闭包导致的内存泄漏排查：如何通过 Chrome DevTools 定位无法回收的闭包引用

大家好，欢迎来到今天的讲座。我是你们的编程专家，今天我们将深入探讨一个在JavaScript开发中既常见又隐蔽的问题：闭包导致的内存泄漏。内存泄漏就像软件中的一个隐形杀手，它不会立即导致程序崩溃，但会随着时间的推移，悄悄地消耗系统资源，最终导致应用变慢、卡顿，甚至崩溃，严重影响用户体验。而闭包，这个JavaScript中强大且常用的特性，在不经意间，常常成为内存泄漏的元凶之一。

今天的讲座，我将带大家：

1. 理解闭包、垃圾回收与内存泄漏的原理。
2. 掌握如何识别内存泄漏的迹象。
3. 最重要的是，手把手教大家如何利用强大的 Chrome DevTools，一步步定位和诊断那些被闭包“锁住”的、无法被垃圾回收的引用。
4. 最后，我们将探讨一系列有效的策略来预防和修复这类问题。

这不仅仅是一次理论讲解，更是一次实践操作的指导。我们将通过具体的代码示例，模拟内存泄漏场景，并使用DevTools进行实战演练。

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第一部分：理解闭包、垃圾回收与内存泄漏的原理

在深入排查之前，我们必须对一些核心概念有一个清晰的认识。

1.1 什么是闭包？

闭包是JavaScript中一个强大而核心的特性。简单来说，当一个函数能够记住并访问其词法作用域（Lexical Scope）时，即使该函数在其词法作用域之外执行，它也形成了一个闭包。这意味着内部函数可以访问外部函数的变量。

function outerFunction(outerVariable) {
    let privateData = 'some private info'; // 外部函数的局部变量

    function innerFunction() { // innerFunction 形成了一个闭包
        console.log("Outer variable:", outerVariable);
        console.log("Private data:", privateData);
    }
    return innerFunction;
}

const myClosure = outerFunction("Hello Closure");
myClosure(); // 即使 outerFunction 已经执行完毕，innerFunction 依然能访问 outerVariable 和 privateData

在这个例子中，innerFunction 就是一个闭包。它“记住”了outerFunction被调用时的outerVariable和privateData。

闭包的优势在于：

• 数据私有化： 模拟私有方法和变量，实现信息隐藏。
• 状态保持： 允许函数在多次调用之间保持状态。
• 函数工厂： 创建一系列具有相似行为但不同配置的函数。
• 事件处理： 在事件处理函数中捕获外部作用域的变量。

1.2 JavaScript 的垃圾回收机制

JavaScript是一种拥有自动垃圾回收机制的语言。这意味着开发者通常不需要手动管理内存分配和释放。V8引擎（Chrome和Node.js使用的JavaScript引擎）主要采用“标记-清除”（Mark-and-Sweep）算法来回收内存。

其基本思想是：

1. 标记阶段（Mark）： 从一组“根”（root）对象（如全局对象window或global，以及当前调用栈上的局部变量）开始，垃圾回收器会遍历所有通过引用能访问到的对象，并将其标记为“可达”（reachable）。
2. 清除阶段（Sweep）： 垃圾回收器会遍历堆上的所有对象。如果一个对象没有被标记为“可达”，那么它就是“不可达”的，即不再被任何程序所引用，可以被安全地回收其内存空间。

关键点：可达性
一个对象只要能从根对象（全局对象、调用栈）通过引用链访问到，它就是可达的，就不会被垃圾回收器回收。

1.3 闭包与内存泄漏：根源分析

闭包导致的内存泄漏的根源在于：闭包会捕获其外部作用域的变量，只要这个闭包本身没有被垃圾回收，那么它所捕获的外部变量，即使在外部函数执行完毕后，也不会被垃圾回收。

想象一下这样的场景：

1. 你有一个外部函数，它创建了一个很大的对象（比如一个大型数组、一个DOM元素集合）。
2. 这个外部函数内部定义了一个小型的闭包函数，并且这个闭包捕获了那个大对象。
3. 外部函数将这个闭包返回，或者将它赋值给一个全局变量、一个DOM事件监听器、一个定时器回调函数等，使得这个闭包本身变得可达。

