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  • JavaScript 执行环境、作用域、内存管理及垃圾回收机制

    前言

    JavaScript具有自动垃圾收集机制,也就是说,执行环境会负责管理代码执行过程中使用的内存。

    [原理]找出那些不再继续使用的变量,然后释放其占用的内存。为此,垃圾收集器会按照固定的时间间隔(或代码执行中预定的收集时间),周期性地执行这一操作。

    在学习垃圾回收机制之前让我们先来学习下执行环境及作用域

    执行环境

    执行环境定义了变量或函数有权访问的其他数据,决定了它们各自的行为。每个执行环境都有一个与之关联的变量对象(variable object),环境中定义的所有变量和函数都保存在这个对象中。虽然我们编写的代码无法访问这个对象,但解析器在处理数据时会在后台使用它。

    【类型】
    全局和局部(函数)

    【全局执行环境】
    [1]最外围的一个执行环境
    [2]根据宿主环境不同表示执行环境的对象也不一样。在Web浏览器中,全局执行环境被认为是window对象
    [3]全局变量和函数都是作为window对象的属性和方法创建的
    [4] 某个执行环境中的所有代码执行完毕后,该环境被销毁,保存在其中的所有变量和函数定义也随之销毁(全局执行环境直到应用程序退 出——例如关闭网页或浏览器——时才会被销毁)

    【环境栈】
    每个函数都有自己的执行环境。当执行流进入一个函数时,函数的环境就会被推入一个环境栈中。而在函数执行之后,栈将其环境弹出,把控制权返回给之前的执行环境。ECMAScript程序中的执行流正是由这个方便的机制控制着。

    作用域链(scope chain)

    作用域链的用途,是保证对执行环境有权访问的所有变量和函数的有序访问。

    1、作用域链的前端,始终都是当前执行的代码所在环境的变量对象。

    2、全局执行环境的变量对象始终都是作用域链中的最后一个对象。

    3、标识符解析是沿着作用域链一级一级地搜索标识符的过程。搜索过程始终从作用域链的前端开始,然后逐级地向后回溯,直至找到标识符为止(如果找不到标识符,通常会导致错误发生)。

    4、内部环境可以通过作用域链访问所有的外部环境,但外部环境不能访问内部环境中的任何变量和函数。(但是闭包可以解决这个问题)

    [注意]函数参数也被当作变量来对待,因此其访问规则与执行环境中的其他变量相同。

    【活动对象(activation object)】
    作用域链的前端,始终都是当前执行的代码所在环境的变量对象。如果这个环境是函数,则将其活动对象(activation object)作为变量对象。活动对象在最开始时只包含一个变量,即arguments对象(这个对象在全局环境中是不存在的)。

    延长作用域链

    1、try-catch语句的catch块
    2、with语句

    这两个语句都会在作用域链的前端添加一个变量对象。对with语句来说,会将指定的对象添加到作用域链中。对catch语句来说,会创建一个新的变量对象,其中包含的是被抛出的错误对象的声明。

    function buildUrl() {
        var qs = "?debug=true";
    
        with(location){
            var url = href + qs;
        }
    
        return url;
    }
    

    在此,with语句接收的是location对象,因此其变量对象中就包含了location对象的所有属性和方法,而这个变量对象被添加到了作用域链的前端。buildUrl()函数中定义了一个变量qs。当在with语句中引用变量href时(实际引用的是location.href),可以在当前执行环境的变量对象中找到。当引用变量qs时,引用的则是在buildUrl()中定义的那个变量,而该变量位于函数环境的变量对象中。至于with语句内部,则定义了一个名为url的变量,因而url就成了函数执行环境的一部分,所以可以作为函数的值被返回。

    [注意]在IE8及之前版本的JavaScript实现中,存在一个与标准不一致的地方,即在catch语句中捕获的错误对象会被添加到执行环境的变量对象,而不是catch语句的变量对象中。换句话说,即使是在catch块的外部也可以访问到错误对象。IE9修复了这个问题。

    没有块级作用域

    if (true) {
        var color = "blue";
    }
    
    alert(color);    //"blue"
    

    这里是在一个if语句中定义了变量color。如果是在C、C++或Java中,color会在if语句执行完毕后被销毁。但在JavaScript中,if语句中的变量声明会将变量添加到当前的执行环境(在这里是全局环境)中。

    for (var i=0; i < 10; i++){
        doSomething(i);
    }
    
    alert(i);      //10
    

    对于有块级作用域的语言来说,for语句初始化变量的表达式所定义的变量,只会存在于循环的环境之中。而对于JavaScript来说,由for语句创建的变量i即使在for循环执行结束后,也依旧会存在于循环外部的执行环境中。

    【声明变量】
    使用var声明的变量会自动被添加到最接近的环境中。在函数内部,最接近的环境就是函数的局部环境;在with语句中,最接近的环境是函数环境。如果初始化变量时没有使用var声明,该变量会自动被添加到全局环境。

    function add(num1, num2) {
        sum = num1 + num2;
        return sum;
    }
    
    var result = add(10, 20);    //30
    alert(sum);                  //30
    

    这个例子中的变量sum在被初始化赋值时没有使用var关键字。于是,当调用完add()之后,添加到全局环境中的变量sum将继续存在;即使函数已经执行完毕,后面的代码依旧可以访问它。

