当前位置：首页 > news >正文

浏览器工作原理与实践-12|栈空间和堆空间：数据是如何存储的

news 2024/12/24 5:23:48

12|栈空间和堆控件：数据是如何存储的

JavaScript内存机制

function foo(){var a = 1var b = aa = 2console.log(a) // 2console.log(b) // 2
}
foo()function foo(){var a = {name:"极客时间"}var b = aa.name = "极客邦"console.log(a) // {name:"极客邦"}console.log(b) // {name:"极客邦"}
}
foo()

JavaScript是什么类型的语言

int main()
{int a = 1;char* b = "极客时间";bool c = true;return 0;
}

上述代码声明变量的特点是：在声明变量之前需要先定义变量类型。我们把这种在使用之前就需要确认其变量数据类型的称为静态语言。

我们把在运行过程中需要检查数据类型的语言称为动态语言

c 语言中，我们可以把其他类型数据赋予给个声明好的变量，如：

c = a

nt 型的变量 a 赋值给了 bool 型的变量 c，这段代码也是可以编译执行的，因为在赋值过程中，C 编译器会把 int 型的变量悄悄转换为 bool 型的变量，我们通常把这种偷偷转换的操作称为隐式类型转换。而支持隐式类型转换的语言称为弱类型语言，不支持隐式类型转换的语言称为强类型语言。在这点上，C 和 JavaScript 都是弱类型语言。

语言类型图

JavaScript的数据类型

JavaScript 是一种弱类型的、动态的语言

弱类型，意味着你不需要告诉 JavaScript 引擎这个或那个变量是什么数据类型，JavaScript 引擎在运行代码的时候自己会计算出来。
动态，意味着你可以使用同一个变量保存不同类型的数据。

var bar
bar = 12
bar = "极客时间"
bar = true
bar = null
bar = {name:"极客时间"}

typeof查看基础类型

var bar
console.log(typeof bar) //undefined
bar = 12
console.log(typeof bar) //number
bar = "极客时间"
console.log(typeof bar) //string
bar = true
console.log(typeof bar) //boolean
bar = null
console.log(typeof bar) //object
bar = {name:"极客时间"}
console.log(typeof bar) //object

JavaScript数据类型

在这里插入图片描述

内存空间

JavaScript内存模型

栈空间和堆空间

function foo(){var a = "极客时间"var b = avar c = {name:"极客时间"}var d = c
}
foo()

调用栈状态
执行第 4 行代码，由于 JavaScript 引擎判断右边的值是一个引用类型，这时候处理的情况就不一样了，JavaScript 引擎并不是直接将该对象存放到变量环境中，而是将它分配到堆空间里面，分配后该对象会有一个在“堆”中的地址，然后再将该数据的地址写进 c 的变量值，最终分配好内存的示意图如下所示：

对象类型堆存储
原始类型的数据值都是直接保存在“栈”中的，引用类型的值是存放在“堆”中的。

在这里插入图片描述
通常情况下，栈空间都不会设置太大，主要用来存放一些原始类型的小数据。而引用类型的数据占用的空间都比较大，所以这一类数据会被存放到堆中，堆空间很大，能存放很多大的数据

JavaScript 中，赋值操作和其他语言有很大的不同，原始类型的赋值会完整复制变量
值，而引用类型的赋值是复制引用地址。

引用赋值

再谈闭包

function foo() {var myName = "极客时间"let test1 = 1const test2 = 2var innerBar = {setName:function(newName){myName = newName},getName:function(){console.log(test1)return myName}}return innerBar
}
var bar = foo()
bar.setName("极客邦")
bar.getName()
console.log(bar.getName())


VM785:10 1
VM785:10 1
VM785:19 极客邦

闭包产生过程
当执行到 foo 函数时，闭包就产生了；当 foo 函数执行结束之后，返回的 getName 和 setName 方法都引用“clourse(foo)”对象，所以即使 foo 函数退出了，“clourse(foo)”依然被其内部的 getName 和 setName 方法引用。所以在下次调用bar.setName或者bar.getName时，创建的执行上下文中就包含了“clourse(foo)”。

产生闭包的核心有两步：第一步是需要预扫描内部函数；第二步是把内部函数引用的外部变量保存到堆中。

总结

avaScript 中的 8 种数据类型，它们可以分为两大类——原始类型和引用类型。

**原始类型的数据是存放在栈中，引用类型的数据是存放在堆中的。**堆中的数据是通过引用和变量关联起来的。也就是说，JavaScript 的变量是没有数据类型的，值才有数据类型，变量可以随时持有任何类型的数据。

13：垃圾数据是如何回收的

JavaScript中原始数据类型是存储在栈空间中的，引用类型的数据是存储在堆空间中的。

数据不再使用后，就变成了垃圾数据，对垃圾数据进行回收，以释放有限的内存空间。

不同语言的垃圾回收策略

垃圾数据回收分为手动回收和自动回收两种策略。

何时分配内存、何时销毁内存都是由代码控制的

//在堆中分配内存
char* p =(char*)malloc(2048);//在堆空间中分配2048字节的空间，并将分配后的引用地址保存
//使用p指向的内存
{//....
}
//使用结束后，销毁这段内存
free(p)；
p = NULL；

