深入理解JavaScript程序中內(nèi)存泄漏
垃圾回收解放了我們，它讓我們可將精力集中在應(yīng)用程序邏輯（而不是內(nèi)存管理）上。但是，垃圾收集并不神奇。了解它的工作原理，以及如何使它保留本應(yīng)在很久以前釋放的內(nèi)存，就可以實(shí)現(xiàn)更快更可靠的應(yīng)用程序。在本文中，學(xué)習(xí)一種定位 JavaScript 應(yīng)用程序中內(nèi)存泄漏的系統(tǒng)方法、幾種常見的泄漏模式，以及解決這些泄漏的適當(dāng)方法。
一、簡介
當(dāng)處理 JavaScript 這樣的腳本語言時，很容易忘記每個對象、類、字符串、數(shù)字和方法都需要分配和保留內(nèi)存。語言和運(yùn)行時的垃圾回收器隱藏了內(nèi)存分配和釋放的具體細(xì)節(jié)。
許多功能無需考慮內(nèi)存管理即可實(shí)現(xiàn)，但卻忽略了它可能在程序中帶來重大的問題。不當(dāng)清理的對象可能會存在比預(yù)期要長得多的時間。這些對象繼續(xù)響應(yīng)事件和消耗資源。它們可強(qiáng)制瀏覽器從一個虛擬磁盤驅(qū)動器分配內(nèi)存頁，這顯著影響了計(jì)算機(jī)的速度（在極端的情形中，會導(dǎo)致瀏覽器崩潰）。
內(nèi)存泄漏指任何對象在您不再擁有或需要它之后仍然存在。在最近幾年中，許多瀏覽器都改善了在頁面加載過程中從 JavaScript 回收內(nèi)存的能力。但是，并不是所有瀏覽器都具有相同的運(yùn)行方式。Firefox 和舊版的 Internet Explorer 都存在過內(nèi)存泄漏，而且內(nèi)存泄露一直持續(xù)到瀏覽器關(guān)閉。
過去導(dǎo)致內(nèi)存泄漏的許多經(jīng)典模式在現(xiàn)代瀏覽器中以不再導(dǎo)致泄漏內(nèi)存。但是，如今有一種不同的趨勢影響著內(nèi)存泄漏。許多人正設(shè)計(jì)用于在沒有硬頁面刷新的單頁中運(yùn)行的 Web 應(yīng)用程序。在那樣的單頁中，從應(yīng)用程序的一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)時，很容易保留不再需要或不相關(guān)的內(nèi)存。
在本文中，了解對象的基本生命周期，垃圾回收如何確定一個對象是否被釋放，以及如何評估潛在的泄漏行為。另外，學(xué)習(xí)如何使用 Google Chrome 中的 Heap Profiler 來診斷內(nèi)存問題。一些示例展示了如何解決閉包、控制臺日志和循環(huán)帶來的內(nèi)存泄漏。
二、對象生命周期
要了解如何預(yù)防內(nèi)存泄漏，需要了解對象的基本生命周期。當(dāng)創(chuàng)建一個對象時，JavaScript 會自動為該對象分配適當(dāng)?shù)膬?nèi)存。從這一刻起，垃圾回收器就會不斷對該對象進(jìn)行評估，以查看它是否仍是有效的對象。
垃圾回收器定期掃描對象，并計(jì)算引用了每個對象的其他對象的數(shù)量。如果一個對象的引用數(shù)量為 0（沒有其他對象引用過該對象），或?qū)υ搶ο蟮奈┮灰檬茄h(huán)的，那么該對象的內(nèi)存即可回收。圖 1 顯示了垃圾回收器回收內(nèi)存的一個示例。
圖 1. 通過垃圾收集回收內(nèi)存
看到該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用會很有幫助，但提供此功能的工具很有限。了解您的 JavaScript 應(yīng)用程序占用了多少內(nèi)存的一種方式是使用系統(tǒng)工具查看瀏覽器的內(nèi)存分配。有多個工具可為您提供當(dāng)前的使用，并描繪一個進(jìn)程的內(nèi)存使用量隨時間變化的趨勢圖。
例如，如果在 Mac OSX 上安裝了 XCode，您可以啟動 Instruments 應(yīng)用程序，并將它的活動監(jiān)視器工具附加到您的瀏覽器上，以進(jìn)行實(shí)時分析。在 Windows® 上，您可以使用任務(wù)管理器。如果在您使用應(yīng)用程序的過程中，發(fā)現(xiàn)內(nèi)存使用量隨時間變化的曲線穩(wěn)步上升，那么您就知道存在內(nèi)存泄漏。
觀察瀏覽器的內(nèi)存占用只能非常粗略地顯示 JavaScript 應(yīng)用程序的實(shí)際內(nèi)存使用。瀏覽器數(shù)據(jù)不會告訴您哪些對象發(fā)生了泄漏，也無法保證數(shù)據(jù)與您應(yīng)用程序的真正內(nèi)存占用確實(shí)匹配。而且，由于一些瀏覽器中存在實(shí)現(xiàn)問題，DOM 元素（或備用的應(yīng)用程序級對象）可能不會在頁面中銷毀相應(yīng)元素時釋放。視頻標(biāo)記尤為如此，視頻標(biāo)記需要瀏覽器實(shí)現(xiàn)一種更加精細(xì)的基礎(chǔ)架構(gòu)。