    【查询标识符】
    当在某个环境中为了读取或写入而引用一个标识符时,必须通过搜索来确定该标识符实际代表什么。搜索过程从作用域链的前端开始,向上逐级查询与给定名字匹配的标识符。如果在局部环境中找到了该标识符,搜索过程停止,变量就绪。如果在局部环境中没有找到该变量名,则继续沿作用域链向上搜索。搜索过程将一直追溯到全局环境的变量对象。如果在全局环境中也没有找到这个标识符,则意味着该变量尚未声明。

    var color = "blue";
    
    function getColor(){
        return color;
    }
    
    alert(getColor());  //"blue"
    

    [注意]变量查询也不是没有代价的。很明显,访问局部变量要比访问全局变量更快,因为不用向上搜索作用域链。JavaScript引擎在优化标识符查询方面做得不错,因此这个差别在将来恐怕就可以忽略不计了。

    垃圾收集

    JavaScript具有自动垃圾收集机制,也就是说,执行环境会负责管理代码执行过程中使用的内存。

    局部变量只在函数执行的过程中存在。而在这个过程中,会为局部变量在栈(或堆)内存上分配相应的空间,以便存储它们的值。然后在函数中使用这些变量,直至函数执行结束。此时,局部变量就没有存在的必要了,因此可以释放它们的内存以供将来使用。

    垃圾收集器必须跟踪哪个变量有用哪个变量没用,对于不再有用的变量打上标记,以备将来收回其占用的内存。用于标识无用变量的策略可能会因实现而异,但具体到浏览器中的实现,则通常有两个策略。

    标记清除

    JavaScript中最常用的垃圾收集方式是标记清除(mark-and-sweep)。当变量进入环境(例如,在函数中声明一个变量)时,就将这个变量标记为“进入环境”。从逻辑上讲,永远不能释放进入环境的变量所占用的内存,因为只要执行流进入相应的环境,就可能会用到它们。而当变量离开环境时,则将其标记为“离开环境”。最后,垃圾收集器完成内存清除工作,销毁那些带标记的值并回收它们所占用的内存空间。

    [注意]实际的实现过程远比这个复杂,这里只是简述一个工作流程,让我们能更清晰的理解这个过程
    [注意]到2008年为止,IE、Firefox、Opera、Chrome和Safari的JavaScript实现使用的都是标记清除式的垃圾收集策略(或类似的策略),只不过垃圾收集的时间间隔互有不同。

    引用计数

    另一种不太常见的垃圾收集策略叫做引用计数(reference counting)。引用计数的含义是跟踪记录每个值被引用的次数。当声明了一个变量并将一个引用类型值赋给该变量时,则这个值的引用次数就是1。如果同一个值又被赋给另一个变量,则该值的引用次数加1。相反,如果包含对这个值引用的变量又取得了另外一个值,则这个值的引用次数减1。当这个值的引用次数变成0时,则说明没有办法再访问这个值了,因而就可以将其占用的内存空间回收回来。这样,当垃圾收集器下次再运行时,它就会释放那些引用次数为零的值所占用的内存。

    [注意]由于未能很好解决循环引用的问题,很快引用计数的方式被淘汰了。

    但是为什么还要提及它呢。因为IE(<=IE8)中有一部分对象并不是原生JavaScript对象。例如,其BOM和DOM中的对象就是使用C++以COM(Component Object Model,组件对象模型)对象的形式实现的,而COM对象的垃圾收集机制采用的就是引用计数策略。因此,即使IE的JavaScript引擎是使用标记清除策略来实现的,但JavaScript访问的COM对象依然是基于引用计数策略的。

    var element = document.getElementById("some_element");
    var myObject = new Object();
    myObject.element = element;
    element.someObject = myObject;
    

    这个例子在一个DOM元素(element)与一个原生JavaScript对象(myObject)之间创建了循环引用。其中,变量myObject有一个名为element的属性指向element对象;而变量element也有一个属性名叫someObject回指myObject。由于存在这个循环引用,即使将例子中的DOM从页面中移除,它也永远不会被回收。

    所以碰到这种情况,我们只能手动来解除这种关系

    myObject.element = null;
    element.someObject = null;
    

    将变量设置为null意味着切断变量与它此前引用的值之间的连接。当垃圾收集器下次运行时,就会删除这些值并回收它们占用的内存。

    性能问题

    IE6垃圾回收触发条件:256个变量、4096个对象(或数组)字面量和数组元素(slot)或者64KB的字符串。达到上述任何一个临界值,垃圾收集器就会运行。

    如果一个脚本中包含那么多变量,那么该脚本很可能会在其生命周期中一直保有那么多的变量。而这样一来,垃圾收集器就不得不频繁地运行。结果,由此引发的严重性能问题促使IE7重写了其垃圾收集例程。

    IE7垃圾回收机制:触发垃圾收集的变量分配、字面量和(或)数组元素的临界值被调整为动态修正。IE7中的各项临界值在初始时与IE6相等。如果垃圾收集例程回收的内存分配量低于15%,则变量、字面量和(或)数组元素的临界值就会加倍。如果例程回收了85%的内存分配量,则将各种临界值重置回默认值。这一看似简单的调整,极大地提升了IE在运行包含大量JavaScript的页面时的性能。

    在IE中,调用window.CollectGarbage()方法会立即执行垃圾收集。在Opera 7及更高版本中,调用window.opera.collect()也会启动垃圾收集例程。

    小结

    通过本文,我们学习了JavaScript执行环境,作用域链,垃圾回收机制的两种方式:标记清楚,应用计数。以及最后了解了下IE中的垃圾回收的性能问题。

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