JavaScript垃圾回收机制(引用计数,标记清除,性能优化)

一、前言

垃圾回收是JavaScript的隐藏机制，我们通常无需为垃圾回收劳心费力，只需要专注功能的开发就好了。但是这并不意味着我们在编写JavaScript的时候就可以高枕无忧了，伴随着我们实现的功能越来越复杂，代码量越积越大，性能问题就变的越来越突出。如何写出执行速度更快，而且占用内存更小的代码是程序员永无止歇的追求。一个优秀的程序员总是能在极其有限的资源下，实现惊人的效果，这也正式芸芸众生和高高在上的神祗之间的区别。

二、何为垃圾

代码执行在计算机的内存中，我们在代码中定义的所有变量、对象、函数都会在内存中占用一定的内存空间。在计算机中，内存空间是非常紧张的资源，我们必须时时刻刻注意内存的占用量，毕竟内存条非常贵！如果一个变量、函数或者对象在创建之后不再被后继的代码执行所需要，那么它就可以被称作垃圾。

虽然从直观上理解垃圾的定义非常容易，但是对于一个计算机程序来说，我们很难在某一时刻断定当前存在的变量、函数或者对象在未来不再使用。为了降低计算机内存的开销，同时又保证计算机程序正常执行，我们通常规定满足以下任一条件的对象或者变量为垃圾：

没有被引用的对象或者变量；
无法访问到的对象（多个对象之间循环引用）；

没有被引用的变量或者对象相当于一座没有门的房子，我们永远都无法进入其中，因此不可能在用到它们。无法访问到的对象之间虽然具备连通性，但是仍然无法从外部进入其中，因此也无法再次被利用。满足以上条件的对象或者变量，在程序未来执行过程中绝对不会再次被采用，因此可以放心的当作垃圾回收。

当我们通过以上定义明确了需要丢弃的对象，是否就意味着剩余的变量、对象中就没有垃圾了呢？

不是的！我们当前分辨出的垃圾只是所有垃圾的一部分，仍然会有其他垃圾不满足以上条件，但是也不会再次被使用了。

这是否可以说满足以上定义的垃圾是“绝对垃圾”，其他隐藏在程序中的为“相对垃圾”呢？

三、垃圾回收

垃圾回收机制（GC,Garbage Collection）负责在程序执行过程中回收无用的变量和内存占用的空间。一个对象虽然没有再次使用的可能，但是仍然存在于内存中的现象被称为内存泄漏。内存泄漏是非常危险的现象，尤其在长时间运行的程序中。如果一个程序出现了内存泄漏，它占用的内存空间就会越来越多，直至耗尽内存。

字符串、对象和数组没有固定的大小，所以只有当它们大小已知时才能对它们进行动态的存储分配。JavaScript程序每次创建字符串、数组或对象时，解释器都要分配内存才存储这个实体。只要像这样动态地分配了内存，最终都要释放这些内存以便它们能够被再次利用;否则，JavaScript的解释器将会消耗完系统中所有可用的内存，造成系统崩溃。

JavaScript的垃圾回收机制会间歇性的检查没有用途的变量、对象（垃圾），并释放条它们占用的空间。

四、可达性（Reachability）

不同的编程语言采用不同的垃圾回收策略，例如C++就没有垃圾回收机制，所有的内存管理靠程序员本身的技能，这也就造成了C++比较难以掌握的现状。JavaScript采用可达性管理内存，从字面意思上看，可达的意思是可以到达，也就是指程序可以通过某种方式访问、使用的变量和对象，这些变量所占用的内存是不可以被释放的。

JavaScript规定了一个固有的可达值集合，集合中的值天生就是可达的：

当前正在执行的函数上下文（包括函数内的局部变量、函数的参数等）；当前嵌套调用链上的其他函数、它们的局部变量和参数；全局变量；其他内部的变量；

以上变量称为根，是可达性树的顶层节点。

如果一个变量或则对象，直接或者间接的被根变量应用，则认为这个变量是可达的。

换一个说法，如果一个值能够通过根访问到（例如，A.b.c.d.e），那么这个值就是可达的。

五、可达性举例

层次关联

let people = {
    boys:{
        boys1:{name:'xiaoming'},
        boys2:{name:'xiaojun'},
    },
    girls:{
        girls1:{name:'xiaohong'},
        girls2:{name:'huahua'},
    }
};

