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JavaScript内存泄露的4种方式及如何避免

[日期:2016-05-27] 来源:涂鸦码龙  作者: [字体: ]

简介

内存泄露是每个开发者最终都要面对的问题,它是许多问题的根源:反应迟缓,崩溃,高延迟,以及其他应用问题。

什么是内存泄露?

本质上,内存泄露可以定义为:应用程序不再需要占用内存的时候,由于某些原因,内存没有被操作系统或可用内存池回收。编程语言管理内存的方式各不相 同。只有开发者最清楚哪些内存不需要了,操作系统可以回收。一些编程语言提供了语言特性,可以帮助开发者做此类事情。另一些则寄希望于开发者对内存是否需 要清晰明了。

JavaScript 内存管理

JavaScript 是一种垃圾回收语言。垃圾回收语言通过周期性地检查先前分配的内存是否可达,帮助开发者管理内存。换言之,垃圾回收语言减轻了“内存仍可用”及“内存仍可 达”的问题。两者的区别是微妙而重要的:仅有开发者了解哪些内存在将来仍会使用,而不可达内存通过算法确定和标记,适时被操作系统回收。

JavaScript 内存泄露

垃圾回收语言的内存泄露主因是不需要的引用。理解它之前,还需了解垃圾回收语言如何辨别内存的可达与不可达。

Mark-and-sweep

大部分垃圾回收语言用的算法称之为 Mark-and-sweep 。算法由以下几步组成:

  1. 垃圾回收器创建了一个“roots”列表。Roots 通常是代码中全局变量的引用。JavaScript 中,“window” 对象是一个全局变量,被当作 root 。window 对象总是存在,因此垃圾回收器可以检查它和它的所有子对象是否存在(即不是垃圾);

  2. 所有的 roots 被检查和标记为激活(即不是垃圾)。所有的子对象也被递归地检查。从 root 开始的所有对象如果是可达的,它就不被当作垃圾。

  3. 所有未被标记的内存会被当做垃圾,收集器现在可以释放内存,归还给操作系统了。

现代的垃圾回收器改良了算法,但是本质是相同的:可达内存被标记,其余的被当作垃圾回收。

不需要的引用是指开发者明知内存引用不再需要,却由于某些原因,它仍被留在激活的 root 树中。在 JavaScript 中,不需要的引用是保留在代码中的变量,它不再需要,却指向一块本该被释放的内存。有些人认为这是开发者的错误。

为了理解 JavaScript 中最常见的内存泄露,我们需要了解哪种方式的引用容易被遗忘。

三种类型的常见 JavaScript 内存泄露

1:意外的全局变量

JavaScript 处理未定义变量的方式比较宽松:未定义的变量会在全局对象创建一个新变量。在浏览器中,全局对象是 window 。

  1. function foo(arg) { 
  2.     bar = "this is a hidden global variable"

真相是:

  1. function foo(arg) { 
  2.     window.bar = "this is an explicit global variable"

函数 foo 内部忘记使用 var ,意外创建了一个全局变量。此例泄露了一个简单的字符串,无伤大雅,但是有更糟的情况。

另一种意外的全局变量可能由 this 创建:

  1. function foo() { 
  2.     this.variable = "potential accidental global"
  3.  
  4. // Foo 调用自己,this 指向了全局对象(window) 
  5. // 而不是 undefined 
  6. foo(); 

在 JavaScript 文件头部加上 'use strict',可以避免此类错误发生。启用严格模式解析 JavaScript ,避免意外的全局变量。

全局变量注意事项

尽管我们讨论了一些意外的全局变量,但是仍有一些明确的全局变量产生的垃圾。它们被定义为不可回收(除非定义为空或重新分配)。尤其当全局变量用于 临时存储和处理大量信息时,需要多加小心。如果必须使用全局变量存储大量数据时,确保用完以后把它设置为 null 或者重新定义。与全局变量相关的增加内存消耗的一个主因是缓存。缓存数据是为了重用,缓存必须有一个大小上限才有用。高内存消耗导致缓存突破上限,因为缓 存内容无法被回收。

2:被遗忘的计时器或回调函数

在 JavaScript 中使用 setInterval 非常平常。一段常见的代码:

  1. var someResource = getData(); 
  2. setInterval(function() { 
  3.     var node = document.getElementById('Node'); 
  4.     if(node) { 
  5.         // 处理 node 和 someResource 
  6.         node.innerHTML = JSON.stringify(someResource)); 
  7.     } 
  8. }, 1000); 

此例说明了什么:与节点或数据关联的计时器不再需要,node 对象可以删除,整个回调函数也不需要了。可是,计时器回调函数仍然没被回收(计时器停止才会被回收)。同时,someResource 如果存储了大量的数据,也是无法被回收的。