人們曾多次嘗試在客戶端 JavaScript 庫中添加對內(nèi)存分配的跟蹤。不幸的是，所有嘗試都不是特別可靠。例如，流行的 stats.js 包由于不準(zhǔn)確性而無法支持。一般而言，嘗試從客戶端維護(hù)或確定此信息存在一定的問題，是因?yàn)樗鼤趹?yīng)用程序中引入開銷且無法可靠地終止。
理想的解決方案是瀏覽器供應(yīng)商在瀏覽器中提供一組工具，幫助您監(jiān)視內(nèi)存使用，識別泄漏的對象，以及確定為什么一個特殊對象仍標(biāo)記為保留。
目前，只有 Google Chrome（提供了 Heap Profile）實(shí)現(xiàn)了一個內(nèi)存管理工具作為它的開發(fā)人員工具。我在本文中使用 Heap Profiler 測試和演示 JavaScript 運(yùn)行時如何處理內(nèi)存。
三、分析堆快照
在創(chuàng)建內(nèi)存泄漏之前，請查看一次適當(dāng)收集內(nèi)存的簡單交互。首先創(chuàng)建一個包含兩個按鈕的簡單 HTML 頁面，如清單 1 所示。
清單 1. index.html
<html> <head> <script src="http://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/1.7.2/jquery.min.js" type="text/javascript"></script> </head> <body> <button id="start_button">Start</button> <button id="destroy_button">Destroy</button> <script src="assets/scripts/leaker.js" type="text/javascript" charset="utf-8"></script> <script src="assets/scripts/main.js" type="text/javascript" charset="utf-8"></script> </body> </html>
包含 jQuery 是為了確保一種管理事件綁定的簡單語法適合不同的瀏覽器，而且嚴(yán)格遵守最常見的開發(fā)實(shí)踐。為 leaker 類和主要 JavaScript 方法添加腳本標(biāo)記。在開發(fā)環(huán)境中，將 JavaScript 文件合并到單個文件中通常是一種更好的做法。出于本示例的用途，將邏輯放在獨(dú)立的文件中更容易。
您可以過濾 Heap Profiler 來僅顯示特殊類的實(shí)例。為了利用該功能，創(chuàng)建一個新類來封裝泄漏對象的行為，而且這個類很容易在 Heap Profiler 中找到，如清單 2 所示。
清單 2. assets/scripts/leaker.js
var Leaker = function(){};
Leaker.prototype = {
init:function(){
}
};
綁定 Start 按鈕以初始化 Leaker 對象，并將它分配給全局命名空間中的一個變量。還需要將 Destroy 按鈕綁定到一個應(yīng)清理 Leaker 對象的方法，并讓它為垃圾收集做好準(zhǔn)備，如清單 3 所示。
清單 3. assets/scripts/main.js
$("#start_button").click(function(){
if(leak !== null || leak !== undefined){
return;
}
leak = new Leaker();
leak.init();
});
$("#destroy_button").click(function(){
leak = null;
});
var leak = new Leaker();
現(xiàn)在，您已準(zhǔn)備好創(chuàng)建一個對象，在內(nèi)存中查看它，然后釋放它。
1）、在 Chrome 中加載索引頁面。因?yàn)槟侵苯訌?Google 加載 jQuery，所以需要連接互聯(lián)網(wǎng)來運(yùn)行該樣例。
2）、打開開發(fā)人員工具，方法是打開 View 菜單并選擇 Develop 子菜單。選擇 Developer Tools 命令。
3）、轉(zhuǎn)到 Profiles 選項(xiàng)卡并獲取一個堆快照，如圖 2 所示。
圖 2. Profiles 選項(xiàng)卡
4）、將注意力返回到 Web 上，選擇 Start。
5）、獲取另一個堆快照。
6）、過濾第一個快照，查找 Leaker 類的實(shí)例，找不到任何實(shí)例。切換到第二個快照，您應(yīng)該能找到一個實(shí)例，如圖 3 所示。
圖 3. 快照實(shí)例
7）、將注意力返回到 Web 上，選擇 Destroy。
