讨论 `JavaScript` 中 `WeakRef` 和 `FinalizationRegistry` (ES2021) 在低内存场景下管理对象生命周期的策略和注意事项。

大家好!我是今天的主讲人,很高兴能和大家一起聊聊JavaScript中WeakRefFinalizationRegistry这对好基友,它们在低内存环境下管理对象生命周期时扮演的重要角色。 咱们今天的内容比较硬核,但我会尽量用大白话,加上一些幽默的比喻,让大家轻松理解。

引子:JavaScript的内存管理难题

JavaScript有个让人又爱又恨的特性,就是自动垃圾回收(Garbage Collection, GC)。 它像一个勤劳的小蜜蜂,自动帮我们回收不再使用的内存,避免内存泄漏。 但是,这个小蜜蜂有时候也会犯迷糊,它并不能完美地判断一个对象是否真的“不再使用”。 想象一下,你把一个玩具熊放在阁楼里,你可能觉得以后再也不会玩了,但你还没扔掉,万一哪天心血来潮想起来了呢? GC也是这样,只要还有任何变量指向这个玩具熊(对象),它就认为这个玩具熊还是有用的,不敢轻易回收。

这就带来一个问题:在一些复杂的应用场景,特别是低内存环境下,我们可能需要更精细地控制对象的生命周期,让GC能够更快地回收那些“几乎不用但还没扔掉”的对象。 比如,一个缓存系统,当内存紧张时,应该优先回收那些很少被访问的缓存项。 这时候,WeakRefFinalizationRegistry就派上用场了。

主角登场:WeakRef——弱引用

WeakRef(弱引用)顾名思义,是一种“弱不禁风”的引用。 相比于普通的引用(强引用),弱引用不会阻止GC回收对象。 也就是说,如果一个对象只被弱引用指向,那么GC就可以随时回收这个对象,而不用管这个弱引用是否还存在。

你可以把WeakRef想象成一张便签纸,上面写着“玩具熊在阁楼里”,这张便签纸的存在不会阻止你扔掉玩具熊。 当你扔掉玩具熊的时候,这张便签纸就变得毫无意义了。

代码示例:

let target = { name: 'ToyBear' };
let weakRef = new WeakRef(target);

console.log(weakRef.deref()); // 输出: { name: 'ToyBear' }

target = null; // 断开强引用

// 等待一段时间,让GC有机会回收对象
setTimeout(() => {
  console.log(weakRef.deref()); // 输出: undefined (对象可能已经被回收)
}, 1000);

代码解释:

  1. 我们首先创建了一个对象target,并用一个WeakRef对象weakRef来指向它。
  2. weakRef.deref()方法用于获取WeakRef对象所指向的原始对象。 如果对象还存在,就返回对象;如果对象已经被GC回收,就返回undefined
  3. 我们将target设置为null,断开了强引用。 这时候,target对象只有weakRef这个弱引用指向它。
  4. 我们使用setTimeout来等待一段时间,给GC一个机会来回收对象。 实际情况下,GC的回收时机是不确定的,所以我们不能保证对象一定会被回收。
  5. 最后,我们再次调用weakRef.deref(),如果对象已经被回收,就会输出undefined

WeakRef的适用场景:

  • 缓存系统: 可以用WeakRef来存储缓存项,当内存紧张时,GC可以自动回收那些很少被访问的缓存项。
  • 对象关联的元数据: 有时候我们需要为对象关联一些元数据(比如,对象的创建时间、访问次数等),但这些元数据并不应该阻止对象被回收。 可以用WeakRef来存储这些元数据。
  • 避免循环引用: 循环引用会导致内存泄漏,WeakRef可以用来打破循环引用。

注意事项:

  • WeakRefderef()方法返回的对象可能随时被GC回收,所以在使用之前一定要进行判空检查。
  • 不要过度使用WeakRef,因为它会增加代码的复杂性。 只有在真正需要精细控制对象生命周期的情况下才使用。

最佳实践:

class Cache {
  constructor() {
    this.cache = new Map();
  }

  get(key, factory) {
    const ref = this.cache.get(key);
    if (ref) {
      const value = ref.deref();
      if (value) {
        return value;
      }
      // 对象已被回收,从缓存中移除
      this.cache.delete(key);
    }

    // 创建新的值
    const newValue = factory(key);
    this.cache.set(key, new WeakRef(newValue));
    return newValue;
  }
}

// 使用示例
const cache = new Cache();
const expensiveOperation = (key) => {
  console.log(`Calculating value for key: ${key}`);
  return { data: `Result for ${key}` }; // 模拟耗时操作
};

let result1 = cache.get('data1', expensiveOperation); // 首次获取,会执行 expensiveOperation
console.log(result1);

let result2 = cache.get('data1', expensiveOperation); // 从缓存中获取,不会执行 expensiveOperation
console.log(result2);

// 模拟内存压力,让GC回收缓存中的对象
// (实际情况中,GC的回收时机是不确定的)
setTimeout(() => {
  global.gc(); // 强制执行GC (仅在某些环境下可用,生产环境不推荐)
  let result3 = cache.get('data1', expensiveOperation); // 对象已被回收,会再次执行 expensiveOperation
  console.log(result3);
}, 2000);

主角二号:FinalizationRegistry——终结注册表

FinalizationRegistry(终结注册表)是一个“善后处理”机制。 它可以让你在对象被GC回收时,执行一些清理工作。 比如,释放对象占用的资源、记录日志等。

你可以把FinalizationRegistry想象成一个遗嘱执行人,它会在你去世后,按照你的遗嘱来处理你的遗产。

代码示例:

let registry = new FinalizationRegistry(heldValue => {
  console.log('对象被回收了,heldValue:', heldValue);
});

let target = { name: 'ToyBear' };
registry.register(target, 'ToyBearInfo');

target = null; // 断开强引用

// 等待一段时间,让GC有机会回收对象
setTimeout(() => {
  global.gc(); // 触发垃圾回收,仅在某些环境中有效,生产环境不推荐
}, 1000);

