تحليل ذاكرة JavaScript: تقنيات تحليل لقطة الذاكرة المؤقتة (Heap Snapshot)

مع تزايد تعقيد تطبيقات JavaScript، أصبحت إدارة الذاكرة بكفاءة أمراً حاسماً لضمان الأداء الأمثل ومنع تسريبات الذاكرة المزعجة. يمكن أن تؤدي تسريبات الذاكرة إلى بطء التطبيقات، وتعطلها، وتجربة مستخدم سيئة. يعد تحليل الذاكرة الفعال ضرورياً لتحديد هذه المشكلات وحلها. يتعمق هذا الدليل الشامل في تقنيات تحليل لقطة الذاكرة المؤقتة، مما يزودك بالمعرفة والأدوات اللازمة لإدارة ذاكرة JavaScript بشكل استباقي وبناء تطبيقات قوية وعالية الأداء. سنغطي المفاهيم المطبقة على مختلف بيئات تشغيل JavaScript، بما في ذلك بيئات المتصفح وNode.js.

فهم إدارة الذاكرة في JavaScript

قبل الخوض في لقطات الذاكرة المؤقتة، دعنا نراجع بإيجاز كيفية إدارة الذاكرة في JavaScript. تستخدم JavaScript إدارة تلقائية للذاكرة من خلال عملية تسمى جمع البيانات المهملة (garbage collection). يقوم جامع البيانات المهملة بشكل دوري بتحديد واستعادة الذاكرة التي لم يعد التطبيق يستخدمها. ومع ذلك، فإن جمع البيانات المهملة ليس حلاً مثالياً، ولا يزال من الممكن حدوث تسريبات في الذاكرة عندما يتم الإبقاء على الكائنات عن غير قصد، مما يمنع جامع البيانات المهملة من استعادة ذاكرتها.

تشمل الأسباب الشائعة لتسرب الذاكرة في JavaScript ما يلي:

• المتغيرات العامة: يمكن أن يؤدي إنشاء متغيرات عامة عن طريق الخطأ، خاصة الكائنات الكبيرة، إلى منع جمعها كبيانات مهملة.
• الإغلاقات (Closures): يمكن أن تحتفظ الإغلاقات عن غير قصد بمراجع للمتغيرات في نطاقها الخارجي، حتى بعد عدم الحاجة إلى تلك المتغيرات.
• عناصر DOM المنفصلة: يمكن أن يؤدي إزالة عنصر DOM من شجرة DOM مع الاحتفاظ بمرجع له في كود JavaScript إلى تسرب الذاكرة.
• مستمعو الأحداث (Event listeners): يمكن أن يؤدي نسيان إزالة مستمعي الأحداث عند عدم الحاجة إليهم إلى إبقاء الكائنات المرتبطة بها حية.
• المؤقتات والردود (Timers and callbacks): يمكن أن يؤدي استخدام setInterval أو setTimeout دون مسحها بشكل صحيح إلى منع جامع البيانات المهملة من استعادة الذاكرة.

مقدمة إلى لقطات الذاكرة المؤقتة (Heap Snapshots)

لقطة الذاكرة المؤقتة (heap snapshot) هي لقطة مفصلة لذاكرة تطبيقك في نقطة زمنية محددة. تلتقط جميع الكائنات في الذاكرة المؤقتة، وخصائصها، وعلاقاتها ببعضها البعض. يتيح لك تحليل لقطات الذاكرة المؤقتة تحديد تسريبات الذاكرة، وفهم أنماط استخدام الذاكرة، وتحسين استهلاك الذاكرة.

يتم إنشاء لقطات الذاكرة المؤقتة عادةً باستخدام أدوات المطورين، مثل أدوات مطوري Chrome، وأدوات مطوري Firefox، أو أدوات تحليل الذاكرة المدمجة في Node.js. توفر هذه الأدوات ميزات قوية لجمع وتحليل لقطات الذاكرة المؤقتة.

