JavaScript如何工作：内存管理+如何处理4个常见的内存泄漏

小咪咪 2024-04-19 11:31 58阅读 0赞

# 1、概述 #

像C这样的编程语言，具有更加底层的内存管理方法，如malloc()和free()。开发人员使用这些原生方法显式地对操作系统的内存进行分配和释放。

而JavaScript在创建对象(对象、字符串等)时会为它们分配内存，不再使用时会“自动”释放内存，这个过程称为垃圾收集。这种看似“自动”释放资源的的特性是造成混乱的根源，因为这给JavaScript(和其他高级语言)开发人员带来一种错觉，以为他们可以不关心内存管理的错误印象，其实这是一个错误的想法。

即使在使用高级语言时，开发人员也应该了解内存管理(或者至少懂得一些基础知识)。有时候，自动内存管理存在一些问题(例如垃圾收集器中的bug或实现限制等)，开发人员必须理解这些问题，以便可以正确地处理它们(或者找到一个适当的解决方案，以最小代价来维护代码)。

# 2、内存的生命周期 #

无论使用哪种编程语言,内存的生命周期都是一样的:

![「译」JavaScript如何工作：内存管理+如何处理4个常见的内存泄漏][JavaScript_4]

这里简单介绍一下内存生命周期中的每一个阶段:

> 1）分配内存：内存是由操作系统分配的，它允许您的程序使用它。在更加底层的语言(例如C语言)中，这是一个开发人员需要自己处理的显式执行的操作。然而，在高级语言中，系统会自动为你分配内存。
> 
> 2）使用内存：即程序实际使用之前分配的内存，在代码中有分配的变量时，就会发生读和写操作。
> 
> 3）释放内存 ：释放所有不再使用的内存,使之成为自由内存,并可以被重复利用。与分配内存操作一样,这一操作在更底层的语言中也是需要显式地执行

# 3、内存是什么? #

在介绍JavaScript中的内存之前，我们将简要讨论内存是什么以及它是如何工作的。

硬件层面上，计算机内存包含大量的触发器。每个触发器包含几个晶体管，能够存储一个比特，单个触发器都可以通过唯一标识符寻址，因此我们可以读取和覆盖它们。所以，从概念上讲，可以把的整个计算机内存看作是一个可以读写的巨大数组。

作为人类，我们并不擅长用比特来思考和计算，所以我们把它们组织成更大的组，这些组一起可以用来表示数字。8位称为1字节。

很多东西都存储在内存中:

> 1）程序使用的所有变量和其他数据。
> 
> 2）程序的代码，包括操作系统的代码。

**编译器和操作系统**一起为你处理大部分内存管理，但是你还是需要了解一下底层的情况，对内在管理概念会有更深入的了解。

在编译代码时，编译器可以检查基本数据类型，并提前计算它们需要多少内存。然后将所需的大小分配给调用堆栈空间中的程序，分配这些变量的空间称为堆栈空间。当一部分内存不需要的时候将会从堆栈空间中被回收掉。例如：

int n; // 4 bytes
    int x[4]; // array of 4 elements, each 4 bytes
    double m; // 8 bytes

编译器能够立即知道所需的内存:4 + 4×4 + 8 = 28字节。

> 这段代码展示了整型和双精度浮点型变量所占内存的大小。但是大约20年前,整型变量通常占2个字节,而双精度浮点型变量占4个字节。你的代码不应该依赖于当前基本数据类型的大小。

编译器将会发出具体的指令与操作系统发生交互，并申请存储变量所需的堆栈字节数。

在上面的例子中，编译器知道每个变量的确切内存地址。事实上，每当我们写入变量 n 时，它就会在内部被转换成类似“内存地址4127963”这样的信息。

注意，如果我们尝试访问 x\[4\], 可能会产生意想不到的结果，因为其在数组中根本就不存在，数组中最后分配内存空间的其实是x\[3\]。这肯定会对程序的其余部分产生不可预知的结果。

![「译」JavaScript如何工作：内存管理+如何处理4个常见的内存泄漏][JavaScript_4 1]

当函数调用其他函数时，每个函数在调用堆栈中获得自己的内存空间。它保存所有的局部变量，但也会有一个程序计数器来记住它在执行过程中的位置。当函数完成时，它的内存空间将被回收再次用于其他地方。

# 4、动态分配 #

不幸的是，当编译时不知道一个变量需要多少内存时，事情就有点复杂了。假设我们想做如下的操作:

int n = readInput(); // reads input from the user
    ...
    // create an array with "n" elements

在编译时,编译器不知道数组需要使用多少内存,因为这是由用户提供的值决定的。

因此，它不能为堆栈上的变量提前分配内存空间。相反，我们的程序**需要在运行时显式地向操作系统请求适当的空间**,这个内存是从堆空间分配的。静态内存分配和动态内存分配的区别总结如下表所示:

![「译」JavaScript如何工作：内存管理+如何处理4个常见的内存泄漏][JavaScript_4 2]

要完全理解动态内存分配是如何工作的，需要在指针上花费更多的时间，这可能与本文的主题有太多的偏离，这里就不太详细介绍指针的相关的知识了。

# 5、在JavaScript中分配内存 #

现在将解释第一步:如何在JavaScript中分配内存。

JavaScript为让开发人员免于手动处理内存分配的责任——JavaScript自己进行内存分配并做回收处理。

某些函数调用也会导致对象的内存分配:

var d = new Date(); // allocates a Date object
    var e = document.createElement('div'); // allocates a DOM element

方法调用可以分配新的值或对象:

var s1 = 'sessionstack';
    var s2 = s1.substr(0, 3); // s2 is a new string
    // Since strings are immutable, 
    // JavaScript may decide to not allocate memory, 
    // but just store the [0, 3] range.
    var a1 = ['str1', 'str2'];
    var a2 = ['str3', 'str4'];
    var a3 = a1.concat(a2); 
    // new array with 4 elements being
    // the concatenation of a1 and a2 elements

# 6、在JavaScript中使用内存 #

在JavaScript中使用分配的内存意味着内存读写，这可以通过读取或写入变量或对象属性的值，或者将参数传递给函数来实现。

# 6.1、当内存不再需要时进行释放 #

> 大多数的内存管理问题都出现在这个阶段

这里最困难的地方是确定何时不再需要分配的内存，它通常要求开发人员确定程序中哪些地方不再需要内存的时候然后释放它。

高级语言嵌入了一种称为垃圾收集器的机制，它的工作是跟踪内存分配和使用，以便发现哪些内存已经不再需要了，并自动释放内存。

不幸的是,这个过程只是进行粗略估计,因为很难知道特定的内存是否真的需要 (不能通过算法来解决)。

大多数垃圾收集器通过收集不能被再次访问的内存来做内存回收处理。例如，指向它的所有变量都超出了作用域。但是，这种收集方法可能会存在一定的问题，因为在内存位置的任何一点上，仍然可能有一个变量在作用域中指向它，但是它将永远不会被再次访问。

# 6.2、垃圾收集 #

由于无法确定某些内存是否真的有用，因此,垃圾收集器想了一个办法来解决这个问题。本节将解释理解主要垃圾收集算法及其局限性。

# 6.2.1、内存引用 #

垃圾收集算法主要依赖的是引用。

在内存管理上下文中，如果对象具有对另一个对象的访问权(可以是隐式的，也可以是显式的)，则称对象引用另一个对象。例如，JavaScript对象具有对其原型(隐式引用)和属性值(显式引用)的引用。

在此上下文中，“对象”的概念被扩展到比常规JavaScript对象更广泛的范围，并且还包含函数范围(或全局词法作用域)。

> 词法作用域定义了如何在嵌套函数中解析变量名:即使父函数已经返回，内部函数也包含父函数的作用

# 6.2.2、引用计数垃圾收集算法 #

这是最简单的垃圾收集算法。如果没有指向对象的引用，则认为该对象是“垃圾可回收的”,如下代码：

var o1 = {
     o2: {
     x: 1
     }
    };
    // 2 objects are created. 
    // 'o2' is referenced by 'o1' object as one of its properties.
    // None can be garbage-collected
    var o3 = o1; // the 'o3' variable is the second thing that 
     // has a reference to the object pointed by 'o1'. 
     
    o1 = 1; // now, the object that was originally in 'o1' has a 
     // single reference, embodied by the 'o3' variable
    var o4 = o3.o2; // reference to 'o2' property of the object.
     // This object has now 2 references: one as
     // a property. 
     // The other as the 'o4' variable
    o3 = '374'; // The object that was originally in 'o1' has now zero
     // references to it. 
     // It can be garbage-collected.
     // However, what was its 'o2' property is still
     // referenced by the 'o4' variable, so it cannot be
     // freed.
    o4 = null; // what was the 'o2' property of the object originally in
     // 'o1' has zero references to it. 
     // It can be garbage collected.