在这种情况下，即使大对象在外部函数的逻辑上已经“不再需要”，但因为闭包依然持有它的引用，使得大对象依然是“可达”的。垃圾回收器无法回收这个大对象，从而导致内存泄漏。

// 示例：一个简单的闭包内存泄漏
let globalLeakyArray = [];

function createLeakyClosure() {
    let largeArray = new Array(10000).fill('leak-data'); // 一个大数组
    let someObject = { id: Math.random(), data: largeArray }; // 另一个大对象

    // 这个内部函数形成闭包，捕获了 largeArray 和 someObject
    function innerFunction() {
        // 即使 innerFunction 内部不直接使用 largeArray，
        // 只要 innerFunction 引用了 someObject，而 someObject 引用了 largeArray，
        // 或者更直接地，innerFunction 引用了 outer scope 的变量
        console.log('I am a closure, and I capture outer scope variables.');
        // 为了演示，我们让它直接使用捕获的变量
        console.log(someObject.id);
    }

    // 将闭包存入一个全局数组，使其长期存活
    globalLeakyArray.push(innerFunction);

    // 如果这里没有将 innerFunction 存起来，那么 innerFunction 及其捕获的变量在 outerFunction 执行完后就会被回收。
    // 但现在，globalLeakyArray 持有了 innerFunction 的引用，
    // innerFunction 又持有了 someObject 和 largeArray 的引用，导致泄漏。
}

// 模拟多次调用，每次都会创建新的大数组和对象，并被闭包捕获
for (let i = 0; i < 5; i++) {
    createLeakyClosure();
}

console.log('Created 5 leaky closures. Check memory usage now.');
// 此时，globalLeakyArray 中有 5 个闭包，每个闭包都间接或直接引用了一个 10000 元素的数组。
// 这些数组和对象将无法被垃圾回收。

这个例子展示了闭包如何通过延长局部变量的生命周期，从而阻止垃圾回收器回收它们。

1.4 常见的闭包内存泄漏场景

1. 事件监听器：

   • 最常见的场景。给DOM元素添加事件监听器，事件处理函数是一个闭包，捕获了外部作用域的大对象或DOM元素。
   • 当DOM元素从文档中移除时，如果事件监听器没有被移除，闭包仍然存在，并且引用着那个被移除的DOM元素（或其父级），导致DOM元素及其关联数据无法被回收。
   • 尤其是在单页应用（SPA）中，页面切换时组件销毁，如果不清理事件监听器，很容易发生泄漏。

   // 泄漏示例：事件监听器
   let detachedElements = []; // 存储被移除但未释放的DOM元素
   
   function addLeakyListener() {
       const container = document.getElementById('container');
       if (!container) return;
   
       let largeData = new Array(10000).fill('event-data'); // 大数据
       let count = 0;
   
       // 闭包捕获了 largeData 和 container
       const handler = () => {
           console.log('Button clicked!', count++);
           // 即使 handler 内部不直接使用 largeData，但它在同一个作用域，
           // 并且通常会通过闭包上下文来保持对整个作用域的引用。
           // 这里为了明确，我们可以让它直接使用
           if (largeData.length > 0) {
                // 访问 largeData，确保其被捕获
                console.log(largeData[0]);
           }
       };
   
       const button = document.createElement('button');
       button.textContent = 'Click Me';
       button.onclick = handler; // 赋值给 onclick 属性，闭包被持有
       // 或者 button.addEventListener('click', handler);
   
       container.appendChild(button);
   
       // 模拟页面卸载或组件销毁
       setTimeout(() => {
           console.log('Simulating component unmount...');
           if (button.parentNode) {
               button.parentNode.removeChild(button);
               detachedElements.push(button); // button 被移除了，但 handler 仍然持有它的引用
           }
           // 此时，handler 仍然存在，因为它是 button.onclick 的值，
           // 并且 handler 捕获了 largeData。
           // 如果没有明确地将 button.onclick = null 或者 removeEventListener，
           // largeData 和 button 都会泄漏。
       }, 3000);
   }
   
   // 假设在应用启动时调用
   // addLeakyListener(); // 暂时注释，避免干扰主演示

2. 定时器（setTimeout, setInterval）：

   • 定时器的回调函数是闭包，捕获了外部变量。
   • 如果定时器没有被清除（clearTimeout, clearInterval），即使外部作用域已经“完成”，回调函数仍会周期性执行，并一直持有其捕获的变量，阻止GC。