对于观察者的例子,一旦它们不再需要(或者关联的对象变成不可达),明确地移除它们非常重要。老的 IE 6 是无法处理循环引用的。如今,即使没有明确移除它们,一旦观察者对象变成不可达,大部分浏览器是可以回收观察者处理函数的。

观察者代码示例:

  1. var element = document.getElementById('button'); 
  2. function onClick(event) { 
  3.     element.innerHTML = 'text'
  4.  
  5. element.addEventListener('click', onClick); 

对象观察者和循环引用注意事项

老版本的 IE 是无法检测 DOM 节点与 JavaScript 代码之间的循环引用,会导致内存泄露。如今,现代的浏览器(包括 IE 和 Microsoft Edge)使用了更先进的垃圾回收算法,已经可以正确检测和处理循环引用了。换言之,回收节点内存时,不必非要调用 removeEventListener 了。

3:脱离 DOM 的引用

有时,保存 DOM 节点内部数据结构很有用。假如你想快速更新表格的几行内容,把每一行 DOM 存成字典(JSON 键值对)或者数组很有意义。此时,同样的 DOM 元素存在两个引用:一个在 DOM 树中,另一个在字典中。将来你决定删除这些行时,需要把两个引用都清除。

  1. var elements = { 
  2.     button: document.getElementById('button'), 
  3.     image: document.getElementById('image'), 
  4.     text: document.getElementById('text'
  5. }; 
  6.  
  7. function doStuff() { 
  8.     image.src = 'http://some.url/image'
  9.     button.click(); 
  10.     console.log(text.innerHTML); 
  11.     // 更多逻辑 
  12.  
  13. function removeButton() { 
  14.     // 按钮是 body 的后代元素 
  15.     document.body.removeChild(document.getElementById('button')); 
  16.  
  17.     // 此时,仍旧存在一个全局的 #button 的引用 
  18.     // elements 字典。button 元素仍旧在内存中,不能被 GC 回收。 

此外还要考虑 DOM 树内部或子节点的引用问题。假如你的 JavaScript 代码中保存了表格某一个 <td> 的引用。将来决定删除整个表格的时候,直觉认为 GC 会回收除了已保存的 <td> 以外的其它节点。实际情况并非如此:此<td> 是表格的子节点,子元素与父元素是引用关系。由于代码保留了 <td> 的引用,导致整个表格仍待在内存中。保存 DOM 元素引用的时候,要小心谨慎。

4:闭包

闭包是 JavaScript 开发的一个关键方面:匿名函数可以访问父级作用域的变量。

代码示例:

  1. var theThing = null
  2. var replaceThing = function () { 
  3.   var originalThing = theThing; 
  4.   var unused = function () { 
  5.     if (originalThing) 
  6.       console.log("hi"); 
  7.   }; 
  8.  
  9.   theThing = { 
  10.     longStr: new Array(1000000).join('*'), 
  11.     someMethod: function () { 
  12.       console.log(someMessage); 
  13.     } 
  14.   }; 
  15. }; 
  16.  
  17. setInterval(replaceThing, 1000); 

代码片段做了一件事情:每次调用 replaceThing ,theThing 得到一个包含一个大数组和一个新闭包(someMethod)的新对象。同时,变量 unused 是一个引用 originalThing 的闭包(先前的 replaceThing 又调用了 theThing )。思绪混乱了吗?最重要的事情是,闭包的作用域一旦创建,它们有同样的父级作用域,作用域是共享的。someMethod 可以通过 theThing 使用,someMethod 与 unused 分享闭包作用域,尽管 unused从未使用,它引用的 originalThing 迫使它保留在内存中(防止被回收)。当这段代码反复运行,就会看到内存占用不断上升,垃圾回收器(GC)并无法降低内存占用。本质上,闭包的链表已经创建,每一个闭包作用域携带一个指向大数组的间接的引用,造成严重的内存泄露。

Meteor 的博文 解释了如何修复此种问题。在 replaceThing 的最后添加 originalThing = null 。

Chrome 内存剖析工具概览

Chrome 提供了一套很棒的检测 JavaScript 内存占用的工具。与内存相关的两个重要的工具:timeline 和 profiles

Timeline

JavaScript

timeline 可以检测代码中不需要的内存。在此截图中,我们可以看到潜在的泄露对象稳定的增长,数据采集快结束时,内存占用明显高于采集初期,Node(节点)的总量也很高。种种迹象表明,代码中存在 DOM 节点泄露的情况。

Profiles

附图2

Profiles 是你可以花费大量时间关注的工具,它可以保存快照,对比 JavaScript 代码内存使用的不同快照,也可以记录时间分配。每一次结果包含不同类型的列表,与内存泄露相关的有 summary(概要) 列表和 comparison(对照) 列表。

summary(概要) 列表展示了不同类型对象的分配及合计大小:shallow size(特定类型的所有对象的总大小),retained size(shallow size 加上其它与此关联的对象大小)。它还提供了一个概念,一个对象与关联的 GC root 的距离。

