对于前端开发者来说,JavaScript的内存机制是一个不被经常提及的概念 ,因此很容易被忽视。特别是一些非计算机专业的同学,对内存机制可能没有非常清晰的认识,甚至有些同学根本就不知道JavaScript的内存机制是什么。

但是如果你想成为行业专家,并打造高性能前端应用,那么你就必须要搞清楚JavaScript的内存机制了。

其实,要搞清楚JavaScript的内存机制并不是一件很困难的事,在接下来的三篇文章(数据在内存中的存放、JavaScript处理垃圾回收以及V8执行代码)中,我们将通过内存机制的介绍,循序渐进带你走进JavaScript内存的世界。

今天我们讲述第一部分的内容——JavaScript中的数据是如何存储在内存中的。虽然JavaScript并不需要直接去管理内存,但是在实际项目中为了能避开一些不必要的坑,你还是需要了解数据在内存中的存储方式的。

让人疑惑的代码

首先,我们先看下面这两段代码:

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

若执行上述这两段代码,你知道它们输出的结果是什么吗?下面我们就来一个一个分析下。

执行第一段代码,打印出来a的值是2,b的值是1,这没什么难以理解的。

接着,再执行第二段代码,你会发现,仅仅改变了a中name的属性值,但是最终a和b打印出来的值都是{name:"极客邦"}。这就和我们预期的不一致了,因为我们想改变的仅仅是a的内容,但b的内容也同时被改变了。

要彻底弄清楚这个问题,我们就得先从“JavaScript是什么类型的语言”讲起。

JavaScript是什么类型的语言

每种编程语言都具有内建的数据类型,但它们的数据类型常有不同之处,使用方式也很不一样,比如C语言在定义变量之前,就需要确定变量的类型,你可以看下面这段C代码:

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

相反地,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。比如我们所讲的JavaScript就是动态语言,因为在声明变量之前并不需要确认其数据类型。

虽然C语言是静态,但是在C语言中,我们可以把其他类型数据赋予给一个声明好的变量,如:

c = a

前面代码中,我们把int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。

对于各种语言的类型,你可以参考下图:

语言类型图

JavaScript的数据类型

现在我们知道了,JavaScript是一种弱类型的、动态的语言。那这些特点意味着什么呢?

那么接下来,我们再来看看JavaScript的数据类型,你可以看下面这段代码:

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

从上述代码中你可以看出,我们声明了一个bar变量,然后可以使用各种类型的数据值赋予给该变量。

在JavaScript中,如果你想要查看一个变量到底是什么类型,可以使用“typeof”运算符。具体使用方式如下所示:

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

执行这段代码,你可以看到打印出来了不同的数据类型,有undefined、number、boolean、object等。那么接下来我们就来谈谈JavaScript到底有多少种数据类型。

其实JavaScript中的数据类型一种有8种,它们分别是:

了解这些类型之后,还有三点需要你注意一下。

第一点,使用typeof检测Null类型时,返回的是Object。这是当初JavaScript语言的一个Bug,一直保留至今,之所以一直没修改过来,主要是为了兼容老的代码。

第二点,Object类型比较特殊,它是由上述7种类型组成的一个包含了key-value对的数据类型。如下所示:

let myObj = {
        name:'极客时间',
        update:function(){....}
        }

从中你可以看出来,Object是由key-value组成的,其中的vaule可以是任何类型,包括函数,这也就意味着你可以通过Object来存储函数,Object中的函数又称为方法,比如上述代码中的update方法。

第三点,我们把前面的7种数据类型称为原始类型,把最后一个对象类型称为引用类型,之所以把它们区分为两种不同的类型,是因为它们在内存中存放的位置不一样。到底怎么个不一样法呢?接下来,我们就来讲解一下JavaScript的原始类型和引用类型到底是怎么储存的。

内存空间

要理解JavaScript在运行过程中数据是如何存储的,你就得先搞清楚其存储空间的种类。下面是我画的JavaScript的内存模型,你可以参考下:

JavaScript内存模型

从图中可以看出, 在JavaScript的执行过程中, 主要有三种类型内存空间,分别是代码空间、栈空间堆空间

其中的代码空间主要是存储可执行代码的,这个我们后面再做介绍,今天主要来说说栈空间和堆空间。

栈空间和堆空间

这里的栈空间就是我们之前反复提及的调用栈,是用来存储执行上下文的。为了搞清楚栈空间是如何存储数据的,我们还是先看下面这段代码:

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

前面文章我们已经讲解过了,当执行一段代码时,需要先编译,并创建执行上下文,然后再按照顺序执行代码。那么下面我们来看看,当执行到第3行代码时,其调用栈的状态,你可以参考下面这张调用栈状态图:

执行到第3行时的调用栈状态图

从图中可以看出来,当执行到第3行时,变量a和变量b的值都被保存在执行上下文中,而执行上下文又被压入到栈中,所以你也可以认为变量a和变量b的值都是存放在栈中的。

接下来继续执行第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:

对象类型是“堆”来存储

从上图你可以清晰地观察到,对象类型是存放在堆空间的,在栈空间中只是保留了对象的引用地址,当JavaScript需要访问该数据的时候,是通过栈中的引用地址来访问的,相当于多了一道转手流程。

好了,现在你应该知道了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。不过你也许会好奇,为什么一定要分“堆”和“栈”两个存储空间呢?所有数据直接存放在“栈”中不就可以了吗?

答案是不可以的。这是因为JavaScript引擎需要用栈来维护程序执行期间上下文的状态,如果栈空间大了话,所有的数据都存放在栈空间里面,那么会影响到上下文切换的效率,进而又影响到整个程序的执行效率。比如文中的foo函数执行结束了,JavaScript引擎需要离开当前的执行上下文,只需要将指针下移到上个执行上下文的地址就可以了,foo函数执行上下文栈区空间全部回收,具体过程你可以参考下图:

调用栈中切换执行上下文状态

所以通常情况下,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,不过缺点是分配内存和回收内存都会占用一定的时间。

解释了程序在执行过程中为什么需要堆和栈两种数据结构后,我们还是回到示例代码那里,看看它最后一步将变量c赋值给变量d是怎么执行的?

在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

所以d=c的操作就是把c的引用地址赋值给d,你可以参考下图:

引用赋值

从图中你可以看到,变量c和变量d都指向了同一个堆中的对象,所以这就很好地解释了文章开头的那个问题,通过c修改name的值,变量d的值也跟着改变,归根结底它们是同一个对象。

再谈闭包

现在你知道了作用域内的原始类型数据会被存储到栈空间,引用类型会被存储到堆空间,基于这两点的认知,我们再深入一步,探讨下闭包的内存模型。

这里以《10 | 作用域链和闭包 :代码中出现相同的变量,JavaScript引擎是如何选择的?》中关于闭包的一段代码为例:

function foo() {
    var myName = "极客时间"
    let test1 = 1
    const test2 = 2
    var 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())

当执行这段代码的时候,你应该有过这样的分析:由于变量myName、test1、test2都是原始类型数据,所以在执行foo函数的时候,它们会被压入到调用栈中;当foo函数执行结束之后,调用栈中foo函数的执行上下文会被销毁,其内部变量myName、test1、test2也应该一同被销毁。

但是在那篇文章中,我们介绍了当foo函数的执行上下文销毁时,由于foo函数产生了闭包,所以变量myName和test1并没有被销毁,而是保存在内存中,那么应该如何解释这个现象呢?

要解释这个现象,我们就得站在内存模型的角度来分析这段代码的执行流程。

  1. 当JavaScript引擎执行到foo函数时,首先会编译,并创建一个空执行上下文。
  2. 在编译过程中,遇到内部函数setName,JavaScript引擎还要对内部函数做一次快速的词法扫描,发现该内部函数引用了foo函数中的myName变量,由于是内部函数引用了外部函数的变量,所以JavaScript引擎判断这是一个闭包,于是在堆空间创建换一个“closure(foo)”的对象(这是一个内部对象,JavaScript是无法访问的),用来保存myName变量。
  3. 接着继续扫描到getName方法时,发现该函数内部还引用变量test1,于是JavaScript引擎又将test1添加到“closure(foo)”对象中。这时候堆中的“closure(foo)”对象中就包含了myName和test1两个变量了。
  4. 由于test2并没有被内部函数引用,所以test2依然保存在调用栈中。

通过上面的分析,我们可以画出执行到foo函数中“return innerBar”语句时的调用栈状态,如下图所示:

闭包的产生过程

从上图你可以清晰地看出,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“closure(foo)”对象,所以即使foo函数退出了,“ closure(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“closure(foo)”。

总的来说,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

好了,今天就讲到这里,下面我来简单总结下今天的要点。

我们介绍了JavaScript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

其中,原始类型的数据是存放在中,引用类型的数据是存放在中的。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。

然后我们分析了,在JavaScript中将一个原始类型的变量a赋值给b,那么a和b会相互独立、互不影响;但是将引用类型的变量a赋值给变量b,那会导致a、b两个变量都同时指向了堆中的同一块数据。

最后,我们还站在内存模型的视角分析了闭包的产生过程。

思考时间

在实际的项目中,经常需要完整地拷贝一个对象,也就是说拷贝完成之后两个对象之间就不能互相影响。那该如何实现呢?

结合下面这段代码,你可以分析下它是如何将对象jack拷贝给jack2,然后在完成拷贝操作时两个jack还互不影响的呢。

let jack = {
    name : "jack.ma",
    age:40,
    like:{
        dog:{
            color:'black',
            age:3,
        },
        cat:{
            color:'white',
            age:2
        }
    }
}
function copy(src){
    let dest
    //实现拷贝代码,将src的值完整地拷贝给dest
   //在这里实现
    return dest
}
let jack2 = copy(jack)

//比如修改jack2中的内容,不会影响到jack中的值
jack2.like.dog.color = 'green'
console.log(jack.like.dog.color) //打印出来的应该是 "black"

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