8）、獲取第三個堆快照。
9）、過濾第三個快照，查找 Leaker 類的實(shí)例，找不到任何實(shí)例。在加載第三個快照時，也可將分析模式從 Summary 切換到 Comparison，并對比第三個和第二個快照。您會看到偏移值 -1（在兩次快照之間釋放了 Leaker 對象的一個實(shí)例）。
萬歲！垃圾回收有效的。現(xiàn)在是時候破壞它了。
四、內(nèi)存泄漏1：閉包
一種預(yù)防一個對象被垃圾回收的簡單方式是設(shè)置一個在回調(diào)中引用該對象的間隔或超時。要查看實(shí)際應(yīng)用，可更新 leaker.js 類，如清單 4 所示。
清單 4. assets/scripts/leaker.js
var Leaker = function(){};
Leaker.prototype = {
init:function(){
this._interval = null;
this.start();
},
start: function(){
var self = this;
this._interval = setInterval(function(){
self.onInterval();
}, 100);
},
destroy: function(){
if(this._interval !== null){
clearInterval(this._interval);
}
},
onInterval: function(){
console.log("Interval");
}
};
現(xiàn)在，當(dāng)重復(fù) 上一節(jié) 中的第 1-9 步時，您應(yīng)在第三個快照中看到，Leaker 對象被持久化，并且該間隔會永遠(yuǎn)繼續(xù)運(yùn)行。那么發(fā)生了什么？在一個閉包中引用的任何局部變量都會被該閉包保留，只要該閉包存在就永遠(yuǎn)保留。要確保對 setInterval 方法的回調(diào)在訪問 Leaker 實(shí)例的范圍時執(zhí)行，需要將 this 變量分配給局部變量 self，這個變量用于從閉包內(nèi)觸發(fā) onInterval。當(dāng) onInterval 觸發(fā)時，它就能夠訪問Leaker 對象中的任何實(shí)例變量（包括它自身）。但是，只要事件偵聽器存在，Leaker 對象就不會被垃圾回收。
要解決此問題，可在清空所存儲的 leaker 對象引用之前，觸發(fā)添加到該對象的 destroy 方法，方法是更新 Destroy 按鈕的單擊處理程序，如清單 5 所示。
清單 5. assets/scripts/main.js
$("#destroy_button").click(function(){
leak.destroy();
leak = null;
});
五、銷毀對象和對象所有權(quán)
一種不錯的做法是，創(chuàng)建一個標(biāo)準(zhǔn)方法來負(fù)責(zé)讓一個對象有資格被垃圾回收。destroy 功能的主要用途是，集中清理該對象完成的具有以下后果的操作的職責(zé)：
1、阻止它的引用計(jì)數(shù)下降到 0（例如，刪除存在問題的事件偵聽器和回調(diào)，并從任何服務(wù)取消注冊）。
2、使用不必要的 CPU 周期，比如間隔或動畫。
destroy 方法常常是清理一個對象的必要步驟，但在大多數(shù)情況下它還不夠。在理論上，在銷毀相關(guān)實(shí)例后，保留對已銷毀對象的引用的其他對象可調(diào)用自身之上的方法。因?yàn)檫@種情形可能會產(chǎn)生不可預(yù)測的結(jié)果，所以僅在對象即將無用時調(diào)用 destroy 方法，這至關(guān)重要。
一般而言，destroy 方法最佳使用是在一個對象有一個明確的所有者來負(fù)責(zé)它的生命周期時。此情形常常存在于分層系統(tǒng)中，比如 MVC 框架中的視圖或控制器，或者一個畫布呈現(xiàn)系統(tǒng)的場景圖。
六、內(nèi)存泄漏 2：控制臺日志
一種將對象保留在內(nèi)存中的不太明顯的方式是將它記錄到控制臺中。清單 6 更新了 Leaker 類，顯示了此方式的一個示例。
清單 6. assets/scripts/leaker.js
var Leaker = function(){};
Leaker.prototype = {
init:function(){
console.log("Leaking an object: %o", this);
},
destroy: function(){
}
};
可采取以下步驟來演示控制臺的影響。
- 登錄到索引頁面。
- 單擊 Start。
- 轉(zhuǎn)到控制臺并確認(rèn) Leaking 對象已被跟蹤。
- 單擊 Destroy。
- 回到控制臺并鍵入 leak，以記錄全局變量當(dāng)前的內(nèi)容。此刻該值應(yīng)為空。
