垃圾回收

对于开发者来说，JavaScript 的内存管理是自动的、无形的。我们创建的原始值、对象、函数……这一切都会占用内存。

当我们不再需要某个东西时会发生什么？JavaScript 引擎如何发现它并清理它？

可达性（Reachability）

JavaScript 中主要的内存管理概念是 可达性。

简而言之，“可达”值是那些以某种方式可访问或可用的值。它们一定是存储在内存中的。

1. 这里列出固有的可达值的基本集合，这些值明显不能被释放。

   比方说：

   这些值被称作 根（roots）。

• 当前函数的局部变量和参数。

• 嵌套调用时，当前调用链上所有函数的变量与参数。

• 全局变量。

• （还有一些内部的）

• 如果一个值可以通过引用或引用链从根访问任何其他值，则认为该值是可达的。

  比方说，如果局部变量中有一个对象，并且该对象有一个属性引用了另一个对象，则该对象被认为是可达的。而且它引用的内容也是可达的。下面是详细的例子。

• 在 JavaScript 引擎中有一个被称作垃圾回收器的东西在后台执行。它监控着所有对象的状态，并删除掉那些已经不可达的。

  一个简单的例子

  这里是一个最简单的例子：

  // user 具有对这个对象的引用
  let user = {
    name: "John"
  };
  

  

  这里的箭头描述了一个对象引用。全局变量 "user" 引用了对象 {name："John"}（为简洁起见，我们称它为 John）。John 的 "name" 属性存储一个原始值，所以它被写在对象内部。

  如果 user 的值被重写了，这个引用就没了：

  user = null;
  

  

  现在 John 变成不可达的了。因为没有引用了，就不能访问到它了。垃圾回收器会认为它是垃圾数据并进行回收，然后释放内存。

  两个引用

  现在让我们想象下，我们把 user 的引用复制给 admin：

  // user 具有对这个对象的引用
  let user = {
    name: "John"
  };
  
  let admin = user;
  

  

  现在如果执行刚刚的那个操作：

  user = null;
  

  ……然后对象仍然可以被通过 admin 这个全局变量访问到，所以对象还在内存中。如果我们又重写了 admin，对象就会被删除。

  相互关联的对象

  现在来看一个更复杂的例子。这是个家庭：

  function marry(man, woman) {
    woman.husband = man;
    man.wife = woman;
  
    return {
      father: man,
      mother: woman
    }
  }
  
  let family = marry({
    name: "John"
  }, {
    name: "Ann"
  });
  

  marry 函数通过让两个对象相互引用使它们“结婚”了，并返回了一个包含这两个对象的新对象。

  由此产生的内存结构：

  

  到目前为止，所有对象都是可达的。

  现在让我们移除两个引用：

  delete family.father;
  delete family.mother.husband;
  

  

  仅删除这两个引用中的一个是不够的，因为所有的对象仍然都是可达的。

  但是，如果我们把这两个都删除，那么我们可以看到再也没有对 John 的引用了：

  

  对外引用不重要，只有传入引用才可以使对象可达。所以，John 现在是不可达的，并且将被从内存中删除，同时 John 的所有数据也将变得不可达。

  经过垃圾回收：

  

  无法到达的岛屿

  几个对象相互引用，但外部没有对其任意对象的引用，这些对象也可能是不可达的，并被从内存中删除。

  源对象与上面相同。然后：

  family = null;
  

  内存内部状态将变成：

  

  这个例子展示了可达性概念的重要性。

  显而易见，John 和 Ann 仍然连着，都有传入的引用。但是，这样还不够。

  前面说的 "family" 对象已经不再与根相连，没有了外部对其的引用，所以它变成了一座“孤岛”，并且将被从内存中删除。

  内部算法

  垃圾回收的基本算法被称为 "mark-and-sweep"。

  定期执行以下“垃圾回收”步骤：

  • 垃圾收集器找到所有的根，并“标记”（记住）它们。

  • 然后它遍历并“标记”来自它们的所有引用。

  • 然后它遍历标记的对象并标记 他们的 引用。所有被遍历到的对象都会被记住，以免将来再次遍历到同一个对象。

  • ……如此操作，直到所有可达的（从根部）引用都被访问到。

  • 没有被标记的对象都会被删除。

  例如，使我们的对象有如下的结构：

  

