JS `WeakMap` 与 `WeakSet` 的 `Ephemeron Table` 实现原理

大家好,我是你们今天的讲师,很高兴能和大家聊聊 JavaScript 中 WeakMapWeakSet 背后的神秘力量 —— Ephemeron Table

今天这场讲座呢,咱们不搞那些花里胡哨的理论,直接啃干货!咱们的目标是:把 Ephemeron Table 这个听起来很唬人的东西,变成咱们能看懂、能理解、甚至能和朋友吹牛逼的知识点。

第一部分:为啥需要 WeakMap 和 WeakSet?(以及为啥普通的 Map 和 Set 不行?)

首先,我们得搞明白,为啥 JavaScript 里需要 WeakMapWeakSet 这两个“弱”家伙。

想象一下,你有一个对象,这个对象很重要,你把它存到了一个 Map 里。

let myObject = { name: "超级无敌对象" };
let myMap = new Map();
myMap.set(myObject, "一些相关数据");

// 现在,即使 myObject 在其他地方不再被引用...
myObject = null;

// ... myMap 仍然持有对 myObject 的引用,导致 myObject 无法被垃圾回收!
console.log(myMap.size); // 输出 1

// 你得手动删除 myMap 里的条目,才能让 myObject 被回收。
myMap.delete(myObject);
console.log(myMap.size); // 输出 0

看到了吗? Map 就像一个粘人的女朋友,一旦和你建立了关系,就算你俩分手了( myObject = null ),她还牢牢地抓着你的把柄( myMap ),让你无法摆脱(无法被垃圾回收)。

这种行为在某些情况下会造成内存泄漏。特别是当你需要关联一些 DOM 元素和一些数据,而这些 DOM 元素可能会被移除的时候,Map 就会变成一个噩梦。

WeakMapWeakSet 的出现,就是为了解决这个问题。 它们就像那种酷酷的前任,分手后绝不纠缠,挥一挥衣袖,不带走一片云彩。

let myObject = { name: "超级无敌对象" };
let myWeakMap = new WeakMap();
myWeakMap.set(myObject, "一些相关数据");

myObject = null;

// 关键来了!  当 myObject 不再被引用时,WeakMap 里的对应条目会被自动删除!
// (注意:你无法直接知道 WeakMap 的 size,也无法遍历它,这是它的特性)

总结一下普通 Map 和 WeakMap 的区别:

特性 Map WeakMap
键的类型 任意类型 必须是对象
值的类型 任意类型 任意类型
垃圾回收 阻止键被垃圾回收 不阻止键被垃圾回收,条目会被自动删除
size 属性 没有
迭代能力 可以迭代 (forEach, keys, values, entries) 不能迭代
使用场景 需要长期持有键值对,并且需要迭代 需要关联对象和数据,但不想阻止对象被回收

WeakSetSet 的区别也是类似的。 WeakSet 只能存储对象,并且不会阻止对象被垃圾回收。

第二部分:Ephemeron Table:弱引用的幕后英雄

好,现在我们知道 WeakMapWeakSet 的好处了,但是它们是怎么实现这种“弱引用”的呢? 这就轮到今天的主角 Ephemeron Table 登场了。

Ephemeron Table 是一种数据结构,它允许我们创建“弱引用”的键值对。 它的核心思想是:如果键不再被其他地方引用,那么整个键值对就会被垃圾回收。

为了理解 Ephemeron Table 的工作原理,我们先来回顾一下 JavaScript 的垃圾回收机制 (Garbage Collection, GC)。

JavaScript 的垃圾回收机制:

JavaScript 使用一种叫做“标记-清除”(mark-and-sweep)的垃圾回收算法(当然,现代引擎可能使用了更复杂的算法,比如分代回收)。

  1. 标记阶段(Mark): 垃圾回收器会从根对象(例如全局对象、活动栈等)开始,递归地遍历所有可以访问到的对象,并将它们标记为“可达”。
  2. 清除阶段(Sweep): 垃圾回收器会遍历整个堆内存,将所有没有被标记为“可达”的对象清除掉,释放它们的内存空间。

现在,我们来思考一个问题:如果一个对象只被 WeakMapWeakSet 引用,那么它应该被认为是“可达”的吗?

答案是:不应该! 这正是 Ephemeron Table 的精髓所在。

Ephemeron Table 的实现原理:

Ephemeron Table 的实现依赖于垃圾回收器的配合。 它会告诉垃圾回收器:

  • “嘿,这些键值对是特殊的,如果键不再被其他地方引用,请把整个键值对都回收掉!”

具体来说,Ephemeron Table 的实现通常会使用以下技术:

  1. 弱引用(Weak Reference): Ephemeron Table 内部会使用某种形式的弱引用来存储键。 弱引用和强引用不同,它不会阻止对象被垃圾回收。 这意味着,如果一个对象只被弱引用指向,那么垃圾回收器仍然可以回收它。

  2. 依赖关系图(Dependency Graph): 垃圾回收器会维护一个依赖关系图,用于跟踪对象之间的引用关系。 Ephemeron Table 会在依赖关系图中建立一种特殊的依赖关系:键值对依赖于键。

  3. 垃圾回收器的配合: 在垃圾回收的标记阶段,垃圾回收器会检查 Ephemeron Table 中的键。 如果一个键没有被标记为“可达”,那么整个键值对都会被标记为“不可达”,并在清除阶段被回收。