# 6.2.3、循环引用会产生问题 #

当涉及到循环引用时,会有一个限制。在下面的示例中,创建了两个对象,两个对象互相引用,从而创建了一个循环。在函数调用之后将超出作用域,因此它们实际上是无用的,可以被释放。然而,引用计数算法认为,由于每个对象至少被引用一次,所以它们都不能被垃圾收集。

function f() {
     var o1 = {};
     var o2 = {};
     o1.p = o2; // o1 references o2
     o2.p = o1; // o2 references o1. This creates a cycle.
    }
    f();

![「译」JavaScript如何工作：内存管理+如何处理4个常见的内存泄漏][JavaScript_4 3]

# 6.2.4、标记-清除(Mark-and-sweep)算法 #

该算法能够判断出某个对象是否可以访问到,从而知道该对象是否有用，该算法由以下步骤组成:

> 1）垃圾收集器构建一个“根”列表,用于保存引用的全局变量。在JavaScript中,“window”对象是一个可作为根节点的全局变量。
> 
> 2）然后，算法检查所有根及其子节点，并将它们标记为活动的(这意味着它们不是垃圾)。任何根不能到达的地方都将被标记为垃圾。
> 
> 3）最后，垃圾收集器释放所有未标记为活动的内存块，并将该内存返回给操作系统。

![「译」JavaScript如何工作：内存管理+如何处理4个常见的内存泄漏][JavaScript_4 4]

这个算法比上一个算法要好,因为“一个对象没有被引用”就意味着这个对象无法访问。

截至2012年，所有现代浏览器都有标记-清除垃圾收集器。过去几年在JavaScript垃圾收集(分代/增量/并发/并行垃圾收集)领域所做的所有改进都是对该算法(**标记-清除**)的，而不是对垃圾收集算法本身的改进。

为了更详细地阅读到有关跟踪垃圾收集的详细信息,你还可以参考文末的参考文献。

# 6.2.5、循环不再是问题 #

在上面的第一个例子中，在函数调用返回后，这两个对象不再被从全局对象中可访问的对象引用。因此，垃圾收集器将发现它们不可访问。

![「译」JavaScript如何工作：内存管理+如何处理4个常见的内存泄漏][JavaScript_4 5]

尽管对象之间存在引用,但它们对于根节点来说是不可达的。

# 7、垃圾收集器的反直觉行为 #

尽管垃圾收集器很方便,但它们有一套自己的折衷方案,其中之一就是非决定论,换句话说,GC是不可预测的,你无法真正判断何时进行垃圾收集。这意味着在某些情况下,程序会使用更多的内存,这实际上是必需的。在对速度特别敏感的应用程序中,可能会很明显的感受到短时间的停顿。**如果没有分配内存,则大多数GC将处于空闲状态**。看看以下场景:

> 1）分配一组相当大的内存。
> 
> 2）这些元素中的大多数(或全部)被标记为不可访问(假设将指向一个不再需要的缓存的变设置为null)。
> 
> 3）不再进一步的分配内存

在这些场景中，大多数GCs 将不再继续收集。换句话说，即使有不可访问的引用可供收集，收集器也不会声明这些引用。这些并不是严格意义上的泄漏，但仍然会导致比通常更高的内存使用。

# 8、内存泄漏是什么? #

从本质上说,内存泄漏可以定义为:不再被应用程序所需要的内存,出于某种原因,它不会返回到操作系统或空闲内存池中。

![「译」JavaScript如何工作：内存管理+如何处理4个常见的内存泄漏][JavaScript_4 6]

编程语言支持不同的内存管理方式。然而，是否使用某一块内存实际上是一个无法确定的问题。换句话说，只有开发人员才能明确一块内存是否可以返回到操作系统。

某些编程语言为开发人员提供了帮助,另一些则期望开发人员能清楚地了解内存何时不再被使用。维基百科上有一些有关人工和自动内存管理的很不错的文章已经在文末给出。

# 8、四种常见的内存泄漏 #

# 8.1、全局变量 #

JavaScript以一种有趣的方式处理未声明的变量: 对于未声明的变量,**会在全局范围中创建一个新的变量来对其进行引用**。在浏览器中，全局对象是window。例如：

function foo(arg) {
     bar = "some text";
    }

等价于：

function foo(arg) {
     window.bar = "some text";
    }

如果bar在foo函数的作用域内对一个变量进行引用,却忘记使用var来声明它,那么将创建一个意想不到的全局变量。在这个例子中,遗漏一个简单的字符串不会造成太大的危害,但这肯定会很糟。

创建一个意料之外的全局变量的另一种方法是使用this:

function foo() {
     this.var1 = "potential accidental global";
    }
    // Foo自己调用，它指向全局对象(window)，而不是未定义。
    foo();

> 可以在JavaScript文件的开头通过添加“use strict”来避免这一切，它将开启一个更严格的JavaScript解析模式，以防止意外创建全局变量。

尽管我们讨论的是未知的全局变量,但仍然有很多代码充斥着显式的全局变量。根据定义,**这些是不可收集的**(除非被指定为空或重新分配)。用于临时存储和处理大量信息的全局变量特别令人担忧。如果你必须使用一个全局变量来存储大量数据,那么请确保将其指定为null,或者在完成后将其重新赋值。