جمع لقطات الذاكرة المؤقتة

أدوات مطوري Chrome

توفر أدوات مطوري Chrome مجموعة شاملة من أدوات تحليل الذاكرة. لجمع لقطة ذاكرة مؤقتة في أدوات مطوري Chrome، اتبع الخطوات التالية:

1. افتح أدوات مطوري Chrome بالضغط على F12 (أو Cmd+Option+I على macOS).
2. انتقل إلى لوحة Memory.
3. حدد نوع التحليل Heap snapshot.
4. انقر فوق زر Take snapshot.

ستقوم أدوات مطوري Chrome بعد ذلك بإنشاء لقطة ذاكرة مؤقتة وعرضها في لوحة Memory.

Node.js

في Node.js، يمكنك استخدام وحدة heapdump لإنشاء لقطات ذاكرة مؤقتة برمجياً. أولاً، قم بتثبيت وحدة heapdump:

            npm install heapdump
            

              
                Copy
              
            
          

بعد ذلك، يمكنك استخدام الكود التالي لإنشاء لقطة ذاكرة مؤقتة:

            const heapdump = require('heapdump');

// Take a heap snapshot
heapdump.writeSnapshot('heap.heapsnapshot', (err, filename) => {
  if (err) {
    console.error(err);
  } else {
    console.log('Heap snapshot written to', filename);
  }
});
            

              
                Copy
              
            
          

سينشئ هذا الكود ملف لقطة ذاكرة مؤقتة باسم heap.heapsnapshot في الدليل الحالي.

تحليل لقطات الذاكرة المؤقتة: المفاهيم الأساسية

يعد فهم المفاهيم الأساسية المستخدمة في تحليل لقطات الذاكرة المؤقتة أمراً بالغ الأهمية لتحديد مشكلات الذاكرة وحلها بفعالية.

الكائنات (Objects)

الكائنات هي اللبنات الأساسية لتطبيقات JavaScript. تحتوي لقطة الذاكرة المؤقتة على معلومات حول جميع الكائنات في الذاكرة، بما في ذلك نوعها وحجمها وخصائصها.

العناصر المحتجِزة (Retainers)

المحتجِز (retainer) هو كائن يبقي كائناً آخر حياً. بعبارة أخرى، إذا كان الكائن A هو محتجِز للكائن B، فإن الكائن A يحتفظ بمرجع إلى الكائن B، مما يمنع جمع الكائن B كبيانات مهملة. يعد تحديد العناصر المحتجِزة أمراً بالغ الأهمية لفهم سبب عدم جمع كائن معين كبيانات مهملة وللعثور على السبب الجذري لتسريبات الذاكرة.

العناصر المسيطرة (Dominators)

المسيطر (dominator) هو كائن يحتجز كائناً آخر بشكل مباشر أو غير مباشر. يسيطر الكائن A على الكائن B إذا كان كل مسار من جذر جمع البيانات المهملة إلى الكائن B يجب أن يمر عبر الكائن A. تعتبر العناصر المسيطرة مفيدة لفهم بنية الذاكرة الإجمالية للتطبيق ولتحديد الكائنات التي لها التأثير الأكبر على استخدام الذاكرة.

الحجم السطحي (Shallow Size)

الحجم السطحي (shallow size) لكائن ما هو مقدار الذاكرة الذي يستخدمه الكائن نفسه مباشرة. يشير هذا عادةً إلى الذاكرة التي تشغلها الخصائص المباشرة للكائن (مثل القيم الأولية كالأرقام أو القيم المنطقية، أو المراجع إلى كائنات أخرى). لا يشمل الحجم السطحي الذاكرة التي تستخدمها الكائنات التي تتم الإشارة إليها بواسطة هذا الكائن.

الحجم المحتجز (Retained Size)

الحجم المحتجز (retained size) لكائن ما هو إجمالي مقدار الذاكرة الذي سيتم تحريره إذا تم جمع الكائن نفسه كبيانات مهملة. وهذا يشمل الحجم السطحي للكائن بالإضافة إلى الأحجام السطحية لجميع الكائنات الأخرى التي لا يمكن الوصول إليها إلا من خلال ذلك الكائن. يعطي الحجم المحتجز صورة أكثر دقة للتأثير الإجمالي للكائن على الذاكرة.

