【Node.js从基础到高级运用】二十八、Node.js 内存管理浅析

Node.js 作为一个基于 Chrome V8 引擎的 JavaScript 运行环境，其性能和效率在很大程度上取决于内存管理的优劣。

1. Node.js 内存结构

在深入了解内存管理之前，我们需要先了解 Node.js 的内存结构。Node.js 的内存可以大致分为以下几个部分：

堆内存（Heap）：存放 JavaScript 对象和闭包等。
栈内存（Stack）：存放基本类型变量和对象的指针，以及控制流程。
原生（Native）内存：Node.js C++ 层面的内存使用，如 Buffer。

2. V8 垃圾回收机制

V8 引擎使用了分代垃圾回收机制，主要分为新生代（Young Generation）和老生代（Old Generation）。

新生代：存放生命周期短的对象，使用 Scavenge 算法进行垃圾回收。
老生代：存放生命周期长或从新生代晋升过来的对象，使用 Mark-Sweep（标记-清除）和 Mark-Compact（标记-整理）算法进行垃圾回收。

3. 内存泄漏问题

内存泄漏是指已分配的内存未能正确释放，导致可用内存逐渐减少，最终可能引起内存溢出或程序崩溃。常见的内存泄漏包括：

全局变量引用
闭包
未清理的定时器和监听器
未释放的外部资源

4. 监控和诊断内存使用

Node.js 提供了多种工具和模块来监控和诊断内存使用情况，如 process.memoryUsage() 方法和 --inspect 参数启动的 Chrome 开发者工具。

示例代码：使用 `process.memoryUsage()` 监控内存使用

setInterval(() => {
  const memoryUsage = process.memoryUsage();
  console.log(`内存使用情况：\n${JSON.stringify(memoryUsage, null, 2)}`);
}, 10000);

5. 内存管理实践

5.1 避免全局变量

全局变量会一直存在于内存中，不会被垃圾回收机制回收，因此应当尽量避免使用。

5.2 优化闭包

闭包可以维持函数内局部变量，但不恰当的使用会导致内存泄漏。应当确保只保留必要的引用。

5.3 清理定时器和监听器

定时器和事件监听器如果不在不需要时清理，可能会导致内存泄漏。

示例代码：清理定时器

const intervalId = setInterval(() => {
  // 定时器执行的代码
}, 1000);

// 在适当的时机清理定时器
clearInterval(intervalId);

5.4 使用 Buffer 池

对于频繁使用 Buffer 的场景，可以通过 Buffer 池来管理 Buffer 实例，以减少内存的分配和回收操作。

示例代码：使用 Buffer 池

const { Buffer } = require('buffer');

// 创建一个 Buffer 池
const bufferPool = [];
const POOL_SIZE = 10; // 假设池子大小为10

function getBuffer() {
  if (bufferPool.length > 0) {
    return bufferPool.pop();
  }
  return Buffer.alloc(1024); // 分配一个新的 Buffer
}

function returnBuffer(buffer) {
  if (bufferPool.length < POOL_SIZE) {
    bufferPool.push(buffer);
  }
}

// 使用 Buffer
const buffer = getBuffer();
// ... 使用 buffer 完成操作
returnBuffer(buffer); // 使用完毕后返回 Buffer 池

6. Node.js 内存管理实际案例：使用缓存优化性能

Node.js 应用通常会使用内存作为数据缓存的存储介质。下面是一个简单的内存缓存实现示例：

const cache = {};

/**
 * 设置缓存
 * @param {string} key - 缓存键
 * @param {*} value - 缓存值
 * @param {number} ttl - 缓存有效时间（毫秒）
 */
function setCache(key, value, ttl) {
  const expire = Date.now() + ttl;
  cache[key] = { value, expire };

  // 设置一个定时器，到期自动删除缓存
  setTimeout(() => {
    if (cache[key] && cache[key].expire <= Date.now()) {
      delete cache[key];
    }
  }, ttl);
}

/**
 * 获取缓存
 * @param {string} key - 缓存键
 * @return {*} 缓存值，如果缓存不存在或已过期，则返回 undefined
 */
function getCache(key) {
  const item = cache[key];
  if (item && item.expire > Date.now()) {
    return item.value;
  }
  // 过期或不存在时清理缓存项
  delete cache[key];
  return undefined;
}

// 示例使用缓存
setCache('user_123', { name: '张三', age: 30 }, 10000); // 缓存 10 秒

setTimeout(() => {
  const user = getCache('user_123');
  console.log(user); // 10 秒内会返回用户数据，之后返回 undefined
}, 9000);
setTimeout(() => {
  const user = getCache('user_123');
  console.log(user); // undefined
}, 10000);