  我们可以清楚地看到右侧有一个“无法到达的岛屿”。现在我们来看看“标记和清除”垃圾收集器如何处理它。

  第一步标记所有的根：

  

  然后他们的引用被标记了：

  

  ……如果还有引用的话，继续标记：

  

  现在，无法通过这个过程访问到的对象被认为是不可达的，并且会被删除。

  

  我们还可以将这个过程想象成从根溢出一个巨大的油漆桶，它流经所有引用并标记所有可到达的对象。然后移除未标记的。

  这是垃圾收集工作的概念。JavaScript 引擎做了许多优化，使垃圾回收运行速度更快，并且不影响正常代码运行。

  一些优化建议：

  • 分代收集 —— 对象被分成两组：“新的”和“旧的”。许多对象出现，完成他们的工作并很快死去，他们可以很快被清理。那些长期存活的对象会变得“老旧”，而且被检查的频次也会减少。

  • 增量收集 —— 如果有许多对象，并且我们试图一次遍历并标记整个对象集，则可能需要一些时间，并在执行过程中带来明显的延迟。所以引擎试图将垃圾收集工作分成几部分来做。然后将这几部分会逐一进行处理。这需要他们之间有额外的标记来追踪变化，但是这样会有许多微小的延迟而不是一个大的延迟。

  • 闲时收集 —— 垃圾收集器只会在 CPU 空闲时尝试运行，以减少可能对代码执行的影响。

  还有其他垃圾回收算法的优化和风格。尽管我想在这里描述它们，但我必须打住了，因为不同的引擎会有不同的调整和技巧。而且，更重要的是，随着引擎的发展，情况会发生变化，所以在没有真实需求的时候，“提前”学习这些内容是不值得的。当然，除非这是一个纯粹的利益关系。我在下面给你提供了一些相关链接。

  总结

  主要需要掌握的内容：

  • 垃圾回收是自动完成的，我们不能强制执行或是阻止执行。

  • 当对象是可达状态时，它一定是存在于内存中的。

  • 被引用与可访问（从一个根）不同：一组相互连接的对象可能整体都不可达。

  现代引擎实现了垃圾回收的高级算法。

  《The Garbage Collection Handbook: The Art of Automatic Memory Management》（R. Jones 等人著）这本书涵盖了其中一些内容。

  如果你熟悉底层（low-level）编程，关于 V8 引擎垃圾回收器的更详细信息请参阅文章 V8 之旅：垃圾回收^[1]。

  V8 博客^[2]还不时发布关于内存管理变化的文章。当然，为了学习垃圾收集，你最好通过学习 V8 引擎内部知识来进行准备，并阅读一个名为 Vyacheslav Egorov^[3] 的 V8 引擎工程师的博客。我之所以说 “V8”，因为网上关于它的文章最丰富的。对于其他引擎，许多方法是相似的，但在垃圾收集上许多方面有所不同。

  当你需要底层的优化时，对引擎有深入了解将很有帮助。在熟悉了这门编程语言之后，把熟悉引擎作为下一步计划是明智之选。

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  现代 JavaScript 教程：开源的现代 JavaScript 从入门到进阶的优质教程。React 官方文档推荐，与 MDN 并列的 JavaScript 学习教程^[4]。

  在线免费阅读：https://zh.javascript.info

  ---

  参考资料

  [1]

  V8 之旅：垃圾回收: http://jayconrod.com/posts/55/a-tour-of-v8-garbage-collection

  [2]

  V8 博客: http://v8project.blogspot.com/

  [3]

  Vyacheslav Egorov: http://mrale.ph

  [4]

  React 官方文档推荐，与 MDN 并列的 JavaScript 学习教程: https://zh-hans.reactjs.org/docs/getting-started.html#javascript-resources

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