JavaScript-Speicherprofiling: Analysetechniken für Heap-Snapshots

Da JavaScript-Anwendungen immer komplexer werden, ist eine effiziente Speicherverwaltung entscheidend, um eine optimale Leistung zu gewährleisten und gefürchtete Speicherlecks zu verhindern. Speicherlecks können zu Verlangsamungen, Abstürzen und einer schlechten Benutzererfahrung führen. Effektives Speicherprofiling ist unerlässlich, um diese Probleme zu identifizieren und zu beheben. Dieser umfassende Leitfaden befasst sich mit den Techniken der Heap-Snapshot-Analyse und vermittelt Ihnen das Wissen und die Werkzeuge, um den JavaScript-Speicher proaktiv zu verwalten und robuste, leistungsstarke Anwendungen zu erstellen. Wir werden Konzepte behandeln, die auf verschiedene JavaScript-Laufzeitumgebungen anwendbar sind, einschließlich browserbasierter und Node.js-Umgebungen.

Grundlagen der Speicherverwaltung in JavaScript

Bevor wir uns mit Heap-Snapshots befassen, wollen wir kurz wiederholen, wie der Speicher in JavaScript verwaltet wird. JavaScript verwendet eine automatische Speicherverwaltung durch einen Prozess namens Garbage Collection (Müllsammlung). Der Garbage Collector identifiziert und gibt in regelmäßigen Abständen Speicher frei, der von der Anwendung nicht mehr verwendet wird. Die Garbage Collection ist jedoch keine perfekte Lösung, und Speicherlecks können dennoch auftreten, wenn Objekte unbeabsichtigt am Leben erhalten werden, was den Garbage Collector daran hindert, ihren Speicher freizugeben.

Häufige Ursachen für Speicherlecks in JavaScript sind:

• Globale Variablen: Das versehentliche Erstellen globaler Variablen, insbesondere großer Objekte, kann verhindern, dass sie vom Garbage Collector erfasst werden.
• Closures: Closures können unbeabsichtigt Referenzen auf Variablen in ihrem äußeren Geltungsbereich behalten, auch nachdem diese Variablen nicht mehr benötigt werden.
• Abgekoppelte DOM-Elemente: Das Entfernen eines DOM-Elements aus dem DOM-Baum, während im JavaScript-Code noch eine Referenz darauf behalten wird, kann zu Speicherlecks führen.
• Event-Listener: Das Vergessen, Event-Listener zu entfernen, wenn sie nicht mehr benötigt werden, kann die zugehörigen Objekte am Leben erhalten.
• Timer und Callbacks: Die Verwendung von setInterval oder setTimeout ohne deren ordnungsgemäße Löschung kann verhindern, dass der Garbage Collector Speicher freigibt.

Einführung in Heap-Snapshots

Ein Heap-Snapshot ist eine detaillierte Momentaufnahme des Speichers Ihrer Anwendung zu einem bestimmten Zeitpunkt. Er erfasst alle Objekte im Heap, ihre Eigenschaften und ihre Beziehungen zueinander. Die Analyse von Heap-Snapshots ermöglicht es Ihnen, Speicherlecks zu identifizieren, Speichernutzungsmuster zu verstehen und den Speicherverbrauch zu optimieren.

Heap-Snapshots werden typischerweise mit Entwicklerwerkzeugen wie den Chrome DevTools, Firefox Developer Tools oder den integrierten Speicherprofiling-Tools von Node.js erstellt. Diese Werkzeuge bieten leistungsstarke Funktionen zum Sammeln und Analysieren von Heap-Snapshots.

Heap-Snapshots erstellen

Chrome DevTools

Die Chrome DevTools bieten einen umfassenden Satz an Werkzeugen für das Speicherprofiling. Um einen Heap-Snapshot in den Chrome DevTools zu erstellen, befolgen Sie diese Schritte:

1. Öffnen Sie die Chrome DevTools durch Drücken von F12 (oder Cmd+Option+I unter macOS).
2. Navigieren Sie zum Memory-Panel.
3. Wählen Sie den Profiling-Typ Heap snapshot.
4. Klicken Sie auf die Schaltfläche Take snapshot.

