javascript - 为什么在 for 循环中声明的变量的最后一次迭代没有被垃圾收集？

Question

我的问题是这是否是 nodejs 垃圾收集器的错误？或者这是某种预料之中的事情？

在 Windows 上运行 Node v14.15.0。

在为 this question 寻找答案时涉及 WeakRef 对象时，我发现了一个关于垃圾收集的奇怪事情，它似乎是一个可能的错误。分配给在 for 循环中声明的变量的对象即使在 let 变量超出 for 循环范围后也不会被垃圾回收.此处感兴趣的变量名为 element，这是它所在的循环。它只是循环的最后一次迭代中未被 GC 处理的对象(element 最后指向):

// fill all the arrays and the cache
// and put everything into the holding array too
for (let i = 0; i < numElements; i++) {
    let arr = new Array(lenArrays);
    arr.fill(i);
    let element = { id: i, data: arr };

    // temporarily hold onto each element by putting a
    // full reference (not a weakRef) into an array
    holding.push(element);

    // add a weakRef to the Map
    cache.set(i, new WeakRef(element));
}

然后，几行代码之后，我们用这个清除数组holding:

holding.length = 0;

你会认为在这个循环结束后，在 holding 被清除后，那个循环中 element 的所有值都应该符合 GC 的条件。对它们的唯一引用是通过 WeakRef 对象(不会阻止 GC)。

而且，事实上，如果我让 nodejs 有一些空闲时间，除了 for 循环创建的最后一个对象之外的所有对象都确实被 GC。但是，最后一个不是。如果我将 element = null 添加到 for 循环的末尾，那么最后一个确实会被 GC 处理。因此，nodejs 不会以某种方式清除 element 最后指向的变量上的 refcnt，即使 element 现在超出范围。

所以，你可以在这里看到完整的代码(你可以把它放到一个文件中，然后自己在 nodejs 中运行它):

'use strict';

// to make memory usage output easier to read
function addCommas(str) {
    var parts = (str + "").split("."),
        main = parts[0],
        len = main.length,
        output = "",
        i = len - 1;

    while (i >= 0) {
        output = main.charAt(i) + output;
        if ((len - i) % 3 === 0 && i > 0) {
            output = "," + output;
        }
        --i;
    }
    // put decimal part back
    if (parts.length > 1) {
        output += "." + parts[1];
    }
    return output;
}

function delay(t, v) {
    return new Promise(resolve => {
        setTimeout(resolve, t, v);
    });
}

function logUsage() {
    let usage = process.memoryUsage();
    console.log(`heapUsed: ${addCommas(usage.heapUsed)}`);
}

const numElements = 10000;
const lenArrays = 10000;

async function run() {

    const cache = new Map();
    const holding = [];

    function checkItem(n) {
        let item = cache.get(n).deref();
        console.log(item);
    }

    // fill all the arrays and the cache
    // and put everything into the holding array too
    for (let i = 0; i < numElements; i++) {
        let arr = new Array(lenArrays);
        arr.fill(i);
        let element = { id: i, data: arr };

        // temporarily hold onto each element by putting a
        // full reference (not a weakRef) into an array
        holding.push(element);

        // add a weakRef to the Map
        cache.set(i, new WeakRef(element));
    }

    // should have a big Map holding lots of data
    // all items should still be available
    checkItem(numElements - 1);
    logUsage();

    await delay(5000);
    logUsage();

    // make whole holding array contents eligible for GC
    holding.length = 0;

    // pause for GC, then see if items are available
    // and what memory usage is
    await delay(5000);
    checkItem(0);
    checkItem(1);
    checkItem(numElements - 1);

    // count how many items are still in the Map
    let cnt = 0;
    for (const [index, item] of cache) {
        if (item.deref()) {
            ++cnt;
            console.log(`Index item ${index} still in cache`);
        }
    }
    console.log(`There are ${cnt} items that haven't been GCed in the map`);
    logUsage();
}

run();

当我运行它时，我得到了这个输出:

{
  id: 9999,
  data: [
    9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999,
    9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999,
    9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999,
    9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999,
    9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999,
    9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999,
    9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999,
    9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999,
    9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999,
    9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999,
    ... 9900 more items
  ]
}
heapUsed: 805,544,472
heapUsed: 805,582,072
undefined
undefined
{
  id: 9999,
  data: [
    9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999,
    9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999,
    9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999,
    9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999,
    9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999,
    9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999,
    9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999,
    9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999,
    9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999,
    9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999, 9999,
    ... 9900 more items
  ]
}
Index item 9999 still in cache
There are 1 items that haven't been GCed in the map
heapUsed: 3,490,168

两行 undefined 是预期的。 id:9999 对象的第二个记录输出不是预期的。它也应该是 undefined。而且，发现 id:9999 对象仍然在缓存中是不期望的。它应该有资格进行 GC。

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一种可能的理论是，V8 优化器将 element 从 for 循环中拉出来，以避免在循环中一遍又一遍地创建它，但随后没有它在循环完成后符合 GC 条件 - 本质上是将其提升到更高的范围。

另一种理论是 GC 并不总是 block 范围粒度。

有没有错误？

Answer 1

这不是错误。我同意这里的行为乍一看很奇怪，但作为 MDN documentation说:

It's also important to avoid relying on any specific behaviors not guaranteed by the specification. When, how, and whether garbage collection occurs is down to the implementation of any given JavaScript engine.

虽然就 JavaScript 语言语义而言，element 在循环之后确实(当然)超出了范围，但是没有保证/ promise /规范 >let - 指向的循环(或其他 block )中的变量有资格在该 block 的末尾立即进行垃圾回收。引擎是免费的，例如。在内部为这个变量分配一个栈槽，它只会在当前函数结束时被清除；和堆栈槽通常被 GC 视为“根”，即它们使它们指向的内容保持事件状态。

如果未能释放无法访问的对象导致无限内存增长，直到发生 OOM 崩溃，这将是一个错误。但这里的情况并非如此:无论您将 numElements 设置为 1、10 还是 10000，它都是 一个 对象，一直保留到函数结束。

旁注:无需 sleep 五秒钟即可运行 GC； Node 的 global.gc() 很好，您还需要返回到事件循环才能看到 WeakRefs 被清除(正如 MDN 文档也指出的那样)。

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编辑添加:
在这种特殊情况下，最后一个元素 存在的具体原因是因为未优化 代码/字节码只是为每个局部变量分配一个栈槽。它不会在函数返回之前清空该槽，因此堆栈槽引用的对象将保持事件状态，直到函数返回。这通常(没有 WeakRefs)是不可观察的，并且只是执行速度、启动延迟、内存消耗、CPU/功耗、代码复杂性和/或引擎做出的其他指标之间的众多权衡之一。这些内部细节有意未记录，因为它们随时可能更改，没有人应该依赖它们(正如 MDN 文档指出的那样)。
如果您强制函数 run 在一段时间后进行优化，优化编译器将花时间进行适当的生命范围分析，这通常会导致堆栈槽在执行函数时被重用于不同的事情进步，并且(至少在这种情况下)导致对象实际上会更快地被垃圾收集。
也就是说，虽然我理解你的好奇心，但我想再次强调:内部细节真的无关紧要。 JS 引擎内部究竟发生了什么在很大程度上取决于整体场景，并且当然会根据您运行的引擎和版本而变化。