   // 泄漏示例：定时器
   let leakyTimers = [];
   
   function createLeakyTimer() {
       let largeData = new Array(5000).fill('timer-data'); // 大数据
       let counter = 0;
   
       // 闭包捕获了 largeData 和 counter
       const intervalId = setInterval(() => {
           console.log('Timer running:', counter++);
           // 访问 largeData，确保其被捕获
           if (largeData.length > 0) {
               console.log(largeData[0]);
           }
       }, 1000);
   
       leakyTimers.push(intervalId); // 保存定时器ID，但这里的问题是定时器本身未被清除
   
       // 模拟一个场景，期望定时器在一定时间后停止，但忘记清除
       // setTimeout(() => {
       //     console.log('Intended to stop timer, but forgot clearInterval!');
       //     // clearInterval(intervalId); // 应该在这里清除
       // }, 5000);
   }
   
   // 多次创建未清除的定时器
   // for (let i = 0; i < 3; i++) {
   //     createLeakyTimer();
   // }
   
   // console.log('Created 3 leaky timers. They will run indefinitely and leak memory.');
   // 此时，3个定时器回调函数持续运行，每个都捕获了一个大型数组。
   // 这些大型数组将无法被回收。

3. 缓存机制：

   • 如果使用闭包来实现缓存（例如 memoization），并且缓存的对象非常大，或者缓存策略没有适当的清除机制，那么旧的、不再需要的缓存数据也会一直被闭包持有。

4. 模块模式/单例模式：

   • 在一些模块化设计中，如果模块内部的私有变量被暴露的公共方法（闭包）捕获，并且这些私有变量是大型数据结构，那么这些数据会一直存活。

5. 跨iframe引用：

   • 父页面或子页面中的闭包持有对方DOM元素或JS对象的引用，即使iframe被移除，也可能导致泄漏。

理解这些原理和常见场景，是高效排查内存泄漏的第一步。接下来，我们将学习如何通过Chrome DevTools来系统地发现这些问题。

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第二部分：内存泄漏的症状与Chrome DevTools 概述

2.1 内存泄漏的典型症状

在实际应用中，内存泄漏往往表现为以下症状：

• 应用性能下降： 页面加载缓慢，操作响应迟钝，动画卡顿。
• CPU使用率升高： 垃圾回收器为了寻找更多内存而频繁运行，消耗CPU。
• 内存占用持续增长： 浏览器或Node.js进程的内存占用量随着应用使用时间的增长而不断攀升。
• 浏览器/系统崩溃： 内存耗尽时，浏览器标签页可能会崩溃，甚至导致整个系统不稳定。
• 用户体验差： 卡顿、无响应、闪退等问题直接影响用户对产品的满意度。

2.2 Chrome DevTools：内存分析利器

Chrome DevTools 提供了一套强大的工具集来分析和诊断内存问题。我们将主要关注“Memory”面板。

Memory 面板提供了三种主要的内存分析工具：

1. Heap snapshot (堆快照)：

   • 这是我们今天排查闭包泄漏的重点。它会记录应用程序在某一时刻的JavaScript堆内存的详细情况。
   • 你可以看到所有JavaScript对象、DOM节点、事件监听器等，以及它们之间的引用关系。
   • 通过比较前后两个快照，可以找出哪些对象被创建后没有被回收。

2. Allocation instrumentation on timeline (分配时间线)：

   • 用于实时记录内存分配情况。
   • 在一段时间内执行操作时，你可以看到哪些对象被创建，以及它们在时间线上的生命周期。
   • 对于找出频繁分配但未及时释放的小对象造成的性能问题非常有效。

3. Performance monitor (性能监视器)：

   • 提供了一组实时图表，用于监控JS堆、DOM节点、事件监听器、CPU使用率等关键指标的动态变化。
   • 适合作为初步判断是否存在内存泄漏的工具。

如何选择？

• 初步判断是否有泄漏： 使用 Performance monitor。如果JS堆大小持续增长，很可能存在泄漏。
• 定位泄漏对象及其引用链： 使用 Heap snapshot。这是定位闭包泄漏的核心工具。
• 分析特定操作的内存分配： 使用 Allocation instrumentation。如果你怀疑某个操作导致了大量临时对象的创建但未及时回收，这个工具很有用。

