JavaScript内存管理机制与垃圾回收算法详解

JavaScript内存管理概述

介绍

C等低级语言提供malloc()和free()等底层内存管理命令，需开发者手动释放内存。相比之下，JavaScript等高级语言在创建对象（如objects、strings等）时自动分配内存，并在对象不再使用时由系统自动回收，这一过程称为垃圾回收。垃圾回收机制的存在常使开发者误以为无需关注内存管理细节。

内存生命周期与分配机制

内存生命周期

无论何种编程语言，内存的生命周期基本一致。

1. 分配所需的内存空间

2. 对内存进行读写操作

3. 当内存不再需要时，释放所占资源

步骤1和2在所有语言中均显而易见。步骤3在低级语言中需开发者显式执行，而在JavaScript等高级语言中，此操作由解析器自动完成，因此开发者通常感知不到。

JavaScript中的内存分配操作

值的初始化过程

在JavaScript中，为变量赋值时会自动完成内存分配。

var n = 123; // 为数字分配内存
var s = "azerty"; // 为字符串分配内存
var o = {
a: 1,
b: null
}; // 为包含属性值的对象分配内存
var a = [1, null, "abra"]; // 为包含值的数组分配内存
function f(a){
return a + 2;
} // 为函数分配内存（函数是可调用对象）
// 函数表达式同样属于对象，也会涉及内存分配
someElement.addEventListener('click', function(){
someElement.style.backgroundColor = 'blue';
}, false);

部分函数在执行完毕后，也会产生对象分配的情况。

var d = new Date();
var e = document.createElement('div'); // 分配一个DOM元素

某些方法会分配新值或新对象。

var s = "azerty";
var s2 = s.substr(0, 3); // s2是一个新字符串
// 由于字符串不可变，JavaScript会为[0, 3]范围内的内容创建新字符串
var a = ["ouais ouais", "nan nan"];
var a2 = ["generation", "nan nan"];
var a3 = a.concat(a2); // 将a和a2结合，生成新数组

使用值即是对已分配内存进行读写操作，包括读写变量或对象属性，以及向函数传递参数。

内存释放与垃圾回收基础

当内存不再需要时，释放内存

绝大多数内存管理问题发生在此阶段。最难点在于判断分配的内存是否不再需要，这通常需开发者判定程序何时不再需要内存并释放资源。

高级语言解析器内置“垃圾收集器”，负责跟踪内存分配与使用，判断内存需求并在无需时释放资源。由于判断内存是否必需是不确定问题（无法通过单一算法解决），垃圾收集器只能提供近似解。

垃圾回收算法：引用计数与标记清除

垃圾回收

如前所述，自动判定“内存不再需要”存在局限。本节将解释相关概念，介绍主要垃圾收集算法及其局限性。

引用

垃圾回收的核心概念是“引用”。在内存管理中，若一个对象显式或隐式地使用另一个对象，则称前者引用后者。例如，JavaScript对象存在指向原型的隐式引用，以及指向属性值的显式引用。

此处的“对象”概念超越JavaScript传统定义，还包括函数作用域和全局作用域。

下面要介绍的是一种最理想化的算法，引入了 “对象不再需要” 和 “没有其他对象引用该对象” 的概念。当该对象的引用指针变为0的时候，就认为他可以被回收。

以下介绍一种理想化算法，引入“对象不再需要”和“无其他对象引用该对象”的概念。当对象引用指针降为0时，即认为可回收。

var o = {
a: {
b:2
  }
}; // 创建两个对象。一个对象（a）被另一个对象（o引用的对象）引用，并作为其属性
// 该对象又被变量o引用
// 显然，此时无对象可回收
 
var o2 = o; // 变量o2再次引用该对象
o = 1; // o不再引用该对象，仅o2仍在引用
var oa = o2.a; // oa引用o2的属性对象a
// 该对象被其他两个对象引用，分别是o2的属性a和变量oa
o2 = "yo"; // 该对象已不被其他对象引用，但其属性a仍被变量oa引用，故尚不能释放
oa = null; // 现在属性a也不再被其他对象引用，该对象可被回收

该算法存在局限性：当对象间形成循环引用时，即使不再需要，垃圾收集器也不会回收它们。

function f(){
var o = {};
var o2 = {};
o.a = o2; // o引用o2
o2.a = o; // o2引用o
return "azerty";
}
f();
// 创建两个对象并形成相互引用
// 函数调用结束后，它们虽脱离函数作用域且不再使用，但不会被释放
// 因为引用计数算法判定只要对象存在被引用情况，便不能执行垃圾回收

在IE6、7中，DOM对象使用引用计数算法时存在内存泄漏问题。

var div = document.createElement("div");
div.onclick = function(){
doSomething();
}; // div通过click属性引用事件处理程序
// 当事件处理函数访问div变量时，形成循环引用，导致两个对象均无法回收，造成内存泄漏

该算法引入“对象不再需要”和“对象不可访问（对象不可达）”概念。算法假设存在一系列根对象（JavaScript中根对象为全局对象），垃圾收集器定期从根对象开始，遍历其引用的对象，再遍历引用对象引用的对象，以此类推。通过此方式，垃圾收集器可获取所有可访问对象，并回收不可访问对象。

该算法优于前一种：引用为0的对象被设为不可访问，同时避免了循环引用带来的困扰。

截至2012年，多数现代浏览器采用“标记-清除算法”的垃圾收集器。尽管过去几年JavaScript垃圾收集领域（代/增量/并发/并行收集）改进了相关算法，但垃圾收集算法本身（标记-清除算法）及“如何判定对象不再需要”并未根本改善。

周期不再是问题

在第一个例子中，函数调用结束后，这两个对象不被全局对象引用，也不被全局对象引用的对象引用。因此，JavaScript垃圾回收器将其标记为不可访问对象。第二种情况同理，当div和事件处理函数被标记为不可访问时，即被释放。

限制：对象需明确标记为不可访问

这种标记方法存在局限，但开发者在编程中较少接触，因此通常不关注垃圾回收细节。