JavaScript性能优化1——内存管理（JS垃圾回收机制引用计数标记清除标记整理V8分代回收Performance使用）

Posted 2022-12-11 JIZQAQ

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了JavaScript性能优化1——内存管理（JS垃圾回收机制引用计数标记清除标记整理V8分代回收Performance使用）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

一、导入

随着我们javascript代码需要实现的功能越来越复杂，性能优化变得重要了起来。那么哪些内容可以被看做是性能优化呢？本质上来说，任何一种提高运行效率，降低运行开销的行为都可以看做是优化操作。

前端优化无处不在，例如请求资源时候用到的网络、数据的传输方式、开发过程中使用的框架等。本阶段讨论的核心是JavaScript语言本身的优化，也就是从认知内存空间的实用到垃圾回收的方式介绍。从而让我们编写出高效的JavaScript代码。

在这篇文章里，主要讨论内存管理相关的内容。

随着这些年来的硬件不断发展，同时高级编程语言当中都自带GC机制，这些变化都让我们可以在不需要过多注意内存空间的使用下，也能正常完成相应的功能开发。

二、内存管理

内存：由可读写单元组成，表示一篇可操控空间
管理：人为的去操作一片空间的申请、使用和释放
内存管理：开发者主动申请空间、使用空间、释放空间

1.JavaScript中的内存管理

分为下面三个步骤

申请内存空间
使用内存空间
释放内存空间

//DEMO2
// Memory management
// 申请
let obj = 
// 使用
obj.name = 'lg'
// 释放 js中没有释放api，我们这里就把它设置为null
obj = null

2.JavaScript中的垃圾回收

概念

对我们前端而言JS的内存管理是自动的，每次我们创建一个对象、数组、函数的时候会自动分配一个内存空间。

那么什么是垃圾呢？

对象不再被引用的时候就是垃圾
对象不能从根上访问到的时候也是垃圾。

知道什么是垃圾之后，JS引擎就会出来工作，把它们占据的对象空间进行回收，这就叫做JS的垃圾回收。

下面我们引入一个概念，叫可达对象

可达对象

可以访问到的对象就是可达对象（引用、作用域链）
可达的标准就是从根出发是否能够被找到
JavaScript中的根就可以理解为是全局变量对象

接下来我们在代码中看一下JS的引用和可达是什么样的

引用样例

// reference
let obj = name: 'xm'// 这里就发生了引用，obj也是可达的，xm空间也是可达的

let ali = obj // xm空间又多了一次引用

obj = null // obj引用xm的这条路断了，但是xm空间还是可达的，因为ali还在引用xm空间

console.log(ali)//打印 name: 'xm'

可达样例

先看一下下面这段代码

//DEMO4
//可达对象
//我们定义了一个函数去接收两个变量obj1，obj2，互相指引
function objGroup(obj1,obj2) 
    obj1.next = obj2
    obj2.prev = obj1
    return 
        o1:obj1,
        o2:obj2
    


let obj = objGroup(name:'obj1',name:'obj2')
console.log(obj)

说明：

首先从全局的根出发，我们能找到一个可达的对象obj，它是通过一个函数调用之后，指向了一个内存空间（里面就是o1和o2），又通过相应的属性指向obj1和obj2的空间，这两个空间之间通过next和prev互相指向。

所以在这个例子里面，我们能从根访问到任何一个内存空间。

然后我们删除掉两行代码之后

function objGroup(obj1,obj2) 
    obj1.next = obj2
    //obj2.prev = obj1
    return 
        //o1:obj1,
        o2:obj2
    


let obj = objGroup(name:'obj1',name:'obj2')
console.log(obj)

这之后，我们所有能够找到obj1的线条都被删除了，于是obj1空间就会被认为是垃圾，js引擎就会找到它把它删除。

3.GC算法介绍

GC定义与作用

GC就是垃圾回收机制的简写
GC可以找到内存中的垃圾、并释放和回收空间。

GC里的垃圾是什么

程序中不再需要使用的对象（下面例子里的name）

程序中不能再访问到的对象（下面例子里的name）

GC算法是什么

GC是一种机制，垃圾回收器完成具体的工作
工作的内容就是查找垃圾释放空间、回收空间
算法就是工作时查找和挥手所遵循的规则

常见GC算法

引用计数：通过一个数字判断当前的是不是垃圾
标记清除：进行工作的时候给到活动对象添加一个标记，判断是否垃圾
标记整理：和标记清除类似，回收过程中做的事情不太一样
分代回收：不同生命周期的对象可以采取不同的收集方式，以便提高回收效率

