javascript垃圾收集机制与内存泄漏详细解析


Posted in Javascript onNovember 11, 2013

javascript具有自动垃圾收集机制,也就是说,执行环境会负责管理代码执行过程中的使用的内存。而在C和C++之类的语言中,开发人员的一项基本任务就是手动跟踪内存的使用情况,这是造成许多问题的一个根源。在编写javascript程序时候,开发人员不用再关心内存使用的问题,所需内存的分配 以及无用的回收完全实现了自动管理。这种垃圾收集机制的原理其实很简单:找出那些不再继续使用的变量,然后释放其中占用的内存。为此,垃圾收集器会按照固定的时间间隔(或代码执行中预设的收集时间),周期性的执行这一操作。

下面我们来分析一下函数中局部变量正常的生命周期。局部变量只在函数执行的过程中存在。而在这个过程中,会为局部变量在栈(或堆)内存上分配相应的空间,以便存储他们的值。然后在函数中是使用这些变量,直至函数执行结束。此时,局部变量就没有存在的必要了,因此可以释放他们的内存以供将来使用。在这种情况下,很容易判断变量是否还有存在的必要;但并非所有情况下都这么容易就能得出结论。垃圾收集器必须跟踪哪个变量有用哪个变量没用,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。用于标识无用变量的策略可能会因现实而异,但具体到浏览器中的实现,通常有两个策略。

标记清除

javascript中最常用的垃圾收集方式是标记清除(mark-and-sweep)。当变量进入环境(例如,在函数中声明一个变量)时,就将这个变量标记为“进入环境”。从逻辑上讲,永远不能释放进入环境的变量所占的内存,因为只要执行流进入相应的环境,就可能用到它们。而当变量离开环境时,这将其标记为“离开环境”。

可以使用任何方式来标记变量。比如,可以通过翻转某个特殊的位来记录一个变量何时进入环境,或者使用一个“进入环境的”变量列表及一个“离开环境的”变量列表来跟踪哪个变量发生了变化。说到底,如何标记变量其实并不重要,关键采取什么策略。

垃圾收集器在运行的时候会给存储在内存中的所有变量都加上标记(当然,可以使用任何标记方式)。然后,它会去掉环境中变量以及被环境中的变量引用的变量标记。而在此之后再被加上标记的变量将被视为准备删除的变量,原因是环境中的变量已经无法访问到这些变量了。最后,垃圾收集器完成内存清除工作,销毁那些带标记的值并回收它们所占用的内存空间。

到2008年为止,IE、Firefox、Opera、Chrome和Safari的javascript实现使用的都是标记清除式的垃圾收集策略(或类似的策略),只不过垃圾收集的时间间隔互有不同。

引用计数

另一种不太常见的垃圾收集策略叫做引用计数(reference counting)。引用计数的含义是跟踪记录每个值被引用的次数。当声明一个变量并将引用类型的值赋给该变量时,则这个值的引用次数就是1。如果同一个值又被赋给另一个变量,则该值的引用次数加1。相反,如果包含对这个值引用的变量又取得另外一个值,则这个值的引用次数减1.当这个值的引用次数变成0时,则说明没有办法访问这个值了,因此就可以将其占用的内存空间回收回来。这样当垃圾收集器下次再运行时,它就会释放那些引用次数为零的值所占用的内存。

Netscape Navigator 3.0是最早使用引用计数策略的浏览器,但很快它就遇到了一个严重的问题:循环引用。循环引用指的是对象A中包含一个指向对象B的引用,而对象B中也包含一个指向对象A的引用。

请看下面例子:

function () {
    var objectA = new Object();
    var objectB = new Object();    objectA.someOtherObject = objectB;
    objectB.anotherObject = objectA;
}

在这个例子中,objectA和objectB通过各自的属性相互引用,也就是说,这两个对象的引用次数都是2。在采用引标记清除略的实现中,由于函数执行之后,这两个对象都离开了作用域。因此这两种相互引用不是个问题。但在采用引用计数策略的实现中,但函数执行完毕后,objectA和objectB还将继续存在,因此他们的引用次数永远不会是0。假如这个函数被重复调用,就会导致大量的内存得不到回收。因此,Netscape在Navigator 4.0中放弃了引用计数器方式,转而采用标记清除来实现对其垃圾回收机制。可是,引用计数导致的麻烦并未就此终结。

我们知道,IE中有一部分对象并不是原生javascript对象。例如,其中BOM和DOM中的对象就是使用C++以COM (Component Object Model,组件对象模型)对象的形式实现的,而COM对象的垃圾收集机制采用的就是引用计数策略。因此,即使IE的javascript引擎是使用标记清除策略来实现的,但javascript访问的COM对象依然是基于引用计数策略的。换句话说,只要IE中设计COM对象,就会存在循环引用的问题。

下面这个简单的例子,展示了使用COM对象导致的循环引用问题:

var element = document.getElementById("some_element");
var myObject = new Object();
myObject.element = element;
element.somObject = myObject;

这里例子在一个DOM元素(element)与一个原生的javascript对象(myObject)之间创建了循环引用。其中,变量myObject 有一个名为element的属性指向element对象;而变量element也有一个属性名叫someObject回指myObject。由于存在这个循环引用,即使将例子中的DOM从页面中移除,它也永远不会被回收。