对比不同的快照的 comparison list 可以发现内存泄露。

实例:使用 Chrome 发现内存泄露

实质上有两种类型的泄露:周期性的内存增长导致的泄露,以及偶现的内存泄露。显而易见,周期性的内存泄露很容易发现;偶现的泄露比较棘手,一般容易被忽视,偶尔发生一次可能被认为是优化问题,周期性发生的则被认为是必须解决的 bug。

以 Chrome 文档中的代码为例:

  1. var x = []; 
  2.  
  3. function createSomeNodes() { 
  4.     var div, 
  5.         i = 100
  6.         frag = document.createDocumentFragment(); 
  7.  
  8.     for (;i > 0; i--) { 
  9.         div = document.createElement("div"); 
  10.         div.appendChild(document.createTextNode(i + " - "new Date().toTimeString())); 
  11.         frag.appendChild(div); 
  12.     } 
  13.  
  14.     document.getElementById("nodes").appendChild(frag); 
  15.  
  16. function grow() { 
  17.     x.push(new Array(1000000).join('x')); 
  18.     createSomeNodes(); 
  19.     setTimeout(grow,1000); 

当 grow 执行的时候,开始创建 div 节点并插入到 DOM 中,并且给全局变量分配一个巨大的数组。通过以上提到的工具可以检测到内存稳定上升。

找出周期性增长的内存

timeline 标签擅长做这些。在 Chrome 中打开例子,打开 Dev Tools ,切换到 timeline,勾选 memory 并点击记录按钮,然后点击页面上的 The Button 按钮。过一阵停止记录看结果:

附图3

两种迹象显示出现了内存泄露,图中的 Nodes(绿线)和 JS heap(蓝线)。Nodes 稳定增长,并未下降,这是个显著的信号。

JS heap 的内存占用也是稳定增长。由于垃圾收集器的影响,并不那么容易发现。图中显示内存占用忽涨忽跌,实际上每一次下跌之后,JS heap 的大小都比原先大了。换言之,尽管垃圾收集器不断的收集内存,内存还是周期性的泄露了。

确定存在内存泄露之后,我们找找根源所在。

保存两个快照

切换到 Chrome Dev Tools 的 profiles 标签,刷新页面,等页面刷新完成之后,点击 Take Heap Snapshot 保存快照作为基准。而后再次点击 The Button 按钮,等数秒以后,保存第二个快照。

附图4

筛选菜单选择 Summary,右侧选择 Objects allocated between Snapshot 1 and Snapshot 2,或者筛选菜单选择 Comparison ,然后可以看到一个对比列表。

此例很容易找到内存泄露,看下 (string) 的 Size Delta Constructor,8MB,58个新对象。新对象被分配,但是没有释放,占用了8MB。

如果展开 (string) Constructor,会看到许多单独的内存分配。选择某一个单独的分配,下面的 retainers 会吸引我们的注意。

附图5

我们已选择的分配是数组的一部分,数组关联到 window 对象的 x 变量。这里展示了从巨大对象到无法回收的 root(window)的完整路径。我们已经找到了潜在的泄露以及它的出处。

我们的例子还算简单,只泄露了少量的 DOM 节点,利用以上提到的快照很容易发现。对于更大型的网站,Chrome 还提供了 Record Heap Allocations 功能。

Record heap allocations 找内存泄露

回到 Chrome Dev Tools 的 profiles 标签,点击 Record Heap Allocations。工具运行的时候,注意顶部的蓝条,代表了内存分配,每一秒有大量的内存分配。运行几秒以后停止。

附图6

上图中可以看到工具的杀手锏:选择某一条时间线,可以看到这个时间段的内存分配情况。尽可能选择接近峰值的时间线,下面的列表仅显示了三种 constructor:其一是泄露最严重的(string),下一个是关联的 DOM 分配,最后一个是 Text constructor(DOM 叶子节点包含的文本)。

从列表中选择一个 HTMLDivElement constructor,然后选择 Allocation stack

附图7

现在知道元素被分配到哪里了吧(grow -> createSomeNodes),仔细观察一下图中的时间线,发现 HTMLDivElement constructor 调用了许多次,意味着内存一直被占用,无法被 GC 回收,我们知道了这些对象被分配的确切位置(createSomeNodes)。回到代码本身,探讨下如何修复内存泄露吧。

另一个有用的特性

在 heap allocations 的结果区域,选择 Allocation。

附图8

这个视图呈现了内存分配相关的功能列表,我们立刻看到了 grow 和 createSomeNodes。当选择 grow 时,看看相关的 object constructor,清楚地看到 (string)HTMLDivElement 和 Text 泄露了。

结合以上提到的工具,可以轻松找到内存泄露。





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