Správa paměti v JavaScriptu se provádí automaticky a pro nás neviditelně. Vytváříme primitivy, objekty, funkce... To všechno zabírá paměť.
Co se stane, když něco už není potřeba? Jak to JavaScriptový motor odhalí a vyčistí?
Hlavním konceptem správy paměti v JavaScriptu je dosažitelnost.
Jednoduše řečeno, „dosažitelné“ hodnoty jsou ty, které jsou odněkud přístupné nebo použitelné. U nich je zaručeno, že budou uloženy v paměti.
-
Existuje základní sada zaručeně dosažitelných hodnot, které nelze smazat z pochopitelných důvodů.
Například:
- Právě prováděná funkce, její lokální proměnné a parametry.
- Další funkce v právě prováděném řetězci vnořených volání, jejich lokální proměnné a parametry.
- Globální proměnné.
- (existují i některé další, stejně jako interní)
Tyto hodnoty se nazývají kořenové hodnoty nebo kořeny.
-
Jakákoli jiná hodnota se považuje za dosažitelnou, je-li dosažitelná z kořene nějakým odkazem nebo řetězcem odkazů.
Například obsahuje-li globální proměnná nějaký objekt a tento objekt má vlastnost, která se odkazuje na další objekt, pak onen další objekt se považuje za dosažitelný. I ty, na které se odkazuje on, jsou dosažitelné. Podrobné příklady budou následovat.
V JavaScriptovém motoru v pozadí probíhá proces, který se nazývá sběrač odpadků (garbage collector). Monitoruje všechny objekty a odstraňuje ty, které se staly nedosažitelnými.
Uveďme nejjednodušší příklad:
// uživatel obsahuje odkaz na objekt
let uživatel = {
jméno: "Jan"
};
Zde šipka představuje odkaz na objekt. Globální proměnná "uživatel" odkazuje na objekt {jméno: "Jan"} (pro zjednodušení mu budeme říkat Jan). Vlastnost "jméno" objektu Jan obsahuje primitiv, proto je zobrazena uvnitř objektu.
Je-li hodnota proměnné uživatel přepsána, odkaz je ztracen:
uživatel = null;
Nyní se Jan stal nedosažitelným. Není žádný způsob, jak k němu přistoupit, neexistují na něj žádné odkazy. Sběrač odpadků odstraní jeho data a uvolní paměť.
Nyní si představme, že zkopírujeme odkaz z objektu uživatel do objektu správce:
// uživatel obsahuje odkaz na objekt
let uživatel = {
jméno: "Jan"
};
*!*
let správce = uživatel;
*/!*
Když nyní uděláme totéž:
uživatel = null;...Pak bude objekt stále dosažitelný z globální proměnné správce, a tedy musí zůstat v paměti. Jestliže přepíšeme i správce, bude možné jej odstranit.
Nyní složitější příklad. Rodina:
function svatba(muž, žena) {
žena.manžel = muž;
muž.manželka = žena;
return {
otec: muž,
matka: žena
}
}
let rodina = svatba({
jméno: "Jan"
}, {
jméno: "Anna"
});Funkce svatba „oddá“ dva objekty tak, že jim předá odkazy na sebe navzájem a vytvoří nový objekt, který je oba bude obsahovat.
Výsledná struktura paměti:
V této chvíli jsou všechny objekty dosažitelné.
Nyní odstraňme dva odkazy:
delete rodina.otec;
delete rodina.matka.manžel;
Nestačí smazat jen jeden z těchto dvou odkazů, jelikož všechny objekty by stále byly dosažitelné.
Jestliže však smažeme oba, vidíme, že Jan již nemá žádné „příchozí“ odkazy, které by směřovaly k němu:
„Odchozí“ odkazy (směřující od Jana) nejsou podstatné. Objekt mohou učinit dosažitelným jedině příchozí odkazy. Jan je tedy nyní nedosažitelný a bude odstraněn z paměti i se všemi svými daty, která se také stala nedosažitelnými.
Po provedení sběru odpadků:
Může se stát, že se celý ostrov navzájem propojených objektů stane nedosažitelným a bude odstraněn z paměti.
Zdrojový objekt je stejný jako ten uvedený výše. Pak:
rodina = null;Obrázek paměti bude vypadat takto:
Tento příklad demonstruje, jak důležitý je koncept dosažitelnosti.
Je vidět, že Jan a Anna jsou stále spojeni a k oběma směřují nějaké odkazy. To ale nestačí.
Bývalý objekt "rodina" byl odpojen od kořene, neexistuje na něj už žádný odkaz, takže se celý tento ostrov objektů stal nedosažitelným a bude odstraněn.
Základní algoritmus sběru odpadků se nazývá „označ a zameť“ („mark-and-sweep“).
