第四章变量、作用域与内存

这是我参与8月更文挑战的第16天，活动详情查看： 8月更文挑战

今天讲的是内存管理，我们都知道前端的内存非常珍贵，如何最大效用的利用好内存，及时清空不必要的内存，保存还需要使用的数据不被垃圾回收，都非常需要我们仔细学习。我觉得性能优化是高级前端的必备功课，是前端走向高级的必经之路。

4.3.4 内存管理

在使用垃圾回收的编程环境中，开发者通常无须关心内存管理。不过，JavaScript 运行在一个内存管理与垃圾回收都很特殊的环境。分配给浏览器的内存通常比分配给桌面软件的要少很多，分配给移动浏览器的就更少了。这更多出于安全考虑而不是别的，就是为了避免运行大量 JavaScript 的网页耗尽系统内存而导致操作系统崩溃。这个内存限制不仅影响变量分配，也影响调用栈以及能够同时在一个线程中执行的语句数量。

将内存占用量保持在一个较小的值可以让页面性能更好。优化内存占用的最佳手段就是保证在执行代码时只保存必要的数据。如果数据不再必要，那么把它设置为 null，从而释放其引用。这也可以叫作解除引用。这个建议最适合全局变量和全局对象的属性。局部变量在超出作用域后会被自动解除引用，如下面的例子所示：

function createPerson(name){ 
 let localPerson = new Object(); 
 localPerson.name = name; 
 return localPerson; 
} 
let globalPerson = createPerson("Nicholas"); 
// 解除 globalPerson 对值的引用
globalPerson = null;

在上面的代码中，变量 globalPerson 保存着 createPerson()函数调用返回的值。在 createPerson() 内部，localPerson 创建了一个对象并给它添加了一个 name 属性。然后，localPerson 作为函数值被返回，并被赋值给 globalPerson。localPerson 在 createPerson()执行完成超出上下文后会自动被解除引用，不需要显式处理。但 globalPerson 是一个全局变量，应该在不再需要时手动解除其引用，最后一行就是这么做的。

不过要注意，解除对一个值的引用并不会自动导致相关内存被回收。解除引用的关键在于确保相关的值已经不在上下文里了，因此它在下次垃圾回收时会被回收。

1. 通过 const 和 let 声明提升性能

ES6 增加这两个关键字不仅有助于改善代码风格，而且同样有助于改进垃圾回收的过程。因为 const和 let 都以块（而非函数）为作用域，所以相比于使用 var，使用这两个新关键字可能会更早地让垃圾回收程序介入，尽早回收应该回收的内存。在块作用域比函数作用域更早终止的情况下，这就有可能发生。

2. 隐藏类和删除操作

根据 JavaScript 所在的运行环境，有时候需要根据浏览器使用的 JavaScript 引擎来采取不同的性能优化策略。截至 2017 年，Chrome 是最流行的浏览器，使用 V8 JavaScript 引擎。V8 在将解释后的 JavaScript 代码编译为实际的机器码时会利用“隐藏类”。如果你的代码非常注重性能，那么这一点可能对你很重要。

运行期间，V8 会将创建的对象与隐藏类关联起来，以跟踪它们的属性特征。能够共享相同隐藏类的对象性能会更好，V8 会针对这种情况进行优化，但不一定总能够做到。比如下面的代码：

function Article() { 
 this.title = 'Inauguration Ceremony Features Kazoo Band'; 
} 
let a1 = new Article(); 
let a2 = new Article();

V8 会在后台配置，让这两个类实例共享相同的隐藏类，因为这两个实例共享同一个构造函数和原型。假设之后又添加了下面这行代码：

a2.author = 'Jake';

此时两个 Article 实例就会对应两个不同的隐藏类。根据这种操作的频率和隐藏类的大小，这有可能对性能产生明显影响。

当然，解决方案就是避免 JavaScript 的“先创建再补充”（ready-fire-aim）式的动态属性赋值，并在构造函数中一次性声明所有属性，如下所示：

function Article(opt_author) { 
 this.title = 'Inauguration Ceremony Features Kazoo Band'; 
 this.author = opt_author; 
} 
let a1 = new Article(); 
let a2 = new Article('Jake');

这样，两个实例基本上就一样了（不考虑 hasOwnProperty 的返回值），因此可以共享一个隐藏类，从而带来潜在的性能提升。不过要记住，使用 delete 关键字会导致生成相同的隐藏类片段。看一下这个例子：

function Article() { 
 this.title = 'Inauguration Ceremony Features Kazoo Band'; 
 this.author = 'Jake'; 
} 
let a1 = new Article(); 
let a2 = new Article(); 
delete a1.author;

在代码结束后，即使两个实例使用了同一个构造函数，它们也不再共享一个隐藏类。动态删除属性与动态添加属性导致的后果一样。最佳实践是把不想要的属性设置为 null。这样可以保持隐藏类不变和继续共享，同时也能达到删除引用值供垃圾回收程序回收的效果。比如：

function Article() { 
 this.title = 'Inauguration Ceremony Features Kazoo Band'; 
 this.author = 'Jake'; 
} 
let a1 = new Article(); 
let a2 = new Article(); 
a1.author = null;

3. 内存泄漏

写得不好的 JavaScript 可能出现难以察觉且有害的内存泄漏问题。在内存有限的设备上，或者在函数会被调用很多次的情况下，内存泄漏可能是个大问题。JavaScript 中的内存泄漏大部分是由不合理的引用导致的。

意外声明全局变量是最常见但也最容易修复的内存泄漏问题。下面的代码没有使用任何关键字声明变量：

function setName() { 
 name = 'Jake'; 
}

此时，解释器会把变量 name 当作 window 的属性来创建（相当于 window.name = 'Jake'）。可想而知，在 window 对象上创建的属性，只要 window 本身不被清理就不会消失。这个问题很容易解决，只要在变量声明前头加上 var、let 或 const 关键字即可，这样变量就会在函数执行完毕后离开作用域。

定时器也可能会悄悄地导致内存泄漏。下面的代码中，定时器的回调通过闭包引用了外部变量：

let name = 'Jake'; 
setInterval(() => { 
 console.log(name); 
}, 100);

只要定时器一直运行，回调函数中引用的 name 就会一直占用内存。垃圾回收程序当然知道这一点，因而就不会清理外部变量。

使用 JavaScript 闭包很容易在不知不觉间造成内存泄漏。请看下面的例子：

let outer = function() { 
 let name = 'Jake'; 
 return function() { 
 return name; 
 }; 
};

调用 outer()会导致分配给 name 的内存被泄漏。以上代码执行后创建了一个内部闭包，只要返回的函数存在就不能清理 name，因为闭包一直在引用着它。假如 name 的内容很大（不止是一个小字符串），那可能就是个大问题了。

4. 静态分配与对象池

为了提升 JavaScript 性能，最后要考虑的一点往往就是压榨浏览器了。此时，一个关键问题就是如何减少浏览器执行垃圾回收的次数。开发者无法直接控制什么时候开始收集垃圾，但可以间接控制触发垃圾回收的条件。理论上，如果能够合理使用分配的内存，同时避免多余的垃圾回收，那就可以保住因释放内存而损失的性能。

浏览器决定何时运行垃圾回收程序的一个标准就是对象更替的速度。如果有很多对象被初始化，然后一下子又都超出了作用域，那么浏览器就会采用更激进的方式调度垃圾回收程序运行，这样当然会影响性能。看一看下面的例子，这是一个计算二维矢量加法的函数：

function addVector(a, b) { 
 let resultant = new Vector(); 
 resultant.x = a.x + b.x; 
 resultant.y = a.y + b.y; 
 return resultant; 
}

调用这个函数时，会在堆上创建一个新对象，然后修改它，最后再把它返回给调用者。如果这个矢量对象的生命周期很短，那么它会很快失去所有对它的引用，成为可以被回收的值。假如这个矢量加法函数频繁被调用，那么垃圾回收调度程序会发现这里对象更替的速度很快，从而会更频繁地安排垃圾回收。

该问题的解决方案是不要动态创建矢量对象，比如可以修改上面的函数，让它使用一个已有的矢量对象：

function addVector(a, b, resultant) { 
 resultant.x = a.x + b.x; 
 resultant.y = a.y + b.y; 
 return resultant; 
}

当然，这需要在其他地方实例化矢量参数 resultant，但这个函数的行为没有变。那么在哪里创建矢量可以不让垃圾回收调度程序盯上呢？

一个策略是使用对象池。在初始化的某一时刻，可以创建一个对象池，用来管理一组可回收的对象。应用程序可以向这个对象池请求一个对象、设置其属性、使用它，然后在操作完成后再把它还给对象池。由于没发生对象初始化，垃圾回收探测就不会发现有对象更替，因此垃圾回收程序就不会那么频繁地运行。下面是一个对象池的伪实现：

// vectorPool 是已有的对象池 
let v1 = vectorPool.allocate(); 
let v2 = vectorPool.allocate(); 
let v3 = vectorPool.allocate(); 
v1.x = 10; 
v1.y = 5; 
v2.x = -3; 
v2.y = -6; 
addVector(v1, v2, v3); 
console.log([v3.x, v3.y]); // [7, -1] 
vectorPool.free(v1); 
vectorPool.free(v2); 
vectorPool.free(v3); 
// 如果对象有属性引用了其他对象
// 则这里也需要把这些属性设置为 null 
v1 = null; 
v2 = null; 
v3 = null;

如果对象池只按需分配矢量（在对象不存在时创建新的，在对象存在时则复用存在的），那么这个实现本质上是一种贪婪算法，有单调增长但为静态的内存。这个对象池必须使用某种结构维护所有对象，数组是比较好的选择。不过，使用数组来实现，必须留意不要招致额外的垃圾回收。比如下面这个例子：

let vectorList = new Array(100); 
let vector = new Vector(); 
vectorList.push(vector);

由于 JavaScript 数组的大小是动态可变的，引擎会删除大小为 100 的数组，再创建一个新的大小为 200 的数组。垃圾回收程序会看到这个删除操作，说不定因此很快就会跑来收一次垃圾。要避免这种动态分配操作，可以在初始化时就创建一个大小够用的数组，从而避免上述先删除再创建的操作。不过，必须事先想好这个数组有多大。

注意静态分配是优化的一种极端形式。如果你的应用程序被垃圾回收严重地拖了后腿，可以利用它提升性能。但这种情况并不多见。大多数情况下，这都属于过早优化，因此不用考虑。

4.4 小结

JavaScript 变量可以保存两种类型的值：原始值和引用值。原始值可能是以下 6 种原始数据类型之一：Undefined、Null、Boolean、Number、String 和 Symbol。原始值和引用值有以下特点。

原始值大小固定，因此保存在栈内存上。
从一个变量到另一个变量复制原始值会创建该值的第二个副本。
引用值是对象，存储在堆内存上。
包含引用值的变量实际上只包含指向相应对象的一个指针，而不是对象本身。
从一个变量到另一个变量复制引用值只会复制指针，因此结果是两个变量都指向同一个对象。
typeof 操作符可以确定值的原始类型，而 instanceof 操作符用于确保值的引用类型。任何变量（不管包含的是原始值还是引用值）都存在于某个执行上下文中（也称为作用域）。这个上下文（作用域）决定了变量的生命周期，以及它们可以访问代码的哪些部分。执行上下文可以总结如下。
执行上下文分全局上下文、函数上下文和块级上下文。
代码执行流每进入一个新上下文，都会创建一个作用域链，用于搜索变量和函数。
函数或块的局部上下文不仅可以访问自己作用域内的变量，而且也可以访问任何包含上下文乃至全局上下文中的变量。
全局上下文只能访问全局上下文中的变量和函数，不能直接访问局部上下文中的任何数据。
变量的执行上下文用于确定什么时候释放内存。 JavaScript 是使用垃圾回收的编程语言，开发者不需要操心内存分配和回收。JavaScript 的垃圾回收程序可以总结如下。
离开作用域的值会被自动标记为可回收，然后在垃圾回收期间被删除。
主流的垃圾回收算法是标记清理，即先给当前不使用的值加上标记，再回来回收它们的内存。
引用计数是另一种垃圾回收策略，需要记录值被引用了多少次。JavaScript 引擎不再使用这种算法，但某些旧版本的 IE 仍然会受这种算法的影响，原因是 JavaScript 会访问非原生 JavaScript 对象（如 DOM 元素）。
引用计数在代码中存在循环引用时会出现问题。
解除变量的引用不仅可以消除循环引用，而且对垃圾回收也有帮助。为促进内存回收，全局对象、全局对象的属性和循环引用都应该在不需要时解除引用。

深入理解红宝书（16）

第四章 变量、作用域与内存