تقنيات تحليل لقطة الذاكرة المؤقتة

الآن، دعنا نستكشف بعض التقنيات العملية لتحليل لقطات الذاكرة المؤقتة وتحديد تسريبات الذاكرة.

1. تحديد تسريبات الذاكرة عن طريق مقارنة اللقطات

من التقنيات الشائعة لتحديد تسريبات الذاكرة مقارنة لقطتي ذاكرة مؤقتة تم التقاطهما في نقاط زمنية مختلفة. يتيح لك ذلك معرفة الكائنات التي زاد عددها أو حجمها بمرور الوقت، مما قد يشير إلى تسرب في الذاكرة.

إليك كيفية مقارنة اللقطات في أدوات مطوري Chrome:

1. التقط لقطة ذاكرة مؤقتة في بداية عملية معينة أو تفاعل مستخدم.
2. قم بتنفيذ العملية أو تفاعل المستخدم الذي تشك في أنه يسبب تسرباً في الذاكرة.
3. التقط لقطة ذاكرة مؤقتة أخرى بعد اكتمال العملية أو تفاعل المستخدم.
4. في لوحة Memory، حدد اللقطة الأولى في قائمة اللقطات.
5. في القائمة المنسدلة بجوار اسم اللقطة، حدد Comparison.
6. حدد اللقطة الثانية في القائمة المنسدلة Compared to.

ستعرض لوحة Memory الآن الفرق بين اللقطتين. يمكنك تصفية النتائج حسب نوع الكائن أو حجمه أو حجمه المحتجز للتركيز على أهم التغييرات.

على سبيل المثال، إذا كنت تشك في أن مستمع حدث معين يتسبب في تسريب الذاكرة، يمكنك مقارنة اللقطات قبل وبعد إضافة وإزالة مستمع الحدث. إذا زاد عدد كائنات مستمعي الأحداث بعد كل تكرار، فهذا مؤشر قوي على وجود تسرب في الذاكرة.

2. فحص العناصر المحتجِزة للعثور على الأسباب الجذرية

بمجرد تحديد تسرب محتمل في الذاكرة، فإن الخطوة التالية هي فحص العناصر المحتجِزة للكائنات المتسربة لفهم سبب عدم جمعها كبيانات مهملة. توفر أدوات مطوري Chrome طريقة ملائمة لعرض العناصر المحتجِزة لكائن ما.

لعرض العناصر المحتجِزة لكائن ما:

1. حدد الكائن في لقطة الذاكرة المؤقتة.
2. في جزء Retainers، سترى قائمة بالكائنات التي تحتجز الكائن المحدد.

من خلال فحص العناصر المحتجِزة، يمكنك تتبع سلسلة المراجع التي تمنع جمع الكائن كبيانات مهملة. يمكن أن يساعدك هذا في تحديد السبب الجذري لتسرب الذاكرة وتحديد كيفية إصلاحه.

على سبيل المثال، إذا وجدت أن عنصر DOM منفصل يتم احتجازه بواسطة إغلاق (closure)، فيمكنك فحص الإغلاق لمعرفة المتغيرات التي تشير إلى عنصر DOM. يمكنك بعد ذلك تعديل الكود لإزالة المرجع إلى عنصر DOM، مما يسمح بجمعه كبيانات مهملة.

3. استخدام شجرة العناصر المسيطرة لتحليل بنية الذاكرة

توفر شجرة العناصر المسيطرة عرضاً هرمياً لبنية ذاكرة تطبيقك. تُظهر أي الكائنات تسيطر على كائنات أخرى، مما يمنحك نظرة عامة عالية المستوى على استخدام الذاكرة.

لعرض شجرة العناصر المسيطرة في أدوات مطوري Chrome:

1. في لوحة Memory، حدد لقطة ذاكرة مؤقتة.
2. في القائمة المنسدلة View، حدد Dominators.

سيتم عرض شجرة العناصر المسيطرة في لوحة Memory. يمكنك توسيع الشجرة وطيها لاستكشاف بنية ذاكرة تطبيقك. يمكن أن تكون شجرة العناصر المسيطرة مفيدة في تحديد الكائنات التي تستهلك أكبر قدر من الذاكرة وفهم كيفية ارتباط هذه الكائنات ببعضها البعض.