- 獲取另一個堆快照并過濾 Leaker 對象。您應(yīng)留下一個 Leaker 對象。
- 回到控制臺并清除它。
- 創(chuàng)建另一個堆配置文件。在清理控制臺后，保留 leaker 的配置文件應(yīng)已清除。
控制臺日志記錄對總體內(nèi)存配置文件的影響可能是許多開發(fā)人員都未想到的極其重大的問題。記錄錯誤的對象可以將大量數(shù)據(jù)保留在內(nèi)存中。注意，這也適用于：
1）、在用戶鍵入 JavaScript 時，在控制臺中的一個交互式會話期間記錄的對象。
2）、由 console.log 和 console.dir 方法記錄的對象。
七、內(nèi)存泄漏 3：循環(huán)
在兩個對象彼此引用且彼此保留時，就會產(chǎn)生一個循環(huán)，如圖 4 所示。
圖 4. 創(chuàng)建一個循環(huán)的引用
該圖中的一個藍(lán)色 root 節(jié)點(diǎn)連接到兩個綠色框，顯示了它們之間的一個連接
清單 7 顯示了一個簡單的代碼示例。
清單 7. assets/scripts/leaker.js
var Leaker = function(){};
Leaker.prototype = {
init:function(name, parent){
this._name = name;
this._parent = parent;
this._child = null;
this.createChildren();
},
createChildren:function(){
if(this._parent !== null){
// Only create a child if this is the root
return;
}
this._child = new Leaker();
this._child.init("leaker 2", this);
},
destroy: function(){
}
};
Root 對象的實(shí)例化可以修改，如清單 8 所示。
清單 8. assets/scripts/main.js
leak = new Leaker();
leak.init("leaker 1", null);
如果在創(chuàng)建和銷毀對象后執(zhí)行一次堆分析，您應(yīng)該會看到垃圾收集器檢測到了這個循環(huán)引用，并在您選擇 Destroy 按鈕時釋放了內(nèi)存。
但是，如果引入了第三個保留該子對象的對象，該循環(huán)會導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。例如，創(chuàng)建一個 registry 對象，如清單 9 所示。
清單 9. assets/scripts/registry.js
var Registry = function(){};
Registry.prototype = {
init:function(){
this._subscribers = [];
},
add:function(subscriber){
if(this._subscribers.indexOf(subscriber) >= 0){
// Already registered so bail out
return;
}
this._subscribers.push(subscriber);
},
remove:function(subscriber){
if(this._subscribers.indexOf(subscriber) < 0){
// Not currently registered so bail out
return;
}
this._subscribers.splice(
this._subscribers.indexOf(subscriber), 1
);
}
};
registry 類是讓其他對象向它注冊，然后從注冊表中刪除自身的對象的簡單示例。盡管這個特殊的類與注冊表毫無關(guān)聯(lián)，但這是事件調(diào)度程序和通知系統(tǒng)中的一種常見模式。
將該類導(dǎo)入 index.html 頁面中，放在 leaker.js 之前，如清單 10 所示。
清單 10. index.html
<script src="assets/scripts/registry.js" type="text/javascript"
charset="utf-8"></script>
更新 Leaker 對象，以向注冊表對象注冊該對象本身（可能用于有關(guān)一些未實(shí)現(xiàn)事件的通知）。這創(chuàng)建了一個來自要保留的 leaker 子對象的 root 節(jié)點(diǎn)備用路徑，但由于該循環(huán)，父對象也將保留，如清單 11 所示。
清單 11. assets/scripts/leaker.js