Die Chrome DevTools erstellen dann einen Heap-Snapshot und zeigen ihn im Memory-Panel an.

Node.js

In Node.js können Sie das heapdump-Modul verwenden, um Heap-Snapshots programmgesteuert zu erstellen. Installieren Sie zuerst das heapdump-Modul:

            npm install heapdump
            

              
                Copy
              
            
          

Dann können Sie den folgenden Code verwenden, um einen Heap-Snapshot zu erstellen:

            const heapdump = require('heapdump');

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

              
                Copy
              
            
          

Dieser Code erstellt eine Heap-Snapshot-Datei mit dem Namen heap.heapsnapshot im aktuellen Verzeichnis.

Analyse von Heap-Snapshots: Schlüsselkonzepte

Das Verständnis der Schlüsselkonzepte, die bei der Analyse von Heap-Snapshots verwendet werden, ist entscheidend, um Speicherprobleme effektiv zu identifizieren und zu lösen.

Objekte

Objekte sind die grundlegenden Bausteine von JavaScript-Anwendungen. Ein Heap-Snapshot enthält Informationen über alle Objekte im Heap, einschließlich ihres Typs, ihrer Größe und ihrer Eigenschaften.

Retainer

Ein Retainer ist ein Objekt, das ein anderes Objekt am Leben erhält. Mit anderen Worten, wenn Objekt A ein Retainer von Objekt B ist, dann hält Objekt A eine Referenz auf Objekt B, was verhindert, dass Objekt B vom Garbage Collector erfasst wird. Die Identifizierung von Retainern ist entscheidend, um zu verstehen, warum ein Objekt nicht vom Garbage Collector erfasst wird, und um die Ursache von Speicherlecks zu finden.

Dominatoren

Ein Dominator ist ein Objekt, das ein anderes Objekt direkt oder indirekt festhält. Ein Objekt A dominiert Objekt B, wenn jeder Pfad von der Garbage-Collection-Wurzel zu Objekt B durch Objekt A führen muss. Dominatoren sind nützlich, um die gesamte Speicherstruktur der Anwendung zu verstehen und die Objekte zu identifizieren, die den größten Einfluss auf die Speichernutzung haben.

Shallow Size

Die Shallow Size (flache Größe) eines Objekts ist die Menge an Speicher, die direkt vom Objekt selbst verwendet wird. Dies bezieht sich typischerweise auf den Speicher, der von den unmittelbaren Eigenschaften des Objekts belegt wird (z. B. primitive Werte wie Zahlen oder Booleans oder Referenzen auf andere Objekte). Die Shallow Size beinhaltet nicht den Speicher, der von den Objekten verwendet wird, auf die dieses Objekt verweist.

Retained Size

Die Retained Size (beibehaltener Speicher) eines Objekts ist die Gesamtmenge an Speicher, die freigegeben würde, wenn das Objekt selbst vom Garbage Collector erfasst würde. Dies umfasst die Shallow Size des Objekts plus die Shallow Sizes aller anderen Objekte, die nur über dieses Objekt erreichbar sind. Die Retained Size gibt ein genaueres Bild von der Gesamtauswirkung eines Objekts auf den Speicher.

Analysetechniken für Heap-Snapshots

Lassen Sie uns nun einige praktische Techniken zur Analyse von Heap-Snapshots und zur Identifizierung von Speicherlecks untersuchen.

1. Speicherlecks durch Vergleich von Snapshots identifizieren

Eine gängige Technik zur Identifizierung von Speicherlecks ist der Vergleich von zwei Heap-Snapshots, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen wurden. Dies ermöglicht es Ihnen zu sehen, