 admin,对象就会被删除。

相互关联的对象

现在来看一个更复杂的例子。这是个家庭:

function marry(man, woman) {
  woman.husband = man;
  man.wife = woman;

  return {
    father: man,
    mother: woman
  }
}

let family = marry({
  name: "John"
}, {
  name: "Ann"
});

marry 函数通过让两个对象相互引用使它们“结婚”了,并返回了一个包含这两个对象的新对象。

由此产生的内存结构:

到目前为止,所有对象都是可达的。

现在让我们移除两个引用:

delete family.father;
delete family.mother.husband;

仅删除这两个引用中的一个是不够的,因为所有的对象仍然都是可达的。

但是,如果我们把这两个都删除,那么我们可以看到再也没有对 John 的引用了:

对外引用不重要,只有传入引用才可以使对象可达。所以,John 现在是不可达的,并且将被从内存中删除,同时 John 的所有数据也将变得不可达。

经过垃圾回收:

无法到达的岛屿

几个对象相互引用,但外部没有对其任意对象的引用,这些对象也可能是不可达的,并被从内存中删除。

源对象与上面相同。然后:

family = null;

内存内部状态将变成:

这个例子展示了可达性概念的重要性。

显而易见,John 和 Ann 仍然连着,都有传入的引用。但是,这样还不够。

前面说的 "family" 对象已经不再与根相连,没有了外部对其的引用,所以它变成了一座“孤岛”,并且将被从内存中删除。

内部算法

垃圾回收的基本算法被称为 “mark-and-sweep”。

定期执行以下“垃圾回收”步骤:

  • 垃圾收集器找到所有的根,并“标记”(记住)它们。
  • 然后它遍历并“标记”来自它们的所有引用。
  • 然后它遍历标记的对象并标记 他们的 引用。所有被遍历到的对象都会被记住,以免将来再次遍历到同一个对象。
  • ……如此操作,直到所有可达的(从根部)引用都被访问到。
  • 没有被标记的对象都会被删除。

例如,使我们的对象有如下的结构:

我们可以清楚地看到右侧有一个“无法到达的岛屿”。现在我们来看看“标记和清除”垃圾收集器如何处理它。

第一步标记所有的根:

然后他们的引用被标记了:

……如果还有引用的话,继续标记:

现在,无法通过这个过程访问到的对象被认为是不可达的,并且会被删除。

我们还可以将这个过程想象成从根溢出一个巨大的油漆桶,它流经所有引用并标记所有可到达的对象。然后移除未标记的。

这是垃圾收集工作的概念。JavaScript 引擎做了许多优化,使垃圾回收运行速度更快,并且不影响正常代码运行。

一些优化建议:

  • 分代收集(Generational collection)—— 对象被分成两组:“新的”和“旧的”。许多对象出现,完成他们的工作并很快死去,他们可以很快被清理。那些长期存活的对象会变得“老旧”,而且被检查的频次也会减少。
  • 增量收集(Incremental collection)—— 如果有许多对象,并且我们试图一次遍历并标记整个对象集,则可能需要一些时间,并在执行过程中带来明显的延迟。所以引擎试图将垃圾收集工作分成几部分来做。然后将这几部分会逐一进行处理。这需要他们之间有额外的标记来追踪变化,但是这样会有许多微小的延迟而不是一个大的延迟。
  • 闲时收集(Idle-time collection)—— 垃圾收集器只会在 CPU 空闲时尝试运行,以减少可能对代码执行的影响。

还有其他垃圾回收算法的优化和风格。尽管我想在这里描述它们,但我必须打住了,因为不同的引擎会有不同的调整和技巧。而且,更重要的是,随着引擎的发展,情况会发生变化,所以在没有真实需求的时候,“提前”学习这些内容是不值得的。当然,除非这是一个纯粹的利益关系。我在下面给你提供了一些相关链接。

总结

主要需要掌握的内容:

  • 垃圾回收是自动完成的,我们不能强制执行或是阻止执行。
  • 当对象是可达状态时,它一定是存在于内存中的。
  • 被引用与可访问(从一个根)不同:一组相互连接的对象可能整体都不可达。

现代引擎实现了垃圾回收的高级算法。

《The Garbage Collection Handbook: The Art of Automatic Memory Management》(R. Jones 等人著)这本书涵盖了其中一些内容。

如果你熟悉底层(low-level)编程,关于 V8 引擎垃圾回收器的更详细信息请参阅文章 V8 之旅:垃圾回收

V8 博客 还不时发布关于内存管理变化的文章。当然,为了学习垃圾收集,你最好通过学习 V8 引擎内部知识来进行准备,并阅读一个名为 Vyacheslav Egorov 的 V8 引擎工程师的博客。我之所以说 “V8”,因为网上关于它的文章最丰富的。对于其他引擎,许多方法是相似的,但在垃圾收集上许多方面有所不同。

当你需要底层的优化时,对引擎有深入了解将很有帮助。在熟悉了这门编程语言之后,把熟悉引擎作为下一步计划是明智之选。

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