Pravidelně se provádějí následující kroky „sběru odpadků“:
- Sběrač odpadků vezme kořeny a „označí“ (zapamatuje) si je.
- Pak navštíví a „označí“ všechny odkazy z nich.
- Pak navštíví označené objekty a označí jejich odkazy. Všechny navštívené objekty si pamatuje, aby v budoucnu nenavštívil stejný objekt dvakrát.
- ...A tak dále, dokud nebudou navštíveny všechny (z kořenů) dosažitelné odkazy.
- Všechny objekty, které nejsou označeny, se odstraní.
Například nechť naše objektová struktura vypadá takto:
Jasně vidíme „nedosažitelný ostrov“ na pravé straně. Nyní se podívejme, jak si s ním poradí sběrač odpadků typu „označ a zameť“.
První krok označí kořeny:
Pak budeme následovat jejich odkazy a označíme odkazované objekty:
...A budeme dále následovat další odkazy, dokud to bude možné:
Nyní se objekty, které nemohly být v tomto procesu navštíveny, budou považovat za nedosažitelné a budou odstraněny:
Můžeme si tento proces představit i jako rozlití velkého kbelíku s barvou na kořenech. Barva teče všemi odkazy a dostane se ke všem dosažitelným objektům. Neoznačené objekty jsou poté odstraněny.
Toto je koncept fungování sbírání odpadků. JavaScriptové motory aplikují mnoho optimalizací, které způsobí, že se jeho běh urychlí a nebude při běhu kódu způsobovat prodlevy.
Některé z nich:
- Generační sběr -- objekty se rozdělí na dvě skupiny: „nové“ a „staré“. V obvyklém kódu má mnoho objektů jen krátký život: objeví se, vykonají svou práci a rychle zemřou, takže má smysl stopovat nové objekty a pokud nastane tento případ, vyčistit je z paměti. Ty, které přežijí dostatečně dlouho, se stanou „starými“ a budou prozkoumávány méně často.
- Inkrementální sběr -- jestliže máme mnoho objektů a snažíme se projít a označit celou jejich sadu najednou, může to zabrat nějakou dobu a způsobit znatelné prodlevy při běhu skriptu. Motor tedy rozdělí celou sadu existujících objektů do více částí. A pak čistí tyto části jednu po druhé. Nastane tedy více malých sběrů odpadků místo jednoho celkového. To vyžaduje určitou další administraci mezi nimi, aby se zaznamenaly změny, ale pak získáme mnoho drobných prodlev místo jedné velké.
- Sběr v čase nečinnosti -- sběrač odpadků se snaží běžet jen tehdy, když je CPU nečinná, aby zmenšil svůj vliv na běh.
Existují i jiné optimalizace a doplňky algoritmů sběru odpadků. Jakkoli rád bych je zde popsal, musím se toho vzdát, jelikož různé motory implementují různá vylepšení a techniky. Co je ještě důležitější, během vývoje motorů se vše mění, takže studovat je hlouběji „dopředu“, aniž bychom je opravdu potřebovali, pravděpodobně nemá smysl. Pokud to ovšem není věc čistého zájmu, v kterémžto případě najdete některé odkazy níže.
Hlavní věci, které máme vědět:
- Sběr odpadků se provádí automaticky. Nemůžeme si jej vynutit nebo mu zabránit.
- Objekty zůstávají v paměti, dokud jsou dosažitelné.
- Být odkazován není totéž jako být dosažitelný (z kořene): sada vzájemně propojených objektů se může jako celek stát nedosažitelnou, jak jsme viděli ve výše uvedeném příkladu.
Moderní motory implementují pokročilé algoritmy sběru odpadků.
Některé z nich jsou probrány v obecné knize „The Garbage Collection Handbook: The Art of Automatic Memory Management“ (R. Jones a kolektiv).
Pokud jste obeznámeni s programováním na nízké úrovni, podrobnější informace o sběrači odpadků V8 najdete v článku A tour of V8: Garbage Collection.
Rovněž blog V8 občas publikuje články o změnách ve správě paměti. Přirozeně, chcete-li se naučit o sběru odpadků víc, nejlépe se na to připravíte tak, že se poučíte o interních záležitostech V8 obecně a přečtete si blog Vjačeslava Jegorova, který pracoval jako jeden z tvůrců V8. Říkám „V8“, protože ten je nejlépe pokryt články na internetu. V jiných motorech jsou mnohé přístupy podobné, ale sběrače odpadků se v mnoha aspektech liší.
Hloubková znalost motorů se hodí, když potřebujete optimalizaci na nízké úrovni. Bylo by moudré naplánovat si to jako další krok poté, co se seznámíte s jazykem.