代码解释:

  1. 我们首先创建了一个FinalizationRegistry对象registry,并传入一个回调函数。 这个回调函数会在对象被GC回收时执行。
  2. registry.register(target, 'ToyBearInfo')方法用于注册一个对象target,并关联一个heldValue(这里是字符串'ToyBearInfo')。 当target对象被GC回收时,回调函数会被调用,并传入heldValue
  3. 我们将target设置为null,断开了强引用。
  4. 我们使用setTimeout来等待一段时间,给GC一个机会来回收对象。
  5. target对象被GC回收时,回调函数会被执行,输出'对象被回收了,heldValue: ToyBearInfo'

FinalizationRegistry的适用场景:

  • 释放资源: 可以用FinalizationRegistry来释放对象占用的资源,比如,关闭文件句柄、释放网络连接等。
  • 记录日志: 可以用FinalizationRegistry来记录对象的生命周期,比如,记录对象的创建时间、回收时间等。
  • 清理副作用: 有些对象在创建时会产生一些副作用(比如,修改全局状态),可以用FinalizationRegistry来清理这些副作用。

注意事项:

  • FinalizationRegistry的回调函数是在GC线程中执行的,所以不要在回调函数中执行耗时的操作,否则会影响GC的性能。
  • FinalizationRegistry的回调函数的执行时机是不确定的,所以不要依赖回调函数的执行来保证程序的正确性。
  • 不要过度使用FinalizationRegistry,因为它会增加代码的复杂性。 只有在真正需要进行善后处理的情况下才使用。
  • 回调函数中的代码应该具有容错性,因为在对象被回收时,程序可能处于不稳定的状态。
  • heldValue参数可以传递任何类型的值,它可以在回调函数中用于识别被回收的对象。

最佳实践:

class Resource {
  constructor(id) {
    this.id = id;
    console.log(`Resource ${this.id} created.`);
    this.finalizationRegistry = new FinalizationRegistry(heldValue => {
      console.log(`Resource ${heldValue} finalized.`);
      this.release(); //释放资源
    });
    this.finalizationRegistry.register(this, this.id);
  }

  release() {
    console.log(`Releasing resource ${this.id}`);
    //释放资源的代码
  }
}

let resource1 = new Resource(1);
let resource2 = new Resource(2);

resource1 = null;
resource2 = null;

setTimeout(() => {
  global.gc(); // 强制执行GC
}, 2000);

WeakRefFinalizationRegistry的配合使用

WeakRefFinalizationRegistry通常会一起使用,形成一个完整的对象生命周期管理方案。 WeakRef用于在对象被回收前访问对象,FinalizationRegistry用于在对象被回收后进行清理。

你可以把它们想象成一个“回收小队”。 WeakRef是侦察兵,负责侦查哪些对象可以被回收; FinalizationRegistry是清理工,负责在对象被回收后进行清理。

代码示例:

let registry = new FinalizationRegistry(heldValue => {
  console.log('对象被回收了,heldValue:', heldValue);
  // 执行清理工作
});

let target = { name: 'ToyBear' };
let weakRef = new WeakRef(target);
registry.register(target, 'ToyBearInfo');

// 使用weakRef访问对象
if (weakRef.deref()) {
  console.log('对象还存在');
} else {
  console.log('对象已经被回收了');
}

target = null; // 断开强引用

// 等待一段时间,让GC有机会回收对象
setTimeout(() => {
  global.gc(); // 触发垃圾回收
}, 1000);

进阶:避免复活

有一种情况需要特别注意,就是“对象复活”。 所谓对象复活,是指在FinalizationRegistry的回调函数中,重新创建对对象的强引用,导致对象无法被回收。

let resurrected = null;
let registry = new FinalizationRegistry(heldValue => {
  console.log('对象被回收了,heldValue:', heldValue);
  // 错误的做法:复活对象
  resurrected = heldValue;
});

let target = { name: 'ToyBear' };
registry.register(target, target);

target = null;

setTimeout(() => {
  global.gc();
  console.log(resurrected); // 输出: { name: 'ToyBear' }
}, 1000);

在这个例子中,我们在FinalizationRegistry的回调函数中,将target对象赋值给了全局变量resurrected,导致对象被复活,无法被回收。

如何避免对象复活?

  • 不要在FinalizationRegistry的回调函数中,重新创建对对象的强引用。
  • 如果需要在回调函数中使用对象,可以通过heldValue参数传递对象的状态,而不是直接传递对象本身。

总结:

WeakRefFinalizationRegistry是JavaScript中管理对象生命周期的重要工具,它们可以帮助我们在低内存环境下,更精细地控制对象的回收和清理。 但是,它们也增加了代码的复杂性,需要谨慎使用。 只有在真正需要精细控制对象生命周期的情况下,才应该考虑使用它们。

特性 WeakRef FinalizationRegistry
作用 创建对对象的弱引用,不阻止GC回收 在对象被GC回收时执行清理工作
使用场景 缓存系统、对象关联的元数据、避免循环引用 释放资源、记录日志、清理副作用
注意事项 deref()返回的对象可能随时被回收,需要判空 回调函数在GC线程中执行,不要执行耗时操作;执行时机不确定
配合使用 通常与FinalizationRegistry一起使用 通常与WeakRef一起使用
避免复活 N/A 避免在回调函数中重新创建对对象的强引用

希望今天的分享能帮助大家更好地理解WeakRefFinalizationRegistry,并在实际项目中灵活运用它们。 谢谢大家!

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