变量&作用域和内存问题

相比于其他语言，JavaScript 中的变量可谓独树一帜。正如 ECMA-262 所规定的，JavaScript 变量是松散类型的，而且变量不过就是特定时间点一个特定值的名称而已。由于没有规则定义变量必须包含什么数据类型，变量的值和数据类型在脚本生命期内可以改变。这样的变量很有意思，很强大，当然也有不少问题

原始值与引用值

ECMAScript 变量可以包含两种不同类型的数据：原始值和引用值。原始值 (primitive value) 就是最简单的数据，引用值 (reference value) 则是由多个值构成的对象。

在把一个值赋给变量时，JavaScript 引擎必须确定这个值是原始值还是引用值。6 种原始值：Undefined、Null、Boolean、Number、String 和 Symbol。保存原始值的变量是按值 (by value) 访问的，因为我们操作的就是存储在变量中的实际值。

引用值是保存在内存中的对象。与其他语言不同，JavaScript 不允许直接访问内存位置，因此也就不能直接操作对象所在的内存空间。在操作对象时，实际上操作的是对该对象的引用（reference）而非实际的对象本身。为此，保存引用值的变量是按引用 (by reference) 访问的。

在很多语言中，字符串是使用对象表示的，因此被认为是引用类型。ECMAScript 打破了这个惯例

动态属性

原始值和引用值的定义方式很类似，都是创建一个变量，然后给它赋一个值。不过，在变量保存了这个值之后，可以对这个值做什么，则大有不同。对于引用值而言，可以随时添加、修改和删除其属性和方法。

let person = new Object(); 

person.name = "Nicholas"; 
console.log(person.name); // "Nicholas" 

原始值不能有属性，尽管尝试给原始值添加属性不会报错。比如：

let name = "Nicholas"; 

name.age = 27; 
console.log(name.age); // undefined 

注意，原始类型的初始化可以只使用原始字面量形式。如果使用的是 new 关键字，则 JavaScript 会创建一个 Object 类型的实例，但其行为类似原始值。下面来看看这两种初始化方式的差异：

let name1 = "Nicholas"; 
let name2 = new String("Matt"); 

name1.age = 27; 
name2.age = 26; 

console.log(name1.age); // undefined 
console.log(name2.age); // 26 

console.log(typeof name1); // string 
console.log(typeof name2); // object 

复制值

除了存储方式不同，原始值和引用值在通过变量复制时也有所不同。在通过变量把一个原始值赋值到另一个变量时，原始值会被复制到新变量的位置。这两个变量完全独立

let num1 = 5; 
let num2 = num1;

在把引用值从一个变量赋给另一个变量时，存储在变量中的值也会被复制到新变量所在的位置。区别在于，这里复制的值实际上是一个指针，它指向存储在堆内存中的对象。操作完成后，两个变量实际上指向同一个对象，因此一个对象上面的变化会在另一个对象上反映出来

let obj1 = new Object(); 
let obj2 = obj1; 
obj1.name = "Nicholas"; 
console.log(obj2.name); // "Nicholas"

参数传递

ECMAScript 中所有函数的参数都是按值传递的。这意味着函数外的值会被复制到函数内部的参数中，就像从一个变量复制到另一个变量一样。如果是原始值，那么就跟原始值变量的复制一样，如果是引用值，那么就跟引用值变量的复制一样

在按值传递参数时，值会被复制到一个局部变量（即一个命名参数，或者用 ECMAScript 的话说，就是 arguments 对象中的一个槽位）。在按引用传递参数时，值在内存中的位置会被保存在一个局部变量，这意味着对本地变量的修改会反映到函数外部。(这在 ECMAScript 中是不可能的 )

function addTen(num) { 
  num += 10; 
  return num; 
}

let count = 20;

let result = addTen(count); 
console.log(count); // 20，没有变化
console.log(result); // 30