在接下来的部分，我们将主要聚焦于 Heap snapshot 来定位闭包内存泄漏。

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第三部分：实战演练：使用Chrome DevTools 定位闭包内存泄漏

现在，让我们通过一个具体的例子来演示如何使用Chrome DevTools来定位闭包导致的内存泄漏。

3.1 泄漏场景搭建：一个简单的HTML页面

我们将创建一个HTML页面，其中包含一个按钮，点击按钮会模拟创建一个“组件”，这个“组件”会添加一个事件监听器，并且这个监听器是一个闭包，它捕获了一个大对象。同时，我们还会模拟“组件销毁”但不正确地清理事件监听器的情况。

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
    <title>Closure Memory Leak Demo</title>
    <style>
        body { font-family: Arial, sans-serif; margin: 20px; }
        #app-container { border: 1px solid #ccc; padding: 20px; min-height: 100px; margin-bottom: 20px; }
        .component-box { border: 1px dashed #eee; padding: 10px; margin-top: 10px; }
        button { padding: 8px 15px; margin-right: 10px; cursor: pointer; }
    </style>
</head>
<body>
    <h1>闭包内存泄漏排查演示</h1>
    <p>点击“创建组件”按钮，会生成一个包含大数据的组件。点击组件内的按钮触发闭包。点击“移除所有组件”按钮，会从DOM中移除组件，但我们故意不清理事件监听器，制造内存泄漏。</p>

    <button id="createAppComponent">创建组件</button>
    <button id="removeAppComponents">移除所有组件</button>
    <button id="forceGC">强制垃圾回收 (仅限开发环境)</button>

    <div id="app-container">
        <!-- Components will be appended here -->
    </div>

    <script>
        // 存储所有组件实例，以便模拟移除
        const allComponents = [];
        let componentId = 0;

        // 模拟一个“组件”
        function createLeakyComponent() {
            componentId++;
            const currentComponentId = componentId;
            console.log(`Creating component ${currentComponentId}`);

            const componentRoot = document.createElement('div');
            componentRoot.className = 'component-box';
            componentRoot.innerHTML = `
                <h3>Component ${currentComponentId}</h3>
                <p>This component holds a large data array.</p>
                <button class="component-action-btn">触发闭包动作</button>
            `;
            document.getElementById('app-container').appendChild(componentRoot);

            // 这是一个大的数据对象，我们希望它在组件销毁时被回收
            // 但是一个闭包会捕获它
            const largeData = new Array(50000).fill(`data-from-component-${currentComponentId}`);
            let clickCount = 0;

            // 这是一个闭包事件处理函数
            // 它捕获了 currentComponentId, largeData, clickCount
            const leakyEventHandler = () => {
                clickCount++;
                console.log(`Component ${currentComponentId} button clicked. Click count: ${clickCount}`);
                // 确保闭包实际访问了 largeData，这样 V8 引擎会更倾向于保留整个作用域链
                // 尽管即使不访问，只要存在引用链，也会保留。
                if (largeData.length > 0) {
                    console.log(`Accessing data: ${largeData[0]}`);
                }
            };

            // 将闭包作为事件监听器附加到按钮
            const actionButton = componentRoot.querySelector('.component-action-btn');
            actionButton.addEventListener('click', leakyEventHandler);

            // 将组件及其相关信息存储起来，用于后续的移除操作
            allComponents.push({
                id: currentComponentId,
                root: componentRoot,
                // 这里我们故意不存储 leakyEventHandler 的引用，
                // 因为在真实泄漏场景中，我们可能“忘记”了它
                // handler: leakyEventHandler, // 如果存储了，方便移除，但也会创建额外的引用
                actionButton: actionButton // 存储按钮，方便演示移除
            });

            console.log(`Component ${currentComponentId} created.`);
        }

        function removeAllComponents() {
            console.log('Removing all components from DOM...');
            const container = document.getElementById('app-container');
            while (container.firstChild) {
                const child = container.firstChild;
                // 注意：这里只是从DOM中移除了元素，并没有移除事件监听器！
                // 这就是内存泄漏的根源。
                container.removeChild(child);
            }
            // 清空 allComponents 数组，模拟组件在业务逻辑上被“销毁”
            // 但因为事件监听器未被清理，被捕获的 largeData 仍然存在。
            allComponents.length = 0; // 清空数组
            console.log('All components removed from DOM. Leaked objects might still be in memory.');
        }