var Leaker = function(){};
Leaker.prototype = {
init:function(name, parent, registry){
this._name = name;
this._registry = registry;
this._parent = parent;
this._child = null;
this.createChildren();
this.registerCallback();
},
createChildren:function(){
if(this._parent !== null){
// Only create child if this is the root
return;
}
this._child = new Leaker();
this._child.init("leaker 2", this, this._registry);
},
registerCallback:function(){
this._registry.add(this);
},
destroy: function(){
this._registry.remove(this);
}
};
最后，更新 main.js 以設(shè)置注冊表，并將對注冊表的一個引用傳遞給 leaker 父對象，如清單 12 所示。
清單 12. assets/scripts/main.js
$("#start_button").click(function(){
var leakExists = !(
window["leak"] === null || window["leak"] === undefined
);
if(leakExists){
return;
}
leak = new Leaker();
leak.init("leaker 1", null, registry);
});
$("#destroy_button").click(function(){
leak.destroy();
leak = null;
});
registry = new Registry();
registry.init();
現(xiàn)在，當(dāng)執(zhí)行堆分析時，您應(yīng)看到每次選擇 Start 按鈕時，會創(chuàng)建并保留 Leaker 對象的兩個新實(shí)例。圖 5 顯示了對象引用的流程。
圖 5. 由于保留引用導(dǎo)致的內(nèi)存泄漏
從表面上看，它像一個不自然的示例，但它實(shí)際上非常常見。更加經(jīng)典的面向?qū)ο罂蚣苤械氖录陕犉鞒３Ｗ裱愃茍D 5 的模式。這種類型的模式也可能與閉包和控制臺日志導(dǎo)致的問題相關(guān)聯(lián)。
盡管有多種方式來解決此類問題，但在此情況下，最簡單的方式是更新 Leaker 類，以在銷毀它時銷毀它的子對象。對于本示例，更新destroy 方法（如清單 13 所示）就足夠了。
清單 13. assets/scripts/leaker.js
destroy: function(){
if(this._child !== null){
this._child.destroy();
}
this._registry.remove(this);
}
有時，兩個沒有足夠緊密關(guān)系的對象之間也會存在循環(huán)，其中一個對象管理另一個對象的生命周期。在這樣的情況下，在這兩個對象之間建立關(guān)系的對象應(yīng)負(fù)責(zé)在自己被銷毀時中斷循環(huán)。
結(jié)束語
即使 JavaScript 已被垃圾回收，仍然會有許多方式會將不需要的對象保留在內(nèi)存中。目前大部分瀏覽器都已改進(jìn)了內(nèi)存清理功能，但評估您應(yīng)用程序內(nèi)存堆的工具仍然有限（除了使用 Google Chrome）。通過從簡單的測試案例開始，很容易評估潛在的泄漏行為并確定是否存在泄漏。
不經(jīng)過測試，就不可能準(zhǔn)確度量內(nèi)存使用。很容易使循環(huán)引用占據(jù)對象曲線圖中的大部分區(qū)域。Chrome 的 Heap Profiler 是一個診斷內(nèi)存問題的寶貴工具，在開發(fā)時定期使用它也是一個不錯的選擇。在預(yù)測對象曲線圖中要釋放的具體資源時請?jiān)O(shè)定具體的預(yù)期，然后進(jìn)行驗(yàn)證。任何時候當(dāng)您看到不想要的結(jié)果時，請仔細(xì)調(diào)查。
在創(chuàng)建對象時要計(jì)劃該對象的清理工作，這比在以后將一個清理階段移植到應(yīng)用程序中要容易得多。常常要計(jì)劃刪除事件偵聽器，并停止您創(chuàng)建的間隔。如果認(rèn)識到了您應(yīng)用程序中的內(nèi)存使用，您將得到更可靠且性能更高的應(yīng)用程序。
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