从上面这段 C 代码可以看出来，要使用堆中的一块空间，我们需要先调用 mallco 函数分
配内存，然后再使用；当不再需要这块数据的时候，就要手动调用 free 函数来释放内存。如果这段数据已经不再需要了,没有主动调用 free 函数来销毁，那么这种情况就被称为内存泄漏。

另外一种使用的是自动垃圾回收的策略，如JavaScript、Java、Python 等语言，**产生的垃圾数据是由垃圾回收器来释放的，**并不需要手动通过代码来释放。但是在JavaScript中将会出现内存泄漏的问题，因此将讨论堆内存和栈内存中的垃圾回收。

调用栈中的数据是怎么回收的

function foo(){var a = 1var b = {name:"极客邦"}function showName(){var c = "极客时间"var d = {name:"极客时间"}}showName()
}
foo()

运行到showName()的时候，状态如下：
执行到showname函数时的内存模型
原始类型的数据被分配到栈中，引用类型的数据会被分配到堆中。当 foo函数执行结束之后，foo 函数的执行上下文会从堆中被销毁掉。如果执行到 showName 函数时，那么 JavaScript 引擎会创建 showName 函数的执行上下文，并将 showName 函数的执行上下文压入到调用栈中，最终执行到 showName 函数时，其调用栈就如上图所示。与此同时，还有一个记录当前执行状态的指针（称为 ESP），指向调用栈中 showName 函数的执行上文，表示当前正在执行 showName 函数。

当 showName 函数执行完成之后，函数执行流程就进入了 foo 函数，那这时就需要销毁 showName 函数的执行上下文了。ESP 这时候就帮上忙了，JavaScript 会将 ESP下移到 foo 函数的执行上下文，这个下移操作就是销毁 showName 函数执行上下文的过程。

从栈中回收showName执行上下文
JavaScript 引擎会通过向下移动 ESP 来销毁该函数保存在栈中的执行上下文。

堆中的数据是如何回收的

当上面那段代码的 foo 函数执行结束之后，ESP 应该是指向全局执行上下文的，那这样的话，showName 函数和 foo 函数的执行上下文就处于无效状态了，不过保存在堆中的两个对象依然占用着空间。

foo函数执行后的内存状态
从图中可以看出，1003 和 1050 这两块内存依然被占用。要回收堆中的垃圾数据，就需要用到 JavaScript 中的垃圾回收器了。

代际假说和分代收集

**代际假说（The Generational Hypothesis）**是垃圾回收领域中一个重要的术语，后续垃圾回收的策略都是建立在该假说的基础之上的，

代际假说特点：

第一个是大部分对象在内存中存在的时间很短，简单来说，就是很多对象一经分配内存，很快就变得不可访问；
第二个是不死的对象，会活得更久。

这两个特点不仅仅适用于 JavaScript，同样适用于大多数的动态语言，如 Java、Python 等。

垃圾回收算法有很多种，但是并没有哪一种能胜任所有的场景，你需要权衡各种场景，根据对象的生存周期的不同而使用不同的算法，以便达到最好的效果。

在 V8 中会把堆分为新生代和老生代两个区域，新生代中存放的是生存时间短的对象，老生代中存放的生存时间久的对象。

新生区通常只支持 1～8M 的容量，而老生区支持的容量就大很多了。对于这两块区域，V8 分别使用两个不同的垃圾回收器，以便更高效地实施垃圾回收。

副垃圾回收器，主要负责新生代的垃圾回收。
主垃圾回收器，主要负责老生代的垃圾回收。

垃圾回收器的工作流程

不论什么类型的垃圾回收器，它们都有一套共同的执行流程。

第一步是标记空间中活动对象和非活动对象。所谓活动对象就是还在使用的对象，非活动对象就是可以进行垃圾回收的对象。

第二步是回收非活动对象所占据的内存。其实就是在所有的标记完成之后，统一清理内存中所有被标记为可回收的对象。

第三步是做内存整理。一般来说，频繁回收对象后，内存中就会存在大量不连续空间，我们把这些不连续的内存空间称为内存碎片。当内存中出现了大量的内存碎片之后，如果需要分配较大连续内存的时候，就有可能出现内存不足的情况。所以最后一步需要整理这些内存碎片，但这步其实是可选的，因为有的垃圾回收器不会产生内存碎片。

新生代和老生代垃圾回收器的回收机制相同

副垃圾回收器

副垃圾回收器主要负责新生区的垃圾回收。
大多数小的对象都会被分配到新生区，所以说这个区域虽然不大，但是垃圾回收还是比较频繁的。

V8空间堆，新生代
新加入的对象都会存放到对象区域，当对象区域快被写满时，就需要执行一次垃圾清理操作。

在垃圾回收过程中，首先要对对象区域中的垃圾做标记；标记完成之后，就进入垃圾清理阶段，副垃圾回收器会把这些存活的对象复制到空闲区域中，同时它还会把这些对象有序地排列起来，所以这个复制过程，也就相当于完成了内存整理操作，复制后空闲区域就没有内存碎片了。

