浏览器的垃圾回收机制

1. 垃圾回收的背景与意义

在现代编程语言中，内存管理是一个核心问题。手动管理内存（如C/C++中的malloc和free）容易导致内存泄漏或野指针等问题。为了解决这些问题，高级语言（如JavaScript）引入了自动垃圾回收机制，由宿主环境（如浏览器引擎）自动管理内存的分配和释放，使开发者可以更专注于业务的开发。

浏览器的垃圾回收机制的目标是：

  • 自动回收不再使用的内存 ，防止内存泄漏。

  • 优化内存使用 ，提高程序性能。

  • 减少开发者的负担 ，让开发者专注于业务逻辑。

2. 内存分配与回收的基本原理

2.1 内存分配

当程序创建对象、字符串、数组等数据结构时，浏览器会从堆内存（Heap）中分配一块内存。堆内存是一个动态区域，用于存储程序运行时创建的所有对象。

2.2 内存回收

当对象不再被程序使用时，垃圾回收器会将其占用的内存标记为“可回收”，因为其开销比较大并且GC时停止响应其他操作，所以垃圾回收器会并在适当的时机释放这块内存。

2.3 关键问题：如何判断对象是否“不再使用”？

这是垃圾回收的核心问题。浏览器通过以下两种主要策略来判断对象是否可以被回收：

  1. 引用计数 ：通过统计对象的引用次数来判断。

  2. 标记清除 ：通过从根对象出发，遍历所有可达对象来判断。

3. 引用计数算法

3.1 原理

每个对象维护一个引用计数，记录有多少变量或属性引用了它。当引用计数为0时，对象被视为“垃圾”，可以被回收。

3.2 示例

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let a = { name: "Wang" }; // 对象 { name: "Wang" } 的引用计数为 1
  let b = a;                 // 引用计数增加到 2
  a = null;                  // 引用计数减少到 1
  b = null;                  // 引用计数减少到 0，对象可以被回收

3.3 优点

  • 简单高效 ：引用计数的增减操作非常快。

  • 实时性 ：对象一旦不再被引用，可以立即被回收。

3.4 缺点

  • 循环引用问题 ：如果两个对象互相引用，即使它们不再被程序使用，引用计数也不会降为0，导致内存泄漏。
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let a = { name: "Wang" };
let b = { name: "Zhang" };
a.friend = b;
b.friend = a;
a = null;
b = null;
// 此时，a 和 b 互相引用，引用计数不为0，无法被回收

由于循环引用问题，现代浏览器主要使用标记清除 算法。

4. 标记清除

4.1 原理

从一组根对象（Roots）出发，遍历所有可达的对象，未被遍历到的对象被视为“垃圾”。

4.2 根对象包括

  • 全局对象 （如window）。

  • 当前执行栈中的变量 （如局部变量、函数参数）。

  • DOM树中的引用 。

4.3 示例

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let a = { name: "Wang" };
let b = { name: "Zhang" };
a.friend = b;
b = null;
// 此时，a 仍然可以通过 window.a 访问，因此 a 和 a.friend 都是可达的

4.4 优点

  • 可以处理循环引用 ：即使对象之间互相引用，只要它们不可达，就会被回收。

4.5 缺点

  • 需要暂停程序 ：在遍历过程中，程序需要暂停，可能导致性能问题。

5. 现代浏览器的垃圾回收策略

现代浏览器（如Chrome的V8引擎）采用分代回收 策略，将内存分为新生代和老生代，针对不同区域使用不同的回收算法。

5.1 新生代（Young Generation）

  • 特点 ：存放生命周期短的对象（如局部变量）。

  • 算法 ：Scavenge算法（一种复制算法）。

    • 将内存分为两个区域：From空间和To空间。

    • 新对象分配在From空间，当From空间满时，将存活对象复制到To空间。

    • 交换From和To空间，清空旧的From空间。

  • 优点 ：速度快，适合频繁回收。

  • 缺点 ：内存利用率较低（只有一半内存可用）。

5.2 老生代（Old Generation）

  • 特点 ：存放生命周期长的对象（如全局变量、闭包引用的变量）。

  • 算法 ：标记-清除（Mark-and-Sweep）和标记-整理（Mark-and-Compact）。

    • 标记-清除 ：标记所有可达对象，清除未标记的对象。

    • 标记-整理 ：在清除后，将存活对象移动到内存的一端，减少内存碎片。

  • 优点 ：内存利用率高。

  • 缺点 ：速度较慢，可能引起程序暂停。

5.3 增量标记与懒性清理

为了减少垃圾回收对程序的影响，V8引擎引入了以下优化：

  • 增量标记（Incremental Marking） ：将标记过程分为多个小步骤，穿插在程序执行中。

  • 懒性清理（Lazy Sweeping） ：延迟清理过程，直到需要时再进行。

6. 内存泄漏与优化

尽管有垃圾回收机制，内存泄漏仍可能发生。常见的内存泄漏场景包括：

  1. 意外的全局变量 ：
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function foo() {
  bar = "This is a global variable"; // 未使用 var/let/const，bar 成为全局变量
}
  1. 未清理的定时器或回调函数 ：
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let data = getData();
setInterval(() => {
    console.log(data);
}, 1000);
// 即使不再需要 data，定时器仍然持有引用
  1. 未释放的DOM引用 ：
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let element = document.getElementById("myElement");
element.remove(); // 从DOM中移除
// 如果仍然持有 element 的引用，DOM节点无法被回收

优化建议

  • 使用WeakMap和WeakSet(本篇不做赘述，没了解过的可以去看看)，因为它们对键的引用是弱引用，不会阻止垃圾回收。

  • 及时清理不再需要的引用（如定时器、事件监听器）。

  • 使用开发者工具（如Chrome DevTools）分析内存使用情况，检测内存泄漏。