如果变量中传递的是对象，在函数内部，obj 和 person 都指向同一个对象

function setName(obj) { 
  obj.name = "Nicholas"; 
}

let person = new Object(); 
setName(person); 
console.log(person.name); // "Nicholas"

很多开发者错误地认为，当在局部作用域中修改对象而变化反映到全局时，就意味着参数是按引用传递的。为证明对象是按值传递的，我们再来看看下面这个修改后的例子：

function setName(obj) { 
  obj.name = "Nicholas"; 
  obj = new Object(); 
  obj.name = "Greg"; 
} 

let person = new Object(); 
setName(person); 
console.log(person.name); // "Nicholas"

如果 person 是按引用传递的，那么 person 应该自动将指针改为指向 name 为"Greg"的对象。可是，当我们再次访问 person.name 时，它的值是"Nicholas"，这表明函数中参数的值改变之后，原始的引用仍然没变。当 obj 在函数内部被重写时，它变成了一个指向本地对象的指针。而那个本地对象在函数执行结束时就被销毁了

确定类型

typeof 虽然对原始值很有用，但它对引用值的用处不大。我们通常不关心一个值是不是对象，而是想知道它是什么类型的对象。为了解决这个问题，ECMAScript 提供了 instanceof 操作符

result = variable instanceof constructor

如果变量是给定引用类型的实例，则 instanceof 操作符返回 true。来看下面的例子：

console.log(person instanceof Object); // 变量 person 是 Object 吗？
console.log(colors instanceof Array); // 变量 colors 是 Array 吗？
console.log(pattern instanceof RegExp); // 变量 pattern 是 RegExp 吗？

按照定义，所有引用值都是 Object 的实例，因此通过 instanceof 操作符检测任何引用值和 Object 构造函数都会返回 true。类似地，如果用 instanceof 检测原始值，则始终会返回 false，因为原始值不是对象

执行上下文和作用域

执行上下文( 以下简称“上下文”) 的概念在 JavaScript 中是颇为重要的。变量或函数的上下文决定了它们可以访问哪些数据，以及它们的行为。每个上下文都有一个关联的变量对象（variable object），而这个上下文中定义的所有变量和函数都存在于这个对象上。虽然无法通过代码访问变量对象，但后台处理数据会用到它。

全局上下文是最外层的上下文。根据 ECMAScript 实现的宿主环境，表示全局上下文的对象可能不一样。在浏览器中，全局上下文就是我们常说的 window 对象，因此所有通过 var 定义的全局变量和函数都会成为 window 对象的属性和方法。使用 let 和 const 的顶级声明不会定义在全局上下文中，但在作用域链解析上效果是一样的。上下文在其所有代码都执行完毕后会被销毁，包括定义在它上面的所有变量和函数（全局上下文在应用程序退出前才会被销毁，比如关闭网页或退出浏览器）

每个函数调用都有自己的上下文。当代码执行流进入函数时，函数的上下文被推到一个上下文栈上。在函数执行完之后，上下文栈会弹出该函数上下文，将控制权返还给之前的执行上下文。ECMAScript 程序的执行流就是通过这个上下文栈进行控制的。

上下文中的代码在执行的时候，会创建变量对象的一个作用域链 (scope chain)。这个作用域链决定了各级上下文中的代码在访问变量和函数时的顺序。代码正在执行的上下文的变量对象始终位于作用域链的最前端。如果上下文是函数，则其活动对象（activation object）用作变量对象。活动对象最初只有一个定义变量：arguments。（全局上下文中没有这个变量。）作用域链中的下一个变量对象来自包含上下文，再下一个对象来自再下一个包含上下文。以此类推直至全局上下文；全局上下文的变量对象始终是作用域链的最后一个变量对象。

代码执行时的标识符解析是通过沿作用域链逐级搜索标识符名称完成的。搜索过程始终从作用域链的最前端开始，然后逐级往后，直到找到标识符。（如果没有找到标识符，那么通常会报错。）

var color = "blue"; 

function changeColor() { 
  if (color === "blue") { 
    color = "red"; 
  } else { 
    color = "blue"; 
  } 
} 
changeColor();

