了解 JavaScript 及其他語言中的垃圾收集

最近，我在一次技術面試中被問到不同編程語言如何處理垃圾回收。這是一個令人驚訝卻又耳目一新的問題，它確實激起了我的興趣——我以前從未在面試中遇到過對內存管理如此深入的探討。我喜歡這個問題，並想在博客文章中進一步探討這個主題。

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高效的內存管理對於高性能應用程序至關重要。 垃圾回收 (GC) 確保自動回收未使用的內存，防止內存洩漏和崩潰。在這篇文章中，我們將重點介紹垃圾回收在JavaScript中的工作方式，探討編程語言中使用的其他方法，並提供示例來說明這些概念。

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什麼是垃圾回收？

垃圾回收是回收不再使用的對象所佔用的內存的過程。具有自動垃圾回收功能的語言會對這個過程進行抽象，從而使開發人員無需手動管理內存。例如，JavaScript 使用追踪式垃圾回收器，而其他語言則使用不同的技術。

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JavaScript 中的垃圾回收

JavaScript 依賴於追踪式垃圾回收方法，特別是標記-清除算法。讓我們來分解一下：

1. 標記-清除算法

此算法確定內存中哪些對像是“可達的”，並釋放那些不可達的對象：

1. 標記階段：
   • 從“根”對象（例如，瀏覽器中的 window 或 Node.js 中的全局對象）開始。
   • 遍歷從這些根對象可以訪問的所有對象，並將它們標記為“存活”。
2. 清除階段：
   • 掃描堆並釋放未標記為可達的對象。

示例：

function example() {
  let obj = { key: "value" }; // obj 可达
  let anotherObj = obj; // anotherObj 引用 obj

  anotherObj = null; // 引用计数减少
  obj = null; // 引用计数减少到 0
  // obj 现在不可达，将被垃圾回收
}

2. 分代垃圾回收

現代 JavaScript 引擎（例如 Chrome/Node.js 中的 V8）使用分代式 GC 來優化垃圾回收。內存被劃分為：

• 新生代：短暫的對象（例如函數作用域變量）存儲在此處，並頻繁收集。
• 老年代：長生命週期的對象（例如全局變量）存儲在此處，收集頻率較低。

為什麼分代式 GC 更高效？

• JavaScript 中的大多數對像都是短暫的，可以快速收集。
• 長生命週期的對像被移動到老年代，減少了頻繁掃描的需要。

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其他垃圾回收策略

讓我們探討其他語言如何處理垃圾回收：

1. 引用計數

引用計數追蹤有多少引用指向一個物件。當引用計數降為 0 時，該物件將被釋放。

優點：

• 簡單且立即回收記憶體。
• 行為可預測。

缺點：

• 循環引用：如果兩個物件互相引用，它們的計數將永遠不會達到 0。

範例：（Python 引用計數）

function example() {
  let obj = { key: "value" }; // obj 可达
  let anotherObj = obj; // anotherObj 引用 obj

  anotherObj = null; // 引用计数减少
  obj = null; // 引用计数减少到 0
  // obj 现在不可达，将被垃圾回收
}

2. 手動記憶體管理

像C和C 這樣的語言要求開發人員明確地分配和釋放記憶體。

範例：（C 記憶體管理）

a = []
b = []
a.append(b)
b.append(a)
# 这些对象相互引用，但不可达；现代 Python 的循环收集器可以处理这种情况。

優點：

• 完全控制記憶體使用。

缺點：

• 容易出現記憶體洩漏（忘記釋放記憶體）和懸空指標（過早釋放記憶體）。

3. 附循環收集器的追蹤式垃圾回收

一些語言（例如 Python）將引用計數與循環檢測結合起來以處理循環引用。

• 循環收集器定期掃描物件以偵測循環（從根物件無法存取的相互引用的物件群組）。一旦找到循環，收集器就會將其破壞並回收記憶體。
• 循環收集器解決了純引用計數的最大缺點（循環引用）。它們增加了額外的開銷，但確保不會因為循環而導致記憶體洩漏。

4. Rust 的借用檢查器（無 GC）

Rust 採用了不同的方法，完全避免了垃圾回收。相反，Rust 透過借用檢查器強制執行嚴格的所有權規則：

• 所有權：每個值一次只有一個擁有者。
• 借用：您可以藉用引用（不可變或可變），但一次只允許一個可變引用，以防止出現資料競爭。
• 生命週期：編譯器推斷值何時超出作用域，自動釋放記憶體。

此系統確保記憶體安全，無需傳統的 GC，從而使 Rust 具有手動記憶體管理的效能優勢，同時有助於避免懸空指標等常見錯誤。

補充說明。 #資料競爭發生在並發或平行程式設計中，當兩個或多個執行緒（或進程）同時存取相同記憶體位置，並且至少一個執行緒寫入該位置時。由於沒有機制（例如鎖或原子操作）來協調這些並發訪問，因此共享資料的最終狀態可能不可預測且不一致——從而導致難以發現的錯誤。

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垃圾回收策略比較

方法	语言	优点	缺点
引用计数	早期的 Python，Objective-C	立即回收，易于实现	循环引用失效
追踪式（标记-清除）	JavaScript，Java	处理循环引用，对于大型堆效率高	停止世界暂停
分代式 GC	JavaScript，Java	针对短暂的对象进行了优化	实现更复杂
手动管理	C，C	完全控制	容易出错，需要仔细处理
混合式（引用计数 循环收集器）	现代 Python	两全其美	仍然需要定期的循环检测
借用检查器	Rust	无需 GC，防止数据竞争	学习曲线较陡峭，所有权规则

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JavaScript 如何處理常見場景

循環引用

JavaScript 的追蹤式垃圾回收器可以很好地處理循環引用：

function example() {
  let obj = { key: "value" }; // obj 可达
  let anotherObj = obj; // anotherObj 引用 obj

  anotherObj = null; // 引用计数减少
  obj = null; // 引用计数减少到 0
  // obj 现在不可达，将被垃圾回收
}

事件監聽器和閉包

如果事件監聽器沒有正確清理，可能會無意中導致記憶體洩漏：

a = []
b = []
a.append(b)
b.append(a)
# 这些对象相互引用，但不可达；现代 Python 的循环收集器可以处理这种情况。

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重點總結

1. JavaScript 使用帶有標記-清除演算法的追蹤式垃圾回收器來自動管理記憶體。
2. 分代式 GC 透過專注於短暫的物件來最佳化效能。
3. 其他語言使用不同的策略：
   • 引用計數：簡單但容易出現循環引用。
   • 手動管理：完全控制但容易出錯。
   • 混合方法：結合策略以獲得更好的效能。
   • Rust 的借用檢查器：無 GC，但有嚴格的所有權規則。
4. 注意 JavaScript 中潛在的記憶體洩漏，尤其是在閉包和事件監聽器中。

這是一個深入了解語言用於垃圾回收策略的絕佳機會。我認為，了解垃圾回收的工作原理不僅可以幫助您編寫高效的程式碼，還可以讓您有效地調試與記憶體相關的錯誤。

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參考文獻

• JavaScript 與記憶體管理：MDN 文件
• V8 垃圾回收：V8 部落格關於垃圾回收
• Rust 的所有權：Rust 程式語言書籍
• Java 垃圾回收：Oracle 文件
• Python 的 GC：Python gc 模組

以上是了解 JavaScript 及其他語言中的垃圾收集的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！