JavaScript 内存管理于我们来说是自动的、不可见的。我们创建的原始类型、对象、函数等等,都会占用内存。
当这些数据不被需要后会发生什么?JavaScript 引擎如何发现并清除他们?
可触及(Reachability)
JavaScript 内存管理的关键概念是可触及(Reachability)。
简单来说,“可触及”的值就是可访问的,可用的,他们被安全储存在内存。
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以下是一些必定“可触及”的值,不管出于任何原因,都不能删除:
- 当前函数的局部变量和参数。
- 当前调用链(current chain of nested calls)中所有函数的局部变量和参数。
- 全局变量。
- (以及其他内部变量)
这些值都称为 root。
-
其他值是否可触及视乎它是否被 root 及其引用链引用。
假设有一个对象存在于局部变量,它的值引用了另一个对象,如果这个对象是可触及的,则它引用的对象也是可触及的,后面会有详细例子。
JavaScript 引擎有一个垃圾回收后台进程,监控着所有对象,当对象不可触及时会将其删除。
一个简单例子
箭头代表的是对象引用。全局变量 "user"
引用了对象 {name: "John"}
(简称此对象为 John)。John 的 "name"
属性储存的是一个原始值,所以无其他引用。
如果覆盖 user
,对 John 的引用就丢失了:
现在 John 变得不可触及,垃圾回收机制会将其删除并释放内存。
两个引用
如果我们从 user
复制引用到 admin
:
如果重复一次这个操作:
……这个对象是依然可以通过 admin
访问,所以它依然存在于内存。如果我们把 admin
也覆盖为 null
,那它就会被删除了。
相互引用的对象
这个例子比较复杂:
marry
函数让两个参数对象互相引用,返回一个包含两者的新对象,结构如下:
暂时所有对象都是可触及的,但我们现在决定移除两个引用:
只删除一个引用不会有什么影响,但是两个引用同时删除,我们可以看到 John 已经不被任何对象引用了:
即使 John 还在引用别人,但是他不被别人引用,所以 John 现在已经不可触及,将会被移除。
垃圾回收后:
孤岛(Unreachable island)
也可能有一大堆互相引用的对象整块(像个孤岛)都不可触及了。
对上面的对象进行操作:
内存中的情况如下:
这个例子展示了“可触及”这个概念的重要性。
尽管 John 和 Ann 互相依赖,但这仍不足够。
"family"
对象整个已经切断了与 root 的连接,没有任何东西引用到这里,所以这个孤岛遥不可及,只能等待被清除。
内部算法
基础的垃圾回收算法被称为“标记-清除算法”(“mark-and-sweep”):
- 垃圾回收器获取并标记 root。
- 然后访问并标记来自他们的所有引用。
- 访问被标记的对象,标记他们的引用。所有被访问过的对象都会被记录,以后将不会重复访问同一对象。
- ……直到只剩下未访问的引用。
- 所有未被标记的对象都会被移除。
举个例子,假设对象结构如下:
很明显右侧有一个“孤岛”,现在使用“标记-清除”的方法处理它。
首先,标记 root:
然后标记他们的引用:
……标记他们引用的引用:
现在没有被访问过的对象会被认为是不可触及,他们将会被删除:
这就是垃圾回收的工作原理。
JavaScript 引擎在不影响执行的情况下做了很多优化,使这个过程的垃圾回收效率更高:
- 分代收集 — 对象会被分为“新生代”和“老生代”。很多对象完成任务后很快就不再需要了,所以对于他们的清理可以很频繁。而在清理中留下的称为“老生代”一员。
- 增量收集 — 如果对象很多,很难一次标记完所有对象,这个过程甚至对程序执行产生了明显的延迟。所以引擎会尝试把这个操作分割成多份,每次执行一份。这样做要记录额外的数据,但是可以有效降低延迟对用户体验的影响。
- 闲时收集 — 垃圾回收器尽量只在 CPU 空闲时运行,减少对程序执行的影响。
除此以外还有很多对垃圾回收的优化,在此就不详细说了,各个引擎有自己的调整和技术,而且这个东西一直随着引擎的更新换代在改变,如果不是有实在的需求,不值得挖太深。不过如果你真的对此有浓厚的兴趣,下面会为你提供一些拓展链接。
总结
重点:
- 垃圾回收自动进行,我们不能强制或阻止其进行。
- 可触及的对象会被保留在内存中。
- 被引用不一定是可触及的(从 root):相互引用的对象可能整块都是不可触及的。
《The Garbage Collection Handbook: The Art of Automatic Memory Management》(R. Jones 等)一书中提及了现代引擎实现的加强版垃圾回收算法。
如果你熟悉底层编程,可以阅读 A tour of V8: Garbage Collection 了解更多关于 V8 垃圾回收的细节。
V8 blog 也会经常发布一些关于内存管理的文章。学习垃圾回收算法最好还是先学习 V8 的实现,阅读 Vyacheslav Egorov(V8 工程师之一)的博客。这里提及 V8 是因为在互联网上关于 V8 的文章比较多。对于其他引擎,很多实现都是相似的,但是垃圾回收算法上区别不小。
对引擎的深入理解在做底层优化的时候很有帮助。在你熟悉一门语言之后,这是一个明智的研究方向。