        // 强制垃圾回收函数（仅用于开发调试，不应在生产环境使用）
        function forceGarbageCollection() {
            if (window.gc) { // window.gc 是 V8 引擎提供的一个非标准API，需要通过 `--expose-gc` 启动Chrome
                window.gc();
                console.log('Forced garbage collection.');
            } else {
                console.warn('window.gc() is not available. Launch Chrome with --expose-gc flag for this feature.');
            }
        }

        // 绑定事件
        document.getElementById('createAppComponent').addEventListener('click', createLeakyComponent);
        document.getElementById('removeAppComponents').addEventListener('click', removeAllComponents);
        document.getElementById('forceGC').addEventListener('click', forceGarbageCollection);

        console.log('Page loaded. Start creating components.');
    </script>
</body>
</html>

将上述代码保存为 leak-demo.html。

准备工作：
为了确保 window.gc() 可用，你需要以特定方式启动Chrome浏览器。

• Windows: 打开cmd，输入 chrome.exe --expose-gc (需要先找到Chrome的安装路径，或将其添加到环境变量)。
• macOS: 打开终端，输入 /Applications/Google Chrome.app/Contents/MacOS/Google Chrome --expose-gc。
• Linux: google-chrome --expose-gc。
  如果无法启动，或者不想启动，不使用 window.gc() 也可以，只需等待浏览器自动进行垃圾回收，或在DevTools中点击垃圾桶图标手动触发。但 window.gc() 会让测试结果更清晰。

3.2 步骤一：初步判断：使用 Performance monitor

1. 打开 leak-demo.html 在Chrome浏览器中。
2. 打开 DevTools (F12 或 右键 -> Inspect)。
3. 切换到 Memory 面板。
4. 选择 Performance monitor，并确保“JS Heap”和“Nodes”选项被勾选。

现在，开始观察：

• 点击 创建组件 按钮 5-10 次。 观察 JS Heap 和 Nodes 的实时曲线。你会看到它们都会有显著的增长。
• 点击 移除所有组件 按钮。 此时，你可能会期望 JS Heap 和 Nodes 曲线下降。但你会发现，它们可能略有下降，但不会回到初始水平，甚至可能保持在一个高位。这是一个初步的泄漏迹象。
• 点击 强制垃圾回收 按钮（如果可用）。 即使强制GC，曲线也不会大幅下降，进一步确认了泄漏。

这表明内存可能存在问题，有对象没有被正确回收。

指标	初始状态	创建组件后	移除组件后	强制GC后	分析
JS Heap	较低	明显升高	略有下降或不变	略有下降或不变	持续高位表明JS对象未被回收
Nodes	较低	明显升高	略有下降或不变	略有下降或不变	持续高位表明DOM节点未被回收
Listeners	较低	明显升高	略有下降或不变	略有下降或不变	持续高位表明事件监听器未被移除

3.3 步骤二：定位泄漏：使用 Heap snapshot

Heap snapshot 是定位泄漏的核心工具。我们将通过比较两个快照来找出泄漏的对象。

1. 准备基线快照：

   • 确保页面加载完成，但尚未进行任何可能导致泄漏的操作。
   • 在 Memory 面板中，选择 Heap snapshot。
   • 点击 Take snapshot 按钮。这将捕获当前的内存状态，作为我们的基线。

2. 执行泄漏操作并捕获第二个快照：

   • 点击 创建组件 按钮，多次（例如5次）。 每次点击都会创建一个新的组件，并导致大对象和闭包的生成。
   • 点击 移除所有组件 按钮。 此时，我们期望这些组件及其关联的数据被回收，但实际上不会完全回收。
   • 点击 强制垃圾回收 按钮（如果可用）。 确保在分析前尽可能地回收了内存。
   • 再次点击 Take snapshot 按钮。 这将是我们的第二个快照。