3.1引用计数

实现原理

核心思想：设置应用数，判断当前引用数是否为0，从而判断是否垃圾对象。数字为0，GC开始工作，将其所在的对象空间回收再释放使用。

引用关系发生改变的时候，引用计数器会主动去修改引用数值。引用数字为0的时候立刻回收。

//DEMO4
//GC 引用计数
const user1 = age:11
const user2 = age:22
const user3 = age:33

const nameList = [user1.age,user2.age,user3.age]

function fn() 
    // 当加上const之后，num1作用域变了，一旦fn()结束之后，我们就再也找不到num1了，引用计数为0，gc就会吧num1的内存空间回收
    const num1 = 1 
    num2 = 2


fn()

总结：

靠着我们当前对象身上引用计数器的数值是否为0，从而决定它是不是垃圾对象。

引用计数的优点

发现垃圾时立即回收
最大限度减少程序暂停（当内存快满的时候就立刻去找引用计数为0的删掉）

引用计数的缺点

无法回收循环引用的对象
时间开销大（因为要时刻监控数值的修改）

什么是循环引用的对象

//DEMO5
//对象之间的循环引用
//虽然obj1和obj2全局作用域下找不到了，但是引用还存在的，obj1和obj2互相在他们的作用域内引用
//用引用计数算法无法释放这部分空间。
function fn() 
    const obj1 = 
    const obj2 = 

    obj1.name = obj2
    obj2.name = obj1

    return 'hello world'


fn()

3.2标记清除

实现原理

这个原理实现要比引用计数算法更加简单，还能解决一些问题。在后续学习的v8当中会被大量用到。

核心思想：将整个垃圾回收操作分成标记和清楚两个阶段完成。第一个阶段会遍历所有对象，找到活动对象标记。第二个阶段仍然遍历所有对象，把那些身上没有标记的对象进行清除。还会把第一个阶段的标记抹掉，便于GC下次正常工作。通过两次遍历行为，把我们当前的垃圾空间进行回收，最终交给相应的空闲列表去维护。

通过下面图片举例说明一下：

在全局的地方，我们可以找到A、B、C三个可达对象，如果发现他们的下边有child，或者child还有child，它会使用递归的方式去寻找可达对象。所以D、E也会被做上可达标记。从global的链条下是找不到a1，b1的，所以GC工作的时候会认为a1、b1是垃圾，把它清除掉，并且把可达标记都清除掉。要注意最终还会把回收的空间放在一个空闲列表上面，方便后面的程序直接申请空间使用。

标记清除优点

可以解决对象循环引用的回收操作

标记清除缺点

如图显示，左右两侧有从根无法被查找的区域，这种情况下在第二轮进行清除操作的时候，就会直接吧两侧对应的空间回收，然后把释放的空间添加到空闲链表之上。紧接着后续的程序进来，在空闲链表上申请空间。

但是我们从图片上看得到，即时左右两边的空间被释放，但是他们这两块空间被中间的内容给分割着，空出来的内存地址不连续，是分散的。假如如图的例子，左侧空出2个空间，右侧空出1个空间，而我们想要申请一个1.5的空间。我们申请左侧呢，就会空余0.5个空间，而右边空间又不足。

这就是标记清除最大的问题，会造成空间碎片化，不能让我们空间最大化使用。

标记清除不会立即回收垃圾对象。

3.3标记整理

实现原理

标记整理可以看作是标记清除的增强操作，他在标记阶段的操作和标记清除一致，但是清楚阶段会先执行整理，移动对象位置。

下面用图片来更好的解释一下标记整理回收阶段的过程。

回收之前我们内存摆放位置如下，有着很多活动对象、非活动对象和空闲的空间，当他去执行当前标记操作的时候，会把所有的活动对象进行标记，紧接着会去进行一个整理的操作。

整理会把我们的活动对象进行移动，在地址上变成连续的位置，紧接着将当前活动对象右侧的范围进行回收。

回收之后大概长下面的样子，现在回收到的空间基本上都是连续的，后续可以最大化利用内存释放出来的空间。它会配合着标记清除，在我们的V8引擎当中配合实现频繁的GC操作。