以上代码创建了一个对象，并赋值给了变量people，变量people中包含了两个对象boys和girls，boys和girls中又分别包含了两个子对象。这也就创建了一个包含了3层引用关系的数据结构（不考虑基础类型数据的情况下），

如下图：

其中，people节点由于是全局变量，所以天然可达。boys和girls节点由于被全局变量直接引用，构成间接可达。boys1、boys2、girls1和girls2由于被全局变量间接应用，可以通过people.boys.boys访问，因此也属于可达变量。

如果我们在以上代码的后面加上以下代码：

people.girls.girls2 = null;
people.girls.girls1 = people.boys.boys2;

那么，以上引用层次图将会变成如下形式：

其中，girls1和girls2由于和grils节点断开连接，从而变成了不可达节点，意味着将被垃圾回收机制回收。

而如果此时，我们再执行以下代码：

people.boys.boys2 = null;

那么引用层次图将变成如下形式：

此时，虽然boys节点和boys2节点断开了连接，但是由于boys2节点和girls节点之间存在引用关系，所以boys2仍然属于可达的，不会被垃圾回收机制回收。

以上关联关系图证明了为何称全局变量等值为根，因为在关联关系图中，这一类值通常作为关系树的根节点出现。

相互关联

let people = {
    boys:{
        boys1:{name:'xiaoming'},
        boys2:{name:'xiaojun'},
    },
    girls:{
        girls1:{name:'xiaohong'},
        girls2:{name:'huahua'},
    }
};
people.boys.boys2.girlfriend = people.girls.girls1;	//boys2引用girls1
people.girls.girls1.boyfriend = people.boys.boys2;	//girls1引用boys2

以上代码在boys2和girls1之间创建了一个相互关联的关系，关系结构图如下：

此时，如果我们切断boys和boys2之间的关联：

delete people.boys.boys2;

对象之间的关联关系图如下：

显然，并没有不可达的节点出现。

此时，如果我们切断boyfriend关系连接：

delete people.girls.girls1;

关系图变为：

此时，虽然boys2和girls1之间还存在girlfriend关系，但是，boys2以及变为不可达节点，将被垃圾回收机制收回。

可达孤岛

let people = {
    boys:{
        boys1:{name:'xiaoming'},
        boys2:{name:'xiaojun'},
    },
    girls:{
        girls1:{name:'xiaohong'},
        girls2:{name:'huahua'},
    }
};
delete people.boys;
delete people.girls;

以上代码形成的引用层次图如下：

此时，虽然虚线框内部的对象之间仍然存在相互引用的关系，但是这些对象同样是不可达的，并会被垃圾回收机制删除。这些节点已经和根脱离了关系，变的不可达。

六、垃圾回收算法

引用计数

所谓引用计-数，顾名思义，就是每次对象被引用时都进行计数，增加引用就加一，删除引用就减一，如果引用数变为0，那么就被认定为垃圾，从而删除对象回收内存。

举个例子：

let user = {username:'xiaoming'};//对象被user变量引用，计数+1
let user2 = user;//对象被新的变量引用，计数+1
user = null;//变量不再引用对象，计数-1
user2 = null;//变量不再引用对象，奇数-1
//此时，对象引用数为0，会被删除

虽然看起来引用计数方法非常合理，实际上，采用引用计数方法的内存回收机制存在明显的漏洞。

例如：

let boy = {};
let girl = {};
boy.girlfriend = girl;
girl.boyfriend = boy;
boy = null;
girl = null;

以上代码在boy和girl之间存在相互引用，计数删掉boy和girl内的引用，二者对象并不会被回收。由于循环引用的存在，两个匿名对象的引用计数永远不会归零，也就产生了内存泄漏。

在C++中存在一个智能指针（shared_ptr）的概念，程序员可以通过智能指针，利用对象析构函数释放引用计数。但是对于循环引用的状况就会产生内存泄漏。

好在JavaScript已经采用了另外一种更为安全的策略，更大程度上避免了内存泄漏的风险。

标记清除

标记清除（mark and sweep）是JavaScript引擎采取的垃圾回收算法，其基本原理是从根出发，广度优先遍历变量之间的引用关系，对于遍历过的变量打上一个标记（优秀员工徽章），最后删除没有标记的对象。

算法基本过程如下：

垃圾收集器找到所有的根，并颁发优秀员工徽章（标记）；
然后它遍历优秀员工，并将优秀员工引用的对象同样打上优秀员工标记；
反复执行第2步，直至无新的优秀员工加入；
没有被标记的对象都会被删除。

举个栗子：

如果我们程序中存在如下图所示的对象引用关系：

我们可以清晰的看到，在整个图片的右侧存在一个“可达孤岛”，从根出发，永远无法到达孤岛。但是垃圾回收器并没有我们这种上帝视角，它们只会根据算法会首先把根节点打上优秀员工标记。

然后从优秀员工出发，找到所有被优秀员工引用的节点，如上图中虚线框中的三个节点。然后把新找到的节点同样打上优秀员工标记。

反复执行查找和标记的过程，直至所有能找到的节点都被成功标记。

最终达到下图所示的效果：

由于在算法执行周期结束之后，右侧的孤岛仍然没有标记，因此会被垃圾回收器任务无法到达这些节点，最终被清除。

如果学过数据结构和算法的童鞋可能会惊奇的发现，这不就是图的遍历吗，类似于连通图算法。

七、性能优化

垃圾回收是一个规模庞大的工作，尤其在代码量非常大的时候，频繁执行垃圾回收算法会明显拖累程序的执行。JavaScript算法在垃圾回收上做了很多优化，从而在保证回收工作正常执行的前提下，保证程序能够高效的执行。

性能优化采取的策略通常包括以下几点：

分代回收

JavaScript程序在执行过程中会维持相当量级的变量数目，频繁扫描这些变量会造成明显的开销。但是这些变量在生命周期上各有特点，例如局部变量会频繁的创建，迅速的使用，然后丢弃，而全局变量则会长久的占据内存。JavaScript把两类对象分开管理，对于快速创建、使用并丢弃的局部变量，垃圾回收器会频繁的扫描，保证这些变量在失去作用后迅速被清理。而对于哪些长久把持内存的变量，降低检查它们的频率，从而节约一定的开销。

增量收集

增量式的思想在性能优化上非常常见，同样可以用于垃圾回收。在变量数目非常大时，一次性遍历所有变量并颁发优秀员工标记显然非常耗时，导致程序在执行过程中存在卡顿。所以，引擎会把垃圾回收工作分成多个子任务，并在程序执行的过程中逐步执行每个小任务，这样就会造成一定的回收延迟，但通常不会造成明显的程序卡顿。

空闲收集

CPU即使是在复杂的程序中也不是一直都有工作的，这主要是因为CPU工作的速度非常快，外围IO往往慢上几个数量级，所以在CPU空闲的时候安排垃圾回收策略是一种非常有效的性能优化手段，而且基本不会对程序本身造成不良影响。这种策略就类似于系统的空闲时间升级一样，用户根本察觉不到后台的执行。

八、总结

本文的主要任务是简单的结束垃圾回收的机制、常用的策略和优化的手段，并不是为了让大家深入了解引擎的后台执行原理。

通过本文，你应该了解：

垃圾回收是JavaScript的特性之一，执行在后台，无需我们操心；垃圾回收的策略是标记清除，按照可达性理论筛选并清除垃圾；标记清楚策略可以避免可达孤岛带来的内存泄漏

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