3. 比较两个快照：

   • 在 Memory 面板左侧的快照列表中，选择最新的快照。
   • 在快照视图顶部的下拉菜单中，将视图从 Summary 切换到 Comparison。
   • 在 Comparison with 下拉菜单中，选择你刚刚捕获的第一个基线快照。

   此时，你会看到一个表格，显示了两个快照之间对象数量和内存大小的变化。

   列名	含义
   Constructor	对象的构造函数名称。
   #New	在第二个快照中新创建的对象数量。
   #Deleted	在第一个快照中存在，但在第二个快照中被删除的对象数量。
   #Delta	#New - #Deleted，正值表示泄漏。
   Size Delta	内存大小的净变化。
   Alloc. Size	分配的总大小。
   Freed Size	释放的总大小。

   关键点：寻找 #Delta 和 Size Delta 为正且较大的行。
   这些行代表了在两次快照之间新创建且未被垃圾回收的对象。

   在我们的示例中，你可能会看到以下情况：

   • Array 对象： 你会看到 Array 类型的 #Delta 很大，通常与我们创建的 largeData 数组有关。
   • Object 对象： 可能会有 Object 类型的增量。
   • HTMLDivElement 或 HTMLButtonElement： 可能会有 DOM 元素类型的增量，这些是“Detached DOM tree”的一部分。
   • (closure)： 这不是一个构造函数，而是一个特殊的标记，表示被闭包捕获的变量上下文。

4. 深入分析泄漏对象的保留路径 (Retainers)：

   • 在 Comparison 视图中，找到那些 #Delta 和 Size Delta 明显为正的 Array 对象（或者你怀疑是泄漏源的任何其他对象，例如 Object）。
   • 点击该 Array 对象旁边的展开箭头。 这会显示该对象的所有实例。
   • 点击一个具体的 Array 实例。 在底部的 Retainers 窗口中，你将看到这个对象被哪些其他对象所引用（即为什么它没有被垃圾回收）。

   Retainers 视图显示的是一个引用链，从当前对象一直向上追溯到根对象。

   查找闭包泄漏的关键：
   在 Retainers 路径中，你需要寻找 (closure) 或 (context) 这样的标记。

   • (closure)：表示这是一个闭包函数，它捕获了其外部作用域的变量。
   • (context)：表示这是一个闭包上下文对象，它存储了闭包捕获的变量。

   一步步追踪：
   你会看到类似这样的引用链（从底向上看，或从左向右看，取决于DevTools的版本和你的视图设置）：

   (object) Array @xxxxxxxx -> // 泄漏的大数组
     (array) largeData -> // 数组变量名，存储在某个作用域中
       (context) ClosureContext for leakyEventHandler @xxxxxxxx -> // 闭包上下文
         (closure) leakyEventHandler @xxxxxxxx -> // 闭包函数本身
           (object) HTMLButtonElement @xxxxxxxx -> // 按钮元素 (actionButton)
             (object) EventListener @xxxxxxxx -> // 事件监听器对象，附加在按钮上
               (object) window @xxxxxxxx // 全局对象 (根)

   或者更简化的：

   Array @xxxxxxxxxx (50000)
     > largeData (Context)
       > (Closure) leakyEventHandler
         > (object) HTMLButtonElement @xxxxxxxxxx
           > (object) EventListener @xxxxxxxxxx
             > (object) Window @xxxxxxxxxx

   从这个路径，我们可以得出结论：

   • Array 对象 (largeData) 之所以没有被回收，是因为它被一个 (context) 引用。
   • 这个 (context) 是 leakyEventHandler 闭包的上下文。
   • leakyEventHandler 闭包又被 HTMLButtonElement 上的 EventListener 引用。
   • 而 HTMLButtonElement 虽然从DOM中移除了，但因为 EventListener 仍然持有它的引用，它也泄漏了，并且这个 EventListener 最终从 window （全局对象）可达。

   这明确指出了问题：leakyEventHandler 闭包被 HTMLButtonElement 持有，即使 HTMLButtonElement 从DOM中移除，这个引用链仍然存在，导致 largeData 无法被回收。

5. 定位 Detached DOM Tree 泄漏：

   • 在 Comparison 视图中，你可能还会看到 HTMLDivElement 或 HTMLButtonElement 的 #Delta 也是正值。