标记整理优点

减少碎片化空间

标记整理缺点

不会立即回收垃圾对象

4.V8

认识V8

V8是一款主流的JavaScript执行引擎，日常我们使用的chrome浏览器和node.js用的都是V8。

V8采用即时编译，将源码直接翻译成机器码，速度非常快。

V8的内存是有设限制的，64位系统上限1.5G，32位系统的上限是800MB。这对网页应用是足够了，官方做过测试，如果垃圾内存达到1.5G的时候，V8采用标记增量算法进行回收只需要消耗50ms，如果采用非标记增量的算法去回收则需要1s。从用户体验来说，1秒已经是很长的时间了，所以以1.5G为界。

V8垃圾回收策略

采用分代回收的思想
内存分为新生代、老生代
针对不同对象采用不同算法

V8中常用的GC算法

分代回收
空间复制
标记清除
标记整理
标记增量

V8内存分配

V8内存空间一分为二
小的空间用于存储新生代对象（64位是32M，32位是16M）
新生代指的是存活时间较短的对象
老年代对象存放在右侧老生代区域（64位系统1.4G，32位 700M）
老年代对象就是指存活时间较长的对象

V8新生代对象的回收

回收过程采用复制算法+标记整理
新生代内存分为两个等大小空间
使用空间为From，空闲空间为To
活动对象存储与From空间
标记整理后将活动对象拷贝至To空间
From与To交换空间完成释放

回收细节说明

拷贝过程可能出现晋升
晋升就是讲新生代对象移动到老生代
一轮GC还存活的新生代需要晋升
To空间的使用率超过25%的话，也需要晋升

V8老生代对象的回收

主要采用标记清除、标记整理、增量标记算法
首先使用标记清除完成垃圾空间的回收
采用标记整理进行空间优化（当晋升的时候发现，老生代没有足够的空间存放新生代对象的时候，就会进行标记整理的操作）
采用增量标记进行效率优化

新老细节对比

新生代区域垃圾回收使用空间换时间
老年代区域垃圾回收不适合复制算法，空间比较大，存放的数据多，消耗的时间会比较多

标记增量算法

看下面这张图，上半部分是程序的执行，下半部分是垃圾的回收。当垃圾回收进行工作其实是会阻塞JS的执行的。

标记增量的方法是把我们垃圾回收的操作，拆分成多个小步，组合去完成整个回收，从而去替代以前一口气完成的垃圾回收。这样可以程序执行和垃圾回收交替执行，时间消耗更加合理一些。

（中间的标记可能是标记可达元素的子元素之类的。）

把以前很长的停顿时间拆成小段，用户体验更好一些。

5.Performance工具介绍

为什么使用Performance

GC目的是为了实现内存空间的良性循环
良性循环的基石是合理使用
时刻关注才能确定是否合理
Performance提供多种监控方式

总的来说，就是通过Performance时刻监控内存啦。

使用步骤

打开浏览器输入目标网址（Chrome浏览器）
进入开发人员工具面板（F12），选择Performance
开启路子功能，访问具体界面
执行用户行为，一段时间后停止录制
分析界面中记录的内存信息

出来报告之后记得选择Menory，默认是不选择的。勾选之后会出现下面蓝色线的部分，那块就是内存使用情况了。

6.内存问题外在表现

都是在网络状况正常的情况下

页面出现延迟加载或经常性暂停
页面持续性出现糟糕的性能
页面性能随时间越长越来越差（内存泄漏）

7.监控内存的方式

界定内存问题的标准

内存泄漏：内存使用持续升高，没有下降的节点
内存膨胀：当前应用参训的本身，为了达到最好的应用效果，需要很大的内存。也许是程序的问题、或者当前硬件设备不支持，导致性能体验有问题。如果在多数设备上都存在性能问题的话，就是我们程序的问题了。
频繁垃圾回收：通过内存变化图进行分析

监控内存的方式

浏览器任务管理器
Timeline时序图记录
堆快照查找分离DOM
判断是否存在频繁的垃圾回收

1.任务管理器监控内存

下面是一个DEMO，在界面中放置一个点击事件，点击事件触发后会生成一个非常长的数组。

新建一个html文件

<!DOCTYPE html>
<html>
    <head>
        <meta charset="UTF-8">
        <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
        <title>任务管理器监控内存变化</title>
    </head>
    <body>
        <button id="btn">Add</button>
        <script>
            const oBtn = document.getElementById('btn')
            oBtn.onclick = function() 
                let arrList = new Array(1000000)
            
