重读《Javascript高级程序设计》- 垃圾收集

木更
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背景

我们都知道，javascript是一门具有自动垃圾收集机制额编程语言，开发人员不必关心内存的分配和回收的问题。但是作为一个合格的开发人员，我们还是需要去理解javascript内部是如何去实现内存的分配和回收的机制的。同时在《javascript高级设计》这本书的书的第四章节有关于这个问题的描述，所以在这里也当作是一次整理和加深自己对于垃圾回收的理解。

关于内存的生命周期

首先，我们需要知道，对于所有语言，内存的生命周期基本上是一致的。 image.png

内存分配

对于Javascript来说，用户在定义一个变量的时候，就已经完成了内存的分配。 image.png

使用内存

使用值的过程实际上是对分配内存进行读取与写入的操作。读取与写入可能是写入一个变量或者一个对象的属性值，甚至传递函数的参数。

image.png

内存释放

当分配的内存不再使用时，去自动释放当前的内存。

image.png

但是，什么样的内存会被判度成一个不被需要的内存呢？

在书中的小结有这样一句话：离开作用域的值将被自动标记为可以回收，因此将在垃圾收集期间被删除。

垃圾收集的原理

刚才也说过，离开作用域的值才会被回收。但是我们是如何定义离开作用域的呢。

执行环境是什么

在javascript中有一个非常重要的概念：执行环境（Execution context）。

执行环境定义了变量或函数有权访问的其他数据，决定了他们各自的行为。每个执行环境中都有一个与之关联的变量对象（variable object），环境中定义的所有变量和函数都保存在这个对象中。

当执行环境中的所有代码执行完后，该环境被销毁，保存在其中的所有变量和函数定义也会被随之销毁。

var color = 'blue'

function changeColor() {
    var anotherColor = 'red'
    
    function swapColors() {
        var tempColor = anotherColor
        anotherColor = color
        color = tempColor
        
        // 这里可以访问color、anotherColor、tempColor
    }
    // 这里可以访问color、anotherColor。但是不能访问tempColor
    swapColors()
}
// 这里只可以访问color
changeColor()

image.png

在这里函数中局部变量的生命周期大致分为几个步骤：

  1. 局部变量只在函数执行的过程中存在。
  2. 在函数执行的过程中，会为局部变量在栈（或堆）内存上分配相应的空间，以便存储它们的值。
  3. 在函数中使用这些变量，直至函数执行结束。
  4. 此时可以判断局部变量没有村子的必要，因此可以释放他们的内存以供将来使用。

在全局环境中，只有应用程序退出，如关闭网页或浏览球，才会被销毁。

但是，并非所有的情况都是这额容易就能得出是否需要销毁的结论的。垃圾收集齐必须跟踪哪个变量有用，那个变量没用，对于不再有用的变量打上标记，以备将来回收其占用的内存。对于标识无用变量的策略因实现而异，但是具体到浏览器中的实现，大致分为两种：引用计数、标记清除。

引用计数

引用计数的思路是对每个值都记录它被引用的次数。声明变量并给它赋一个引用值时，这个值的引用数为1。如果同一个值又被赋给另一个变量，那么引用数加1。类似地，如果保存对该值引用的变量被其他值给覆盖了，那么引用数减1。当一个值的引用数为0时，就说明没办法再访问到这个值了，因此可以安全地收回其内存了。垃圾回收程序下次运行的时候就会释放引用数为0的值的内存。

引用计数存在循环引用的问题

循环引用是指就是对象A有一个指针指向对象B，而对象B也引用了对象A。

functon problem() {
    var objA = new Object()
    var objB = new Object()
    
    objA.some = objB
    objB.some = objA
}

并且，在IE8及更早版本的IE中，并非所有对象都是原生JavaScript对象。BOM和DOM中的对象是C++实现的组件对象模型（COM, Component Object Model）对象，而COM对象使用引用计数实现垃圾回收。因此，即使这些版本IE的JavaScript引擎使用标记清理，JavaScript存取的COM对象依旧使用引用计数。换句话说，只要涉及COM对象，就无法避开循环引用问题。

var el = document.getElementById('id')
var obj = new Object()
obj.el = el
el.obj = obj