为了避免类似这样的循环引用问题,最好是不使用他们的时候手工断开原生javascript对象与DOM元素之间的连接。例如,可以使用下面的代码消除前面例子创建的循环引用:

myObject.element = null;
element.somObject = null;

将变量设置为null,意味着切断变量与它此前引用的值之间的连接。但垃圾收集器下次运行时,就会删除这些值并回收它们占用的内存。

性能问题

垃圾收集器都是周期性运行的,而且如果为变量分配的内存数量很客观,那么回收工作量也是相当大的。在这种情况下,确定垃圾收集的时间间隔是一个非常重要的问题。说到垃圾收集器多长时间运行一次,不禁让人联想到IE因此声名狼藉的性能问题。IE的垃圾收集器是根据内存分配量运行的,具体一点说就是256个变量、4096个对象(或数组)字面量和数组元素(slot)或者64KB的字符串。达到上述任何一个临界值,垃圾收集器就会运行。这种实现的问题在于,如果一个脚本中包含那么多变量,那么该脚本很可能会在其生命中起一支保持那么多的变量。而这样一来,垃圾收集器就可能不得不频繁的运行。结果,由此引发的严重性能问题初始IE7重写了其垃圾收集例程。

随着IE7的发布,其javascript引擎的垃圾收集例程改变了工作方式:触发垃圾收集的变量分配、字面量和(或)数组元素的临界值被调整为动态修正。IE7中的各项临界值在初始化时与IE6相等。如果例程回收的内存分配量低于15%,则变量 、字面量和(或)数组元素的临界值就会加倍。如果例程回收了85%的内存分配量,则将各种临界重置会默认值。这一看似简单的调整,极大地提升了IE在运行包含大量javascript的页面时的性能。

事实上,在有的浏览器中可以触发垃圾收集过程,当我们不建议读者这样做。在IE中,调用window.CollectGarbage()方法会立即指向垃圾收集,在Opera7及更高版本中,调用widnow.opera.collect()也会启动垃圾收集例程。

管理内存

使具备垃圾收集机制的语言编写程序,开发人员一般不必操心内存管理的问题。但是,javascript在进行内存管理及垃圾收集时面临的问题还是有点与众不同。其中最重要的一个问题,就是分配给web浏览器的可使用内存数量通常要比分配给桌面应用程序的少。这样做的目的出要是处于安全方面的考虑,目的是防止运行javascript的网页耗尽全部系统内存而导致系统崩溃。内存限制问题不仅会影响给变量分配内存,同时还会影响调用栈以及在一个线程中能够同时执行语句数量。

因此,确保占用最少内存可以让页面获得更好的性能,最好通过将其值设置为null来释放其引用——这个做法叫做解除引用(dereferencing)。这一做法是用于大多数全局变量和全局对象的属性。局部变量会在他们执行环境时自动被解除引用,如下面这个例子所示:

function createPerson (name) {
    var localPerson = new Object();
    localPerson.name = name;
    return localPerson;
};
var gllbalPerson = createPerson("Nicholas");
// 手工解除globalPerson的引用
globalPerson = null;

在这个例子中,变量globalPerson取得了createPerson()函数返回的值。在createPerson()函数内部,我们创建了一个对象并将其赋给了局部变量localPerson,然后又为该对象添加了一个名为name的属性。最后,当调用这个函数时,localPerson以函数的形式返回并赋给全局变量globalPerson。由于localPerson在createPerson()函数执行完毕后就离开了其执行环境,因此无需我们显示的去为他解除引用。但是对于全局变量globalPerson而言,则需要我们在不使用它的时候手工为它解除引用,这也正是上面例子中最后一行代码的目的。

不过,解除一个值的引用并不意味着自动回收该值所占用的内存。解除引用的真正作用是让值脱离执行环境,一边垃圾收集器下次运行时将其回收。

内存泄漏

由于IE对JScript对象和COM对象使用不同的垃圾收集例程,因此闭包在IE中会导致一些特殊的问题。具体来说,如果闭包的作用域链中保存着一个HTML元素,那么就意味着该元素无法被销毁。来看下面的例子:

function assignHandler () {
    var element = document.getElementById("someElement");
    element.onclick = function () {
            alert(element.id);
    };
};

以上代码创建了一个作为element元素时间处理程序的闭包,而这个闭包则有创建了一个循环引用。由于匿名函数保存了一个对assignHandler()的活动对象的引用,因此就会导致无法减少element的引用数。只要匿名函数存在,element的引用数至少也是1,因此它所占用的内存就永远不会被回收。不过,这个问题可以通过稍微改写一下代码来解决,如下所示:
function assignHandler () {
    var element = document.getElementById("someElement");
    var id = element.id;    element.onclick = function () {
            alert(id);
    };
    element = null;
};

在上面代码中,通过把element.id的一个副本保存在一个变量中,并且在闭包中引用该变量消除了循环引用。但仅仅做到这一步,还是不能解决内存泄漏的问题。必须要记住:闭包会引用包含函数活动的整个活动对象,而其中包含着element。即使闭包不直接引用element,包含函数的活动对象中也仍然会保存一个引用。因此,有必要把element变量设置为null。这样就能够解除对DOM对象的引用,顺利地减少其引用数,确保正常回收其占用的内存。

说明

1、如果你在另一个window中keep了该window中的object的reference,即使关闭该window,内存也没有释放;

2、更糟糕的是,如果你keep的是一个DOM object的reference,关闭该object所在window,IE会crash,报内存错误(或者要求,重新启动)。

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