على سبيل المثال، إذا وجدت أن مصفوفة كبيرة تسيطر على جزء كبير من الذاكرة، يمكنك فحص المصفوفة لمعرفة ما تحتويه وكيفية استخدامها. قد تتمكن من تحسين المصفوفة عن طريق تقليل حجمها أو باستخدام بنية بيانات أكثر كفاءة.

4. تصفية وبحث عن كائنات محددة

عند تحليل لقطات الذاكرة المؤقتة، غالباً ما يكون من المفيد تصفية وبحث عن كائنات محددة. توفر أدوات مطوري Chrome إمكانيات تصفية وبحث قوية.

لتصفية الكائنات حسب النوع:

1. في لوحة Memory، حدد لقطة ذاكرة مؤقتة.
2. في حقل الإدخال Class filter، أدخل اسم نوع الكائن الذي تريد التصفية به (على سبيل المثال، Array، String، HTMLDivElement).

للبحث عن الكائنات حسب الاسم أو قيمة الخاصية:

1. في لوحة Memory، حدد لقطة ذاكرة مؤقتة.
2. في حقل الإدخال Object filter، أدخل مصطلح البحث.

يمكن أن تساعدك إمكانيات التصفية والبحث هذه في العثور بسرعة على الكائنات التي تهتم بها وتركيز تحليلك على المعلومات الأكثر صلة.

5. تحليل تخزين السلاسل النصية (String Interning)

غالباً ما تستخدم محركات JavaScript تقنية تسمى تخزين السلاسل النصية (string interning) لتحسين استخدام الذاكرة. يتضمن تخزين السلاسل النصية تخزين نسخة واحدة فقط من كل سلسلة نصية فريدة في الذاكرة وإعادة استخدام تلك النسخة كلما تمت مصادفة نفس السلسلة. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي تخزين السلاسل النصية أحياناً إلى تسرب الذاكرة إذا تم الإبقاء على السلاسل النصية حية عن غير قصد.

لتحليل تخزين السلاسل النصية في لقطات الذاكرة المؤقتة، يمكنك التصفية بحثاً عن كائنات String والبحث عن عدد كبير من السلاسل المتطابقة. إذا وجدت عدداً كبيراً من السلاسل المتطابقة التي لا يتم جمعها كبيانات مهملة، فقد يشير ذلك إلى مشكلة في تخزين السلاسل النصية.

على سبيل المثال، إذا كنت تقوم بإنشاء سلاسل نصية ديناميكياً بناءً على إدخال المستخدم، فقد تنشئ عن طريق الخطأ عدداً كبيراً من السلاسل الفريدة التي لا يتم تخزينها. يمكن أن يؤدي هذا إلى استهلاك مفرط للذاكرة. لتجنب ذلك، يمكنك محاولة تسوية السلاسل قبل استخدامها، مما يضمن إنشاء عدد محدود فقط من السلاسل الفريدة.

أمثلة عملية ودراسات حالة

دعنا نلقي نظرة على بعض الأمثلة العملية ودراسات الحالة لتوضيح كيفية استخدام تحليل لقطات الذاكرة المؤقتة لتحديد وحل تسريبات الذاكرة في تطبيقات JavaScript الواقعية.

مثال 1: تسرب مستمع الحدث (Event Listener)

تأمل مقتطف الكود التالي:

            function addClickListener(element) {
  element.addEventListener('click', function() {
    // Do something
  });
}

for (let i = 0; i < 1000; i++) {
  const element = document.createElement('div');
  addClickListener(element);
  document.body.appendChild(element);
}

            

              
                Copy
              
            
          

يضيف هذا الكود مستمع نقر إلى 1000 عنصر div تم إنشاؤه ديناميكياً. ومع ذلك، لا يتم إزالة مستمعي الأحداث أبداً، مما قد يؤدي إلى تسرب في الذاكرة.