# 8.2、被遗忘的定时器和回调 #

以setInterval为例，因为它在JavaScript中经常使用。

var serverData = loadData();
    setInterval(function() {
     var renderer = document.getElementById('renderer');
     if(renderer) {
     renderer.innerHTML = JSON.stringify(serverData);
     }
    }, 5000); //每五秒会执行一次

上面的代码片段演示了使用定时器时引用不再需要的节点或数据。

renderer表示的对象可能会在未来的某个时间点被删除,从而导致内部处理程序中的一整块代码都变得不再需要。但是,由于定时器仍然是活动的,所以,处理程序不能被收集,并且其依赖项也无法被收集。这意味着,存储着大量数据的serverData也不能被收集。

在使用观察者时，您需要确保在使用完它们之后进行显式调用来删除它们(要么不再需要观察者，要么对象将变得不可访问)。

作为开发者时，需要确保在完成它们之后进行显式删除它们（或者对象将无法访问）。

在过去，一些浏览器无法处理这些情况(很好的IE6)。**幸运的是，现在大多数现代浏览器会为帮你完成这项工作:一旦观察到的对象变得不可访问，即使忘记删除侦听器，它们也会自动收集观察者处理程序**。然而,我们还是应该在对象被处理之前显式地删除这些观察者。例如：

var element = document.getElementById('launch-button');
    var counter = 0;
    function onClick(event) {
     counter++;
     element.innerHtml = 'text ' + counter;
    }
    element.addEventListener('click', onClick);
    // Do stuff
    element.removeEventListener('click', onClick);
    element.parentNode.removeChild(element);
    // Now when element goes out of scope,
    // both element and onClick will be collected even in old browsers // that don't handle cycles well.

如今，现在的浏览器（包括IE和Edge）使用最新的垃圾回收算法，可以立即发现并处理这些循环引用。换句话说，在一个节点删除之前也不是必须要调用removeEventListener。

一些框架或库,**比如JQuery,会在处置节点之前自动删除监听器(在使用它们特定的API的时候)。这是由库内部的机制实现的,能够确保不发生内存泄漏**,即使在有问题的浏览器下运行也能这样,比如IE6。

# 8.3、闭包 #

闭包是javascript开发的一个核心知识点，一个内部函数使用了外部（封闭）函数的变量。由于JavaScript运行的细节，它可能以下面的方式造成内存泄漏：

这段代码做了一件事:每次调用replaceThing的时候,theThing都会得到一个包含一个大数组和一个新闭包(someMethod)的新对象。同时,变量unused指向一个引用了originalThing的闭包。

是不是有点困惑了? 重要的是,一旦具有相同父作用域的多个闭包的作用域被创建,则这个作用域就可以被共享。

在这种情况下,为闭包someMethod而创建的作用域可以被unused共享的。unused内部存在一个对originalThing的引用。即使unused从未使用过,someMethod也可以在replaceThing的作用域之外(例如在全局范围内)通过theThing来被调用。

由于someMethod共享了unused闭包的作用域,那么unused引用包含的originalThing会迫使它保持活动状态(两个闭包之间的整个共享作用域)。这阻止了它被收集。

**当这段代码重复运行时,可以观察到内存使用在稳定增长,当GC运行后,内存使用也不会变小**。从本质上说,在运行过程中创建了一个闭包链表(它的根是以变量theThing的形式存在),并且每个闭包的作用域都间接引用了了一个大数组,这造成了相当大的内存泄漏。

# 8.4、脱离DOM的引用 #

有时,将DOM节点存储在数据结构中可能会很有用。假设你希望快速地更新表中的几行内容,那么你可以在一个数组中保存每个DOM行的引用。这样,同一个DOM元素就存在两个引用:一个在DOM树中,另一个则在数组中。如果在将来的某个时候你决定删除这些行,那么你需要将这两个引用都设置为不可访问。

在引用 DOM 树中的内部节点或叶节点时，还需要考虑另外一个问题。如果在代码中保留对表单元格的引用(标记)，并决定从 DOM 中删除表，同时保留对该特定单元格的引用，那么可能会出现内存泄漏。

你可能认为垃圾收集器将释放除该单元格之外的所有内容。然而，事实并非如此，由于单元格是表的一个子节点，而子节点保存对父节点的引用，所以对表单元格的这个引用将使整个表保持在内存中，所以在移除有被引用的节点时候要移除其子节点。

# 参考文献： #

https://blog.sessionstack.com/how-javascript-works-memory-management-how-to-handle-4-common-memory-leaks-3f28b94cfbec

https://en.wikipedia.org/wiki/Tracing\_garbage\_collection

https://en.wikipedia.org/wiki/Garbage\_collection\_%28computer\_science%29

https://en.wikipedia.org/wiki/Manual\_memory\_management

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