一个简化的 Ephemeron Table 伪代码(仅用于说明原理):

class EphemeronTable {
  constructor() {
    this.table = new Map(); // 内部使用 Map 存储键值对
  }

  set(key, value) {
    if (typeof key !== 'object' || key === null) {
      throw new TypeError('Key must be an object');
    }

    // 创建一个弱引用
    const weakRef = new WeakRef(key);

    this.table.set(weakRef, value);
  }

  get(key) {
    // 遍历 table,找到对应的 weakRef
    for (const [weakRef, value] of this.table) {
      if (weakRef.deref() === key) {
        return value;
      }
    }
    return undefined;
  }

  // 垃圾回收器会定期调用这个方法,清除无效的条目
  cleanup() {
    for (const [weakRef, value] of this.table) {
      if (weakRef.deref() === undefined) { // weakRef 已经失效,说明 key 已经被回收
        this.table.delete(weakRef);
      }
    }
  }
}

// WeakRef 只是一个示例,实际的实现可能更加复杂,会涉及到垃圾回收器的内部机制。

解释一下上面的伪代码:

  • WeakRef 是一个假设存在的类,用于创建弱引用。 weakRef.deref() 方法用于获取弱引用指向的对象。如果对象已经被回收,则返回 undefined
  • cleanup() 方法是模拟垃圾回收器定期清理 EphemeronTable 的过程。

注意: 这只是一个简化的伪代码,真实的 Ephemeron Table 的实现会更加复杂,并且会直接与垃圾回收器交互。 JavaScript 引擎通常使用 C++ 等底层语言来实现 Ephemeron Table,以获得更好的性能和对垃圾回收器的控制。

第三部分:WeakMap 和 WeakSet 的应用场景

现在,我们来聊聊 WeakMapWeakSet 在实际开发中的应用场景。

  1. DOM 元素的元数据存储:

    let elementData = new WeakMap();
    
    let myElement = document.createElement('div');
    
    // 将一些数据与 DOM 元素关联起来
    elementData.set(myElement, {
      x: 10,
      y: 20,
      color: 'red'
    });
    
    // 当 myElement 从 DOM 树中移除时,WeakMap 里的对应数据也会被自动清除,避免内存泄漏。
    myElement.remove();
    myElement = null;

    这种方式比在 DOM 元素上直接添加属性更加安全,因为它不会污染 DOM 元素本身。

  2. 对象私有属性的模拟:

    const _counter = new WeakMap();
    
    class Counter {
      constructor() {
        _counter.set(this, 0); // 为每个 Counter 实例创建一个私有计数器
      }
    
      increment() {
        let count = _counter.get(this) || 0;
        _counter.set(this, ++count);
      }
    
      getCount() {
        return _counter.get(this) || 0;
      }
    }
    
    let myCounter = new Counter();
    myCounter.increment();
    console.log(myCounter.getCount()); // 输出 1
    
    // 即使 myCounter 被回收,_counter WeakMap 里的对应条目也会被自动清除。
    myCounter = null;

    这种方式可以有效地隐藏对象的内部状态,防止外部访问和修改。

  3. 缓存计算结果:

    const cache = new WeakMap();
    
    function expensiveCalculation(obj) {
      if (cache.has(obj)) {
        return cache.get(obj); // 从缓存中获取结果
      }
    
      // 进行耗时的计算
      console.log("Calculating...");
      let result = obj.value * 2;
    
      cache.set(obj, result); // 将结果存入缓存
      return result;
    }
    
    let myObject = { value: 10 };
    console.log(expensiveCalculation(myObject)); // 输出 "Calculating..." 和 20
    
    console.log(expensiveCalculation(myObject)); // 输出 20 (从缓存中获取)
    
    myObject = null;
    // 当 myObject 被回收时,cache 里的对应条目也会被自动清除。

    这种方式可以避免重复计算,提高性能。

  4. 标记对象:

    使用 WeakSet 可以用来标记某个对象是否已经处理过,而不需要在对象本身上添加属性。

    const processedObjects = new WeakSet();
    
    function processObject(obj) {
      if (processedObjects.has(obj)) {
        console.log("Object already processed.");
        return;
      }
    
      // 处理对象
      console.log("Processing object...");
      processedObjects.add(obj);
    }
    
    let myObject = { data: "some data" };
    processObject(myObject); // 输出 "Processing object..."
    processObject(myObject); // 输出 "Object already processed."
    
    myObject = null;
    // 当 myObject 被回收时,processedObjects 里的对应条目也会被自动清除。

第四部分:总结与思考

好了,今天的讲座就到这里。 我们一起学习了 WeakMapWeakSet 的作用,以及它们背后的关键技术 Ephemeron Table

希望通过今天的学习,大家能够理解以下几点:

  • WeakMapWeakSet 解决了 MapSet 导致的内存泄漏问题。
  • Ephemeron Table 是一种数据结构,它允许我们创建弱引用的键值对。
  • Ephemeron Table 的实现依赖于垃圾回收器的配合。
  • WeakMapWeakSet 在实际开发中有多种应用场景,例如 DOM 元素的元数据存储、对象私有属性的模拟和缓存计算结果。

一些思考题:

  • WeakRef 在现代 JavaScript 中已经可以使用了,你能尝试用 WeakRef 实现一个简单的 EphemeronTable 吗?
  • FinalizationRegistry 是另一个与垃圾回收相关的 API,它和 WeakRef 有什么区别?它们可以一起使用吗?
  • 除了 Ephemeron Table,还有其他的实现弱引用的方式吗?

希望大家能够继续深入学习,探索 JavaScript 的更多奥秘! 谢谢大家!

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