لتحديد هذا التسرب في الذاكرة باستخدام تحليل لقطات الذاكرة المؤقتة، يمكنك التقاط لقطة قبل وبعد تشغيل هذا الكود. عند مقارنة اللقطات، سترى زيادة كبيرة في عدد كائنات مستمعي الأحداث. من خلال فحص العناصر المحتجِزة لكائنات مستمعي الأحداث، ستجد أنها محتجزة بواسطة عناصر div.

لإصلاح هذا التسرب في الذاكرة، تحتاج إلى إزالة مستمعي الأحداث عند عدم الحاجة إليها. يمكنك القيام بذلك عن طريق استدعاء removeEventListener على عناصر div عند إزالتها من DOM.

مثال 2: تسرب الذاكرة المتعلق بالإغلاقات (Closures)

تأمل مقتطف الكود التالي:

            function createClosure() {
  let largeArray = new Array(1000000).fill(0);

  return function() {
    console.log('Closure called');
  };
}

let myClosure = createClosure();

// The closure is still alive, even though largeArray is not directly used

            

              
                Copy
              
            
          

ينشئ هذا الكود إغلاقاً يحتجز مصفوفة كبيرة. على الرغم من أن المصفوفة لا تستخدم مباشرة داخل الإغلاق، إلا أنها لا تزال محتجزة، مما يمنع جمعها كبيانات مهملة.

لتحديد هذا التسرب في الذاكرة باستخدام تحليل لقطات الذاكرة المؤقتة، يمكنك التقاط لقطة بعد إنشاء الإغلاق. عند فحص اللقطة، سترى مصفوفة كبيرة يتم احتجازها بواسطة الإغلاق. من خلال فحص العناصر المحتجِزة للمصفوفة، ستجد أنها محتجزة بواسطة نطاق الإغلاق.

لإصلاح هذا التسرب في الذاكرة، يمكنك تعديل الكود لإزالة المرجع إلى المصفوفة داخل الإغلاق. على سبيل المثال، يمكنك تعيين المصفوفة إلى null بعد عدم الحاجة إليها.

دراسة حالة: تحسين تطبيق ويب كبير

كان أحد تطبيقات الويب الكبيرة يواجه مشكلات في الأداء وتعطلاً متكرراً. اشتبه فريق التطوير في أن تسريبات الذاكرة تساهم في هذه المشكلات. استخدموا تحليل لقطات الذاكرة المؤقتة لتحديد وحل تسريبات الذاكرة.

أولاً، التقطوا لقطات ذاكرة مؤقتة على فترات منتظمة أثناء تفاعلات المستخدم النموذجية. من خلال مقارنة اللقطات، حددوا عدة مناطق كان يزداد فيها استخدام الذاكرة بمرور الوقت. ثم ركزوا على تلك المناطق وفحصوا العناصر المحتجِزة للكائنات المتسربة لفهم سبب عدم جمعها كبيانات مهملة.

اكتشفوا عدة تسريبات في الذاكرة، بما في ذلك:

• تسرب مستمعي الأحداث على عناصر DOM منفصلة
• إغلاقات تحتجز هياكل بيانات كبيرة
• مشكلات تخزين السلاسل النصية مع السلاسل التي يتم إنشاؤها ديناميكياً

من خلال إصلاح هذه التسريبات في الذاكرة، تمكن فريق التطوير من تحسين أداء واستقرار تطبيق الويب بشكل كبير. أصبح التطبيق أكثر استجابة، وتم تقليل وتيرة الأعطال.

أفضل الممارسات لمنع تسريبات الذاكرة

منع تسريبات الذاكرة دائماً أفضل من الاضطرار إلى إصلاحها بعد حدوثها. إليك بعض أفضل الممارسات لمنع تسريبات الذاكرة في تطبيقات JavaScript:

• تجنب إنشاء متغيرات عامة: استخدم المتغيرات المحلية كلما أمكن لتقليل خطر إنشاء متغيرات عامة عن طريق الخطأ لا يتم جمعها كبيانات مهملة.
• كن حذراً من الإغلاقات: افحص الإغلاقات بعناية للتأكد من أنها لا تحتجز مراجع غير ضرورية للمتغيرات في نطاقها الخارجي.
• إدارة عناصر DOM بشكل صحيح: قم بإزالة عناصر DOM من شجرة DOM عند عدم الحاجة إليها، وتأكد من أنك لا تحتفظ بمراجع لعناصر DOM منفصلة في كود JavaScript الخاص بك.
• إزالة مستمعي الأحداث: قم دائماً بإزالة مستمعي الأحداث عند عدم الحاجة إليها لمنع إبقاء الكائنات المرتبطة بها حية.
• مسح المؤقتات والردود: قم بمسح المؤقتات والردود التي تم إنشاؤها باستخدام setInterval أو setTimeout بشكل صحيح لمنعها من إعاقة جمع البيانات المهملة.
• استخدام المراجع الضعيفة: ضع في اعتبارك استخدام WeakMap أو WeakSet عندما تحتاج إلى ربط البيانات بالكائنات دون منع جمع تلك الكائنات كبيانات مهملة.
• استخدام أدوات تحليل الذاكرة: استخدم أدوات تحليل الذاكرة بانتظام لمراقبة استخدام الذاكرة وتحديد تسريبات الذاكرة المحتملة.
• مراجعات الكود: قم بتضمين اعتبارات إدارة الذاكرة في مراجعات الكود.

تقنيات وأدوات متقدمة

بينما توفر أدوات مطوري Chrome مجموعة قوية من أدوات تحليل الذاكرة، هناك أيضاً تقنيات وأدوات متقدمة أخرى يمكنك استخدامها لتعزيز قدرات تحليل الذاكرة لديك.

أدوات تحليل الذاكرة في Node.js

يوفر Node.js العديد من الأدوات المدمجة والجهات الخارجية لتحليل الذاكرة، بما في ذلك:

• heapdump: وحدة لإنشاء لقطات ذاكرة مؤقتة برمجياً.
• v8-profiler: وحدة لجمع ملفات تعريف وحدة المعالجة المركزية والذاكرة.
• Clinic.js: أداة لتحليل الأداء توفر رؤية شاملة لأداء تطبيقك.
• Memlab: إطار عمل لاختبار ذاكرة JavaScript للعثور على تسريبات الذاكرة ومنعها.

مكتبات الكشف عن تسرب الذاكرة

يمكن أن تساعدك العديد من مكتبات JavaScript في الكشف التلقائي عن تسريبات الذاكرة في تطبيقاتك، مثل:

• leakage: مكتبة للكشف عن تسريبات الذاكرة في تطبيقات Node.js.
• jsleak-detector: مكتبة تعمل في المتصفح للكشف عن تسريبات الذاكرة.

الاختبار الآلي لتسرب الذاكرة

يمكنك دمج الكشف عن تسرب الذاكرة في سير عمل الاختبار الآلي الخاص بك لضمان بقاء تطبيقك خالياً من تسرب الذاكرة بمرور الوقت. يمكن تحقيق ذلك باستخدام أدوات مثل Memlab أو عن طريق كتابة اختبارات تسرب ذاكرة مخصصة باستخدام تقنيات تحليل لقطات الذاكرة المؤقتة.

الخاتمة

يعد تحليل الذاكرة مهارة أساسية لأي مطور JavaScript. من خلال فهم تقنيات تحليل لقطات الذاكرة المؤقتة، يمكنك إدارة الذاكرة بشكل استباقي، وتحديد وحل تسريبات الذاكرة، وتحسين أداء تطبيقاتك. سيساعدك استخدام أدوات تحليل الذاكرة بانتظام واتباع أفضل الممارسات لمنع تسريبات الذاكرة على بناء تطبيقات JavaScript قوية وعالية الأداء تقدم تجربة مستخدم رائعة. تذكر الاستفادة من أدوات المطورين القوية المتاحة ودمج اعتبارات إدارة الذاكرة طوال دورة حياة التطوير.

سواء كنت تعمل على تطبيق ويب صغير أو نظام مؤسسي كبير، فإن إتقان تحليل ذاكرة JavaScript هو استثمار جدير بالاهتمام سيؤتي ثماره على المدى الطويل.