函数 changeColor()的作用域链包含两个对象：一个是它自己的变量对象（就是定义 arguments 对象的那个），另一个是全局上下文的变量对象。这个函数内部之所以能够访问变量 color，就是因为可以在作用域链中找到它。

此外，局部作用域中定义的变量可用于在局部上下文中替换全局变量

var color = "blue"; 

function changeColor() { 
  let anotherColor = "red"; 
  function swapColors() { 
    let tempColor = anotherColor; 
    anotherColor = color; 
    color = tempColor; 
    // 这里可以访问 color、anotherColor 和 tempColor 
  } 
  // 这里可以访问 color 和 anotherColor，但访问不到 tempColor 
  swapColors(); 
} 
// 这里只能访问 color 
changeColor();

以上代码涉及 3 个上下文：全局上下文、changeColor() 的局部上下文和 swapColors() 的局部上下文。全局上下文中有一个变量 color 和一个函数 changeColor()。changeColor() 的局部上下文中有一个变量 anotherColor 和一个函数 swapColors()，但在这里可以访问全局上下文中的变量 color。

swapColors() 的局部上下文中有一个变量 tempColor，只能在这个上下文中访问到。全局上下文和 changeColor() 的局部上下文都无法访问到 tempColor。而在 swapColors()中则可以访问另外两个上下文中的变量，因为它们都是父上下文。

作用域链增强

虽然执行环境的类型总共只有两种——全局和局部（函数），但还是有其他办法来延长作用域链。

这么说是因为有些语句可以在作用域链的前端临时增加一个变量对象，该变量对象会在代码执行后被移除。在两种情况下会发生这种现象。具体来说，就是当执行流进入下列任何一个语句时，作用域链就会得到加长：

• try-catch 语句的 catch 块
• with 语句

这两个语句都会在作用域链的前端添加一个变量对象。对 with 语句来说，会将指定的对象添加到作用域链中。对 catch 语句来说，会创建一个新的变量对象，其中包含的是被抛出的错误对象的声明

function buildUrl() { 
  let qs = "?debug=true"; 
  with(location){ 
    let url = href + qs; 
  } 
  return url; 
}

在此，with 语句接收的是 location 对象，因此其变量对象中就包含了 location 对象的所有属性和方法，而这个变量对象被添加到了作用域链的前端。buildUrl() 函数中定义了一个变量 qs。当在with 语句中引用变量 href 时（实际引用的是 location.href），可以在当前执行环境的变量对象中找到。

当引用变量 qs 时，引用的则是在 buildUrl() 中定义的那个变量，它定义在函数上下文的变量对象上。至于 with 语句内部，则定义了一个名为 url 的变量，因而 url 就成了函数执行环境的一部分，所以可以作为函数的值被返回

垃圾回收

JavaScript 是使用垃圾回收的语言，也就是说执行环境负责在代码执行时管理内存。在 C 和 C++ 等语言中，跟踪内存使用对开发者来说是个很大的负担，也是很多问题的来源。JavaScript 为开发者卸下了这个负担，通过自动内存管理实现内存分配和闲置资源回收。基本思路很简单：确定哪个变量不会再使用，然后释放它占用的内存。这个过程是周期性的，即垃圾回收程序每隔一定时间（或者说在代码执行过程中某个预定的收集时间）就会自动运行。垃圾回收过程是一个近似且不完美的方案，因为某块内存是否还有用，属于“不可判定的”问题，意味着靠算法是解决不了的。

以函数中 局部变量的正常生命周期为例。函数中的局部变量会在函数执行时存在。此时，栈（或堆）内存会分配空间以保存相应的值。函数在内部使用了变量，然后退出。此时，就不再需要那个局部变量了，它占用的内存可以释放，供后面使用。这种情况下显然不再需要局部变量了，但并不是所有时候都会这么明显。垃圾回收程序必须跟踪记录哪个变量还会使用，以及哪个变量不会再使用，以便回收内存。如何标记未使用的变量也许有不同的实现方式。不过，在浏览器的发展史上，用到过两种主要的标记策略：标记清理和引用计数

