JavaScript 記憶體外洩的4種方式及如何避免詳細介紹

本文將探索常見的客戶端 JavaScript 記憶體洩露，以及如何使用 Chrome 開發工具發現問題。

簡介

記憶體外洩是每個開發者最終都要面對的問題，它是許多問題的根源：反應遲緩，崩潰，高延遲，以及其他應用問題。

什麼是記憶體外洩？

本質上，記憶體外洩可以定義為：應用程式不再需要佔用記憶體的時候，由於某些原因，記憶體沒有被作業系統或可用記憶體池回收。程式語言管理記憶體的方式各不相同。只有開發者最清楚哪些記憶體不需要了，作業系統可以回收。一些程式語言提供了語言特性，可以幫助開發者做這類事情。另一些則寄望於開發者對記憶體是否需要清晰明了。

JavaScript 記憶體管理

JavaScript 是一種垃圾回收語言。垃圾回收語言透過週期性地檢查先前分配的記憶體是否可達，幫助開發者管理記憶體。換言之，垃圾回收語言減輕了「記憶體仍可使用」及「記憶體仍可達」的問題。兩者的差異是微妙而重要的：僅有開發者了解哪些內存在將來仍會使用，而不可達記憶體透過演算法確定和標記，適時被作業系統回收。

JavaScript 記憶體外洩

垃圾回收語言的記憶體外洩主因是不需要的引用。在理解它之前，還需了解垃圾回收語言如何辨別記憶體的可達與不可達。

Mark-and-sweep

大部分垃圾回收語言用的演算法稱為 Mark-and-sweep 。演算法由以下幾個步驟組成：

1. 垃圾回收器建立了一個「roots」清單。 Roots 通常是程式碼中全域變數的引用。 JavaScript 中，「window」 物件是一個全域變量，被當作 root 。 window 物件總是存在，因此垃圾回收器可以檢查它和它的所有子物件是否存在（即不是垃圾）；

2. 所有的roots 被檢查和標記為啟動（即不是垃圾）。所有的子物件也被遞歸地檢查。從 root 開始的所有物件如果是可達的，它就不會被當作垃圾。

3. 所有未被標記的記憶體會被當作垃圾，收集器現在可以釋放內存，歸還給作業系統了。

現代的垃圾回收器改良了演算法，但是本質是相同的：可達記憶體被標記，其餘的被當作垃圾回收。

不需要的引用是指開發者明知記憶體引用不再需要，卻由於某些原因，它仍被留在激活的 root 樹中。在 JavaScript 中，不需要的引用是保留在程式碼中的變量，它不再需要，卻指向一塊本該被釋放的記憶體。有些人認為這是開發者的錯誤。

為了理解 JavaScript 中最常見的記憶體洩露，我們需要了解哪種方式的引用容易被遺忘。

三種類型的常見JavaScript 記憶體外洩

1：意外的全域變數

JavaScript 處理未定義變數的方式比較寬鬆：未定義的變數會在全域對象建立一個新變數。在瀏覽器中，全域物件是 window 。

function foo(arg) {
    bar = "this is a hidden global variable";
}

真相是：

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

函數 foo 內部忘記使用 var ，意外創造了一個全域變數。此例洩漏了一個簡單的字串，無傷大雅，但是有更糟的情況。

另一個意外的全域變數可能由 this 建立：

function foo() {
    this.variable = "potential accidental global";
}

// Foo 调用自己，this 指向了全局对象（window）
// 而不是 undefined
foo();

在JavaScript 檔案頭加上 'use strict'，可以避免此類錯誤發生。啟用嚴格模式解析 JavaScript ，避免意外的全域變數。

全域變數注意事項

儘管我們討論了一些意外的全域變量，但是仍有一些明確的全域變數產生的垃圾。它們被定義為不可回收（除非定義為空或重新分配）。尤其當全域變數用於暫時儲存和處理大量資訊時，需要多加小心。如果必須使用全域變數儲存大量資料時，請確保用完以後把它設為 null 或重新定義。與全域變數相關的增加記憶體消耗的一個主要原因是快取。快取資料是為了重複使用，快取必須有一個大小上限才有用。高記憶體消耗導致快取突破上限，因為快取內容無法被回收。

2：被遺忘的計時器或回呼函數

在 JavaScript 使用 setInterval 非常平常。一段常見的程式碼：

var someResource = getData();
setInterval(function() {
    var node = document.getElementById('Node');
    if(node) {
        // 处理 node 和 someResource
        node.innerHTML = JSON.stringify(someResource));
    }
}, 1000);

此範例說明了什麼：與節點或資料關聯的計時器不再需要，node 物件可以刪除，整個回呼函數也不需要了。可是，計時器回呼函數仍然沒被回收（計時器停止才會被回收）。同時，someResource 如果儲存了大量的數據，也是無法被回收的。

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：

var element = document.getElementById('button');
function onClick(event) {
    element.innerHTML = 'text';
}

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。

var elements = {
    button: document.getElementById('button'),
    image: document.getElementById('image'),
    text: document.getElementById('text')
};

function doStuff() {
    image.src = 'http://some.url/image';
    button.click();
    console.log(text.innerHTML);
    // 更多逻辑
}

function removeButton() {
    // 按钮是 body 的后代元素
    document.body.removeChild(document.getElementById('button'));

    // 此时，仍旧存在一个全局的 #button 的引用
    // 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 <code><td> 以外的其它节点。实际情况并非如此：此<code><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 <code><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。<h2>4：<span class="wp_keywordlink">闭包</span> </h2> <p>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。</p> <p>代码示例：</p><pre class="brush:js;toolbar:false;">var theThing = null; var replaceThing = function () { var originalThing = theThing; var unused = function () { if (originalThing) console.log(&quot;hi&quot;); }; theThing = { longStr: new Array(1000000).join(&amp;#39;*&amp;#39;), someMethod: function () { console.log(someMessage); } }; }; setInterval(replaceThing, 1000);</pre><p>代码片段做了一件事情：每次调用 <code>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

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

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：

var x = [];

function createSomeNodes() {
    var p,
        i = 100,
        frag = document.createDocumentFragment();

    for (;i > 0; i--) {
        p = document.createElement("p");
        p.appendChild(document.createTextNode(i + " - "+ new Date().toTimeString()));
        frag.appendChild(p);
    }

    document.getElementById("nodes").appendChild(frag);
}

function grow() {
    x.push(new Array(1000000).join('x'));
    createSomeNodes();
    setTimeout(grow,1000);
}

当 grow 执行的时候，开始创建 p 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：

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。

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。

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。

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 HTMLpElement constructor，然后选择 Allocation stack。

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 HTMLpElement 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。

這個視圖呈現了記憶體分配相關的功能列表，我們立刻看到了 grow 和 createSomeNodes。當選擇 grow 時，請看看相關的 object constructor，清楚地看到 (string), HTMLpElement 和 Text 洩漏了。

結合以上提到的工具，可以輕鬆找到記憶體外洩。

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