        </script>
    </body>
</html>

在VSCode里面安装一个叫open in browser的插件

安装之后在html文件里面点击右键，选择Open In Default Browser

然后会在浏览器当中被打开，我们再打开浏览器的任务管理器，chrome的话是右上角...——更多工具——任务管理器

打开之后就是类似下面这样的界面

这个时候是不显示JavaScript内存的，需要在上面标题的那一栏，右键然后选择JavaScript使用的内存，选择之后最后面就会多一栏了。

第一列内存是DOM的内存，最后一列是说可达对象在使用内存的大小。

找到我们页面对应的那一条数据，然后多次点击页面上的按钮，发现JavaScript内存一直增加，而没有减少，说明GC没有释放就有问题了。

2.Timeline记录内存

使用任务管理器监控内存的变化过程中，我们可以发现，我们只能判断是否存在问题，但是没法定位具体和什么有关。我们用Timeline可以更精准的定位问题。

同样新建一个HTML文件，然后在浏览器中打开

<!DOCTYPE html>
<html>
    <head>
        <meta charset="UTF-8">
        <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
        <title>时间线记录内存变化</title>
    </head>
    <body>
        <button id="btn">Add</button>
        <script>
            const arrList = []
            function text()
                for(let i = 0;i<100000;i++) 
                    document.body.appendChild(document.createElement('p'))
                
                arrList.push(new Array(1000000).join('x'))
            
            document.getElementById('btn').addEventListener('click',test)
        </script>
    </body>
</html>

这次我们调出F12，Performance里面点击开始录制，然后多点几次Add按钮，过一会停止录制。观察内存使用变化。

3.堆快照

工作原理

找到当前的JS堆，对它进行照片的留存，有了照片之后我们就可以看到里面的所有信息。这更像是针对分离DOM的查找行为。我们页面上看到的很多元素，其实都是DOM节点，它们本该都是存在于一个存活的DOM树上的。

如果一个节点从当前DOM树上脱离，而且在JS代码中再也没被引用，就成为了垃圾。

如果一个DOM节点只是从树上脱离，但是JS代码里还被引用，这种叫分离DOM。他虽然在页面上看不见了，但是还占据着我们的内存，这种情况下就是一种内存泄漏。我们通过堆快照的功能把它们都找出来，然后再去代码里面把他们找出来进行清除。

什么是分离DOM

界面元素存活在DOM树上
垃圾对象时的DOM节点
分离状态的DOM节点

新建一个HTML文件，然后在浏览器中打开

<!DOCTYPE html>
<html>
    <head>
        <meta charset="UTF-8">
        <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
        <title>堆快照监控内存</title>
    </head>
    <body>
        <button id="btn">Add</button>
        <script>
            var tmpEle
            function fn()
                var ul = document.createElement('ul')
                for(var i =0;i<10;i++)
                    var li = document.createElement('li')
                    ul.appendChild(li)
                
                tmpEle = ul
            
            document.getElementById('btn').addEventListener('click',fn)
        </script>
    </body>
</html>

打开F12，选择Memory 。在没有点击Add的情况下，先获得一次快照。然后点击Add按钮，再获得一次快照。

这个时候，我们可以在两次快照里面检索detached，第一次快照里面是找不到的，但是我们能够在第二次快照里面找到。

这几个就是我们界面里添加的dom节点，虽然没有在页面上显示，但是还是内存上添加了，这就是分离dom。

回到我们的代码里，把不需要的置null

<!DOCTYPE html>
<html>
    <head>
        <meta charset="UTF-8">
        <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
        <title>堆快照监控内存</title>
    </head>
    <body>
        <button id="btn">Add</button>
        <script>
            var tmpEle
            function fn()
                var ul = document.createElement('ul')
                for(var i =0;i<10;i++)
                    var li = document.createElement('li')
                    ul.appendChild(li)
                
                tmpEle = ul
                //新增的代码
                tmpEle = null
            
            document.getElementById('btn').addEventListener('click',fn)
        </script>
    </body>
</html>

再次点击Add，并获取快照，我们就搜不到detached了。

4.判断是否频繁垃圾回收

为什么需要判断

GC工作时候应用程序是停止的
频繁且国产的GC会导致应用假死
用户使用中感知应用卡顿

如何判断

Timeline中频繁上升下降，中间时间间隔很短
任务管理器中数据频繁增加减少

参考资料

1.拉勾网《大前端训练营》课程

以上是关于JavaScript性能优化1——内存管理（JS垃圾回收机制引用计数标记清除标记整理V8分代回收Performance使用）的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章