标记清除

JavaScript 最常用的垃圾回收策略是标记清理（mark-and-sweep）。当变量进入上下文，比如在函数内部声明一个变量时，这个变量会被加上存在于上下文中的标记。而在上下文中的变量，逻辑上讲，永远不应该释放它们的内存，因为只要上下文中的代码在运行，就有可能用到它们。当变量离开上下文时，也会被加上离开上下文的标记。

给变量加标记的方式有很多种。比如，当变量进入上下文时，反转某一位；或者可以维护“在上下文中”和“不在上下文中”两个变量列表，可以把变量从一个列表转移到另一个列表。标记过程的实现并不重要，关键是策略。

垃圾回收程序运行的时候，会标记内存中存储的所有变量（记住，标记方法有很多种）。然后，它会将所有在上下文中的变量，以及被在上下文中的变量引用的变量的标记去掉。在此之后再被加上标记的变量就是待删除的了，原因是任何在上下文中的变量都访问不到它们了。随后垃圾回收程序做一次内存清理，销毁带标记的所有值并收回它们的内存。

到了 2008 年，IE、Firefox、Opera、Chrome 和 Safari 都在自己的 JavaScript 实现中采用标记清理（或其变体），只是在运行垃圾回收的频率上有所差异

引用计数

另一种不太常见的垃圾收集策略叫做引用计数（reference counting）。

引用计数的含义是跟踪记录每个值被引用的次数。当声明了一个变量并将一个引用类型值赋给该变量时，则这个值的引用次数就是 1。

如果同一个值又被赋给另一个变量，则该值的引用次数加 1。相反，如果包含对这个值引用的变量又取得了另外一个值，则这个值的引用次数减 1。当这个值的引用次数变成 0 时，则说明没有办法再访问这个值了，因而就可以将其占用的内存空间回收回来。这样，当垃圾收集器下次再运行时，它就会释放那些引用次数为零的值所占用的内存。

Netscape Navigator 3.0 是最早使用引用计数策略的浏览器，但很快它就遇到了一个严重的问题：循环引用。循环引用指的是对象 A 中包含一个指向对象 B 的指针，而对象 B 中也包含一个指向对象 A 的引用。

在采用标记清除策略的实现中，由于函数执行之后，这两个对象都离开了作用域，因此这种相互引用不是个问题。但在采用引用计数策略的实现中，当函数执行完毕后，objectA 和 objectB 还将继续存在，因为它们的引用次数永远不会是 0。假如这个函数被重复多次调用，就会导致大量内存得不到回收。

性能

垃圾回收程序会周期性运行，如果内存中分配了很多变量，则可能造成性能损失，因此垃圾回收的时间调度很重要。尤其是在内存有限的移动设备上，垃圾回收有可能会明显拖慢渲染的速度和帧速率。

开发者不知道什么时候运行时会收集垃圾，因此最好的办法是在写代码时就要做到：无论什么时候开始收集垃圾，都能让它尽快结束工作。

现代垃圾回收程序会基于对 JavaScript 运行时环境的探测来决定何时运行。探测机制因引擎而异，但基本上都是根据已分配对象的大小和数量来判断的。比如，根据 V8 团队 2016 年的一篇博文的说法：

“在一次完整的垃圾回收之后，V8 的堆增长策略会根据活跃对象的数量外加一些余量来确定何时再次垃圾回收。”

由于调度垃圾回收程序方面的问题会导致性能下降，IE 曾饱受诟病。它的策略是根据分配数，比如分配了 256 个变量、4096 个对象/数组字面量和数组槽位（slot），或者 64KB 字符串。只要满足其中某个条件，垃圾回收程序就会运行。这样实现的问题在于，分配那么多变量的脚本，很可能在其整个生命周期内始终需要那么多变量，结果就会导致垃圾回收程序过于频繁地运行。由于对性能的严重影响，IE7最终更新了垃圾回收程序。

IE7 发布后，JavaScript 引擎的垃圾回收程序被调优为动态改变分配变量、字面量或数组槽位等会触发垃圾回收的阈值。IE7 的起始阈值都与 IE6 的相同。如果垃圾回收程序回收的内存不到已分配的 15%，这些变量、字面量或数组槽位的阈值就会翻倍。如果有一次回收的内存达到已分配的 85%，则阈值重置为默认值。这么一个简单的修改，极大地提升了重度依赖 JavaScript 的网页在浏览器中的性能

内存管理

使用具备垃圾收集机制的语言编写程序，开发人员一般不必操心内存管理的问题。但是，JavaScript在进行内存管理及垃圾收集时面临的问题还是有点与众不同。

其中最主要的一个问题，就是分配给 Web浏览器的可用内存数量通常要比分配给桌面应用程序的少。这样做的目的主要是出于安全方面的考虑，目的是防止运行 JavaScript 的网页耗尽全部系统内存而导致系统崩溃。

内存限制问题不仅会影响给变量分配内存，同时还会影响调用栈以及在一个线程中能够同时执行的语句数量。因此，确保占用最少的内存可以让页面获得更好的性能。

而优化内存占用的最佳方式，就是为执行中的代码只保存必要的数据。一旦数据不再有用，最好通过将其值设置为 null 来释放其引用——这个做法叫做解除引用（dereferencing）。

这一做法适用于大多数全局变量和全局对象的属性。局部变量会在它们离开执行环境时自动被解除引用

function createPerson(name){ 
  let localPerson = new Object(); 
  localPerson.name = name; 
  return localPerson; 
} 

let globalPerson = createPerson("Nicholas"); 
// 解除 globalPerson 对值的引用
globalPerson = null;

localPerson 在 createPerson() 执行完成超出上下文后会自动被解除引用，不需要显式处理。但 globalPerson 是一个全局变量，应该在不再需要时手动解除其引用，最后一行就是这么做的。

不过要注意，解除对一个值的引用并不会自动导致相关内存被回收。解除引用的关键在于确保相关的值已经不在上下文里了，因此它在下次垃圾回收时会被回收

通过 const 和 let 声明提升性能

ES6 增加这两个关键字不仅有助于改善代码风格，而且同样有助于改进垃圾回收的过程。因为 const 和 let 都以块（而非函数）为作用域，所以相比于使用 var，使用这两个新关键字可能会更早地让垃圾回收程序介入，尽早回收应该回收的内存。在块作用域比函数作用域更早终止的情况下，这就有可能发生

内存泄漏

写得不好的 JavaScript 可能出现难以察觉且有害的内存泄漏问题。在内存有限的设备上，或者在函数会被调用很多次的情况下，内存泄漏可能是个大问题。JavaScript 中的内存泄漏大部分是由不合理的引用导致的。

意外声明全局变量是最常见但也最容易修复的内存泄漏问题。此时，解释器会把变量 name 当作 window 的属性来创建（相当于 window.name = 'Jake'）

function setName() { 
  name = 'Jake'; 
} 

在 window 对象上创建的属性，只要 window 本身不被清理就不会消失。这个问题很容易解决，只要在变量声明前头加上 var、let 或 const 关键字即可，这样变量就会在函数执行完毕后离开作用域。

定时器也可能会悄悄地导致内存泄漏。下面的代码中，定时器的回调通过闭包引用了外部变量：

let name = 'Jake'; 

setInterval(() => { 
  console.log(name); 
}, 100); 

只要定时器一直运行，回调函数中引用的 name 就会一直占用内存。垃圾回收程序当然知道这一点，因而就不会清理外部变量。

使用 JavaScript 闭包很容易在不知不觉间造成内存泄漏。请看下面的例子：

let outer = function() { 
  let name = 'Jake'; 

  return function() { 
    return name; 
  }; 
}; 

调用 outer() 会导致分配给 name 的内存被泄漏。以上代码执行后创建了一个内部闭包，只要返回的函数存在就不能清理 name，因为闭包一直在引用着它。假如 name 的内容很大（不止是一个小字符串），那可能就是个大问题了

静态分配与对象池

为了提升 JavaScript 性能，最后要考虑的一点往往就是压榨浏览器了。此时，一个关键问题就是如何减少浏览器执行垃圾回收的次数。开发者无法直接控制什么时候开始收集垃圾，但可以间接控制触发垃圾回收的条件。理论上，如果能够合理使用分配的内存，同时避免多余的垃圾回收，那就可以保住因释放内存而损失的性能。

浏览器决定何时运行垃圾回收程序的一个标准就是对象更替的速度。如果有很多对象被初始化，然后一下子又都超出了作用域，那么浏览器就会采用更激进的方式调度垃圾回收程序运行，这样当然会影响性能。看一看下面的例子，这是一个计算二维矢量加法的函数：

function addVector(a, b) { 
  let resultant = new Vector(); 
  resultant.x = a.x + b.x; 
  resultant.y = a.y + b.y; 
  return resultant; 
} 

调用这个函数时，会在堆上创建一个新对象，然后修改它，最后再把它返回给调用者。如果这个矢量对象的生命周期很短，那么它会很快失去所有对它的引用，成为可以被回收的值。假如这个矢量加法函数频繁被调用，那么垃圾回收调度程序会发现这里对象更替的速度很快，从而会更频繁地安排垃圾回收。

该问题的解决方案是不要动态创建矢量对象，比如可以修改上面的函数，让它使用一个已有的矢量对象：

function addVector(a, b, resultant) { 
  resultant.x = a.x + b.x; 
  resultant.y = a.y + b.y; 
  return resultant; 
} 

当然，这需要在其他地方实例化矢量参数 resultant，但这个函数的行为没有变。那么在哪里创建矢量可以不让垃圾回收调度程序盯上呢？

一个策略是使用对象池。在初始化的某一时刻，可以创建一个对象池，用来管理一组可回收的对象。应用程序可以向这个对象池请求一个对象、设置其属性、使用它，然后在操作完成后再把它还给对象池。

由于没发生对象初始化，垃圾回收探测就不会发现有对象更替，因此垃圾回收程序就不会那么频繁地运行。下面是一个对象池的伪实现：

// vectorPool 是已有的对象池 
let v1 = vectorPool.allocate(); 
let v2 = vectorPool.allocate(); 
let v3 = vectorPool.allocate(); 

v1.x = 10; 
v1.y = 5; 
v2.x = -3; 
v2.y = -6; 

addVector(v1, v2, v3); 
console.log([v3.x, v3.y]); // [7, -1] 
vectorPool.free(v1); 
vectorPool.free(v2); 
vectorPool.free(v3);

// 如果对象有属性引用了其他对象
// 则这里也需要把这些属性设置为 null 
v1 = null; 
v2 = null; 
v3 = null;

如果对象池只按需分配矢量（在对象不存在时创建新的，在对象存在时则复用存在的），那么这个实现本质上是一种贪婪算法，有单调增长但为静态的内存。这个对象池必须使用某种结构维护所有对象，数组是比较好的选择。不过，使用数组来实现，必须留意不要招致额外的垃圾回收。比如下面这个例子：

let vectorList = new Array(100); 

let vector = new Vector(); 

vectorList.push(vector); 

由于 JavaScript 数组的大小是动态可变的，引擎会删除大小为 100 的数组，再创建一个新的大小为200 的数组。垃圾回收程序会看到这个删除操作，说不定因此很快就会跑来收一次垃圾。要避免这种动态分配操作，可以在初始化时就创建一个大小够用的数组，从而避免上述先删除再创建的操作。不过，必须事先想好这个数组有多大