完成复制后，对象区域与空闲区域进行角色翻转，也就是原来的对象区域变成空闲区域，原来的空闲区域变成了对象区域。这样就完成了垃圾对象的回收操作，同时这种角色翻转的操作还能让新生代中的这两区域无限重复使用下去。

由于新生代中采用的 Scavenge 算法，所以每次执行清理操作时，都需要将存活的对象从对象区域复制到空闲区域。但复制操作需要时间成本，如果新生区空间设置得太大了，那么每次清理的时间就会过久，所以为了执行效率，一般新生区的空间会被设置得比较小。

正是因为新生区的空间不大，所以很容易被存活的对象装满整个区域。为了解决这个问题，JavaScript 引擎采用了对象晋升策略，也就是经过两次垃圾回收依然还存活的对象，会被移动到老生区中。

主垃圾回收器

主垃圾回收器主要负责老生区中的垃圾回收。除了新生区中晋升的对象，一些大的对象会直接被分配到老生区。因此老生区中的对象有两个特点，一个是对象占用空间大，另一个是对象存活时间长。

由于老生区的对象比较大，若要在老生区中使用 Scavenge 算法进行垃圾回收，复制这些大的对象将会花费比较多的时间，从而导致回收执行效率不高，同时还会浪费一半的空间。因而，主垃圾回收器是采用**标记 - 清除（Mark-Sweep）**的算法进行垃圾回收的。下面我们来看看该算法是如何工作的。

首先是标记过程阶段。标记阶段就是从一组根元素开始，递归遍历这组根元素，在这个遍历过程中，能到达的元素称为活动对象，没有到达的元素就可以判断为垃圾数据。

比如最开始的那段代码，当 showName 函数执行退出之后，这段代码的调用栈和堆空间如下图所示：

从上图你可以大致看到垃圾数据的标记过程，当 showName 函数执行结束之后，ESP 向下移动，指向了 foo 函数的执行上下文，这时候如果遍历调用栈，是不会找到引用 1003 地址的变量，也就意味着 1003 这块数据为垃圾数据，被标记为红色。由于 1050 这块数据被变量 b 引用了，所以这块数据会被标记为活动对象。这就是大致的标记过程。

接下来就是垃圾的清除过程。它和副垃圾回收器的垃圾清除过程完全不同，你可以理解这个过程是清除掉红色标记数据的过程，
可参考下图大致理解下其清除过程：

标记清除过程
上面的标记过程和清除过程就是标记 - 清除算法，不过对一块内存多次执行标记 - 清除算法后，会产生大量不连续的内存碎片。而碎片过多会导致大对象无法分配到足够的连续内存，于是又产生了另外一种算法——标记 - 整理（Mark-Compact），这个标记过程仍然与标记 - 清除算法里的是一样的，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。你可以参考下图：
标记整理过程

全停顿

V8 是使用副垃圾回收器和主垃圾回收器处理垃圾回收的，不过由于JavaScript 是运行在主线程之上的，一旦执行垃圾回收算法，都需要将正在执行的JavaScript 脚本暂停下来，待垃圾回收完毕后再恢复脚本执行。我们把这种行为叫做全停顿（Stop-The-World）。

比如堆中的数据有 1.5GB，V8 实现一次完整的垃圾回收需要 1 秒以上的时间，这也是由于垃圾回收而引起 JavaScript 线程暂停执行的时间，若是这样的时间花销，那么应用的性能和响应能力都会直线下降。主垃圾回收器执行一次完整的垃圾回收流程如下图所示：

全停顿

在 V8 新生代的垃圾回收中，因其空间较小，且存活对象较少，所以全停顿的影响不大，但老生代就不一样了。如果在执行垃圾回收的过程中，占用主线程时间过久，就像上面图片展示的那样，花费了 200 毫秒，在这 200 毫秒内，主线程是不能做其他事情的。比如页面正在执行一个 JavaScript 动画，因为垃圾回收器在工作，就会导致这个动画在这 200 毫秒内无法执行的，这将会造成页面的卡顿现象。

为了降低老生代的垃圾回收而造成的卡顿，V8 将标记过程分为一个个的子标记过程，同时让垃圾回收标记和 JavaScript 应用逻辑交替进行，直到标记阶段完成，我们把这个算法称为增量标记（Incremental Marking）算法。如下图所示：

使用增量标记算法，可以把一个完整的垃圾回收任务拆分为很多小的任务，这些小的任务执行时间比较短，可以穿插在其他的JavaScript 任务中间执行，这样当执行上述动画效果时，就不会让用户因为垃圾回收任务而感受到页面的卡顿了。