JavaScript 内存泄漏教程

Posted 2020-09-16

一、什么是内存泄漏？

程序的运行需要内存。只要程序提出要求，操作系统或者运行时（runtime）就必须供给内存。

对于持续运行的服务进程（daemon），必须及时释放不再用到的内存。否则，内存占用越来越高，轻则影响系统性能，重则导致进程崩溃。

不再用到的内存，没有及时释放，就叫做内存泄漏（memory leak）。

有些语言（比如 C 语言）必须手动释放内存，程序员负责内存管理。

char * buffer;
buffer = (char*) malloc(42);

// Do something with buffer

free(buffer);

上面是 C 语言代码，malloc方法用来申请内存，使用完毕之后，必须自己用free方法释放内存。

这很麻烦，所以大多数语言提供自动内存管理，减轻程序员的负担，这被称为"垃圾回收机制"（garbage collector）。

二、垃圾回收机制

垃圾回收机制怎么知道，哪些内存不再需要呢？

最常使用的方法叫做"引用计数"（reference counting）：语言引擎有一张"引用表"，保存了内存里面所有的资源（通常是各种值）的引用次数。如果一个值的引用次数是0，就表示这个值不再用到了，因此可以将这块内存释放。

上图中，左下角的两个值，没有任何引用，所以可以释放。

如果一个值不再需要了，引用数却不为0，垃圾回收机制无法释放这块内存，从而导致内存泄漏。

const arr = [1, 2, 3, 4];
console.log(‘hello world‘);

上面代码中，数组[1, 2, 3, 4]是一个值，会占用内存。变量arr是仅有的对这个值的引用，因此引用次数为1。尽管后面的代码没有用到arr，它还是会持续占用内存。

如果增加一行代码，解除arr对[1, 2, 3, 4]引用，这块内存就可以被垃圾回收机制释放了。

let arr = [1, 2, 3, 4];
console.log(‘hello world‘);
arr = null;

上面代码中，arr重置为null，就解除了对[1, 2, 3, 4]的引用，引用次数变成了0，内存就可以释放出来了。

因此，并不是说有了垃圾回收机制，程序员就轻松了。你还是需要关注内存占用：那些很占空间的值，一旦不再用到，你必须检查是否还存在对它们的引用。如果是的话，就必须手动解除引用。

三、内存泄漏的识别方法

怎样可以观察到内存泄漏呢？

经验法则是，如果连续五次垃圾回收之后，内存占用一次比一次大，就有内存泄漏。这就要求实时查看内存占用。

3.1 浏览器

Chrome 浏览器查看内存占用，按照以下步骤操作。

1. 打开开发者工具，选择 Timeline 面板
2. 在顶部的Capture字段里面勾选 Memory
3. 点击左上角的录制按钮。
4. 在页面上进行各种操作，模拟用户的使用情况。
5. 一段时间后，点击对话框的 stop 按钮，面板上就会显示这段时间的内存占用情况。

如果内存占用基本平稳，接近水平，就说明不存在内存泄漏。

反之，就是内存泄漏了。

3.2 命令行

命令行可以使用 Node 提供的process.memoryUsage方法。

console.log(process.memoryUsage());
// { rss: 27709440,
//  heapTotal: 5685248,
//  heapUsed: 3449392,
//  external: 8772 }

process.memoryUsage返回一个对象，包含了 Node 进程的内存占用信息。该对象包含四个字段，单位是字节，含义如下。

• rss（resident set size）：所有内存占用，包括指令区和堆栈。
• heapTotal："堆"占用的内存，包括用到的和没用到的。
• heapUsed：用到的堆的部分。
• external： V8 引擎内部的 C++ 对象占用的内存。

判断内存泄漏，以heapUsed字段为准。

四、WeakMap

前面说过，及时清除引用非常重要。但是，你不可能记得那么多，有时候一疏忽就忘了，所以才有那么多内存泄漏。

最好能有一种方法，在新建引用的时候就声明，哪些引用必须手动清除，哪些引用可以忽略不计，当其他引用消失以后，垃圾回收机制就可以释放内存。这样就能大大减轻程序员的负担，你只要清除主要引用就可以了。

ES6 考虑到了这一点，推出了两种新的数据结构：WeakSet 和 WeakMap。它们对于值的引用都是不计入垃圾回收机制的，所以名字里面才会有一个"Weak"，表示这是弱引用。

下面以 WeakMap 为例，看看它是怎么解决内存泄漏的。

const wm = new WeakMap();

const element = document.getElementById(‘example‘);

wm.set(element, ‘some information‘);
wm.get(element) // "some information"

上面代码中，先新建一个 Weakmap 实例。然后，将一个 DOM 节点作为键名存入该实例，并将一些附加信息作为键值，一起存放在 WeakMap 里面。这时，WeakMap 里面对element的引用就是弱引用，不会被计入垃圾回收机制。

也就是说，DOM 节点对象的引用计数是1，而不是2。这时，一旦消除对该节点的引用，它占用的内存就会被垃圾回收机制释放。Weakmap 保存的这个键值对，也会自动消失。

基本上，如果你要往对象上添加数据，又不想干扰垃圾回收机制，就可以使用 WeakMap。

五、WeakMap 示例

WeakMap 的例子很难演示，因为无法观察它里面的引用会自动消失。此时，其他引用都解除了，已经没有引用指向 WeakMap 的键名了，导致无法证实那个键名是不是存在。

我一直想不出办法，直到有一天贺师俊老师提示，如果引用所指向的值占用特别多的内存，就可以通过process.memoryUsage方法看出来。

根据这个思路，网友 vtxf 补充了下面的例子。

首先，打开 Node 命令行。

$ node --expose-gc

上面代码中，--expose-gc参数表示允许手动执行垃圾回收机制。

然后，执行下面的代码。

// 手动执行一次垃圾回收，保证获取的内存使用状态准确
> global.gc(); 
undefined

// 查看内存占用的初始状态，heapUsed 为 4M 左右
> process.memoryUsage(); 
{ rss: 21106688,
  heapTotal: 7376896,
  heapUsed: 4153936,
  external: 9059 }

> let wm = new WeakMap();
undefined

> let b = new Object();
undefined

> global.gc();
undefined

// 此时，heapUsed 仍然为 4M 左右
> process.memoryUsage(); 
{ rss: 20537344,
  heapTotal: 9474048,
  heapUsed: 3967272,
  external: 8993 }

// 在 WeakMap 中添加一个键值对，
// 键名为对象 b，键值为一个 5*1024*1024 的数组  
> wm.set(b, new Array(5*1024*1024));
WeakMap {}

// 手动执行一次垃圾回收
> global.gc();
undefined

// 此时，heapUsed 为 45M 左右
> process.memoryUsage(); 
{ rss: 62652416,
  heapTotal: 51437568,
  heapUsed: 45911664,
  external: 8951 }

// 解除对象 b 的引用  
> b = null;
null

// 再次执行垃圾回收
> global.gc();
undefined

// 解除 b 的引用以后，heapUsed 变回 4M 左右
// 说明 WeakMap 中的那个长度为 5*1024*1024 的数组被销毁了
> process.memoryUsage(); 
{ rss: 20639744,
  heapTotal: 8425472,
  heapUsed: 3979792,
  external: 8956 }

上面代码中，只要外部的引用消失，WeakMap 内部的引用，就会自动被垃圾回收清除。由此可见，有了它的帮助，解决内存泄漏就会简单很多。