为了解决上述问题，IE9把BOM和DOM都转换成了真正的Javascript对象。这样就避免了两种垃圾并存导致的问题，也消除了常见的泄漏现象。

标记清除（mark-and-sweep）

这个算法把“对象是否不再需要”简化定义为“对象是否可以获得”。

当变量进入上下文，比如在函数内部声明一个变量时，这个变量会被加上存在于上下文中的标记。而在上下文中的变量，逻辑上讲，永远不应该释放它们的内存，因为只要上下文中的代码在运行，就有可能用到它们。当变量离开上下文时，也会被加上离开上下文的标记。

标记清除不存在循环引用的问题

在上面的第一个示例中，函数调用返回之后，两个对象从全局对象出发无法获取。因此，他们将会被垃圾回收器回收。第二个示例同样，一旦 div 和其事件处理无法从根获取到，他们将会被垃圾回收器回收。

在V8中的标记清除

我们知道系统分配给Web浏览器的可用内存数量通常比分配给桌面应用程序要少。在默认配置下，64位系统约为1.4G，32位系统约为0.7G。同时在V8引擎中，会将内存分为新生代和老生代两个部分。同时新生代会进一步分为nursery(from-space)子代和intermediate(to-space)子代两个区域。

image.png

新生代的Scavenge算法

Scavenge算法把新生代空间对半分为对象区域和空闲区域，新加入的对象会放到对象区域，当新生代区域快要被写满的时候就会执行一次垃圾清理的操作。

过程

检查 From 空间的存活对象，若对象存活，则检查对象是否符合晋升条件，若符合条件则晋升到老生代，否则将对象从 From 空间复制到 To 空间。若对象不存活，则释放不存活对象的空间。完成复制后，将 From 空间与 To 空间进行翻转。

image.png

晋升条件的条件
  1. 对象是否经历过Scavenge回收。对象从 From 空间复制 To 空间时，会检查对象的内存地址来判断对象是否已经经过一次Scavenge回收。若经历过，则将对象从 From 空间复制到老生代中；若没有经历，则复制到 To 空间。
  2. To 空间的内存使用占比是否超过限制。当对象从From 空间复制到 To 空间时，若 To 空间使用超过 25%，则对象直接晋升到老生代中。设置为25%的比例的原因是，当完成 Scavenge 回收后，To 空间将翻转成From 空间，继续进行对象内存的分配。若占比过大，将影响后续内存分配。

老生代的标记清除算法

由于老生区的对象比较大，若要在老生区中使用 Scavenge算法进行垃圾回收，复制这些大的对象将会花费比较多的时间，从而导致回收执行效率不高， 同时还会浪费一半的空间。因而，主垃圾回收器是采用标记 - 清除（Mark-Sweep）的算法进行垃圾回收的。

image.png

内存管理

上述也提到过，系统分配给Web浏览器的可用内存通常比桌面程序要少。这样做对的目的主要是出于安全方面的考虑，目的是为了防止运行javascript的网页耗尽全部系统内存导致系统崩溃。然而内存限制不仅会影响给变量分配内存，同时还会影响调用栈以及有一个线程中能够同时执行的语句数量。

因此，确保占用最少内存可以让页面获取更好的性能。而优化内存占用的最佳方式，就是执行中的代码只保存必要数据。一旦数据不可用，最好将其值设置成null来释放其引用 - 解除引用。这一做法适用于大多数全局变量和全局对象的属性。

function createPerson(name) {
    var localPerson = new Object()
    localPerson.name = name
    return localPerson
}

var globalPerson = createPerson('Corry')

// 手工解除引用
globalPerson = null

值得注意的是，解除引用不意味着自动回收该值所占用的内存。解除引用的作用是让值脱离执行环境，以便于垃圾收集器下次运行时将其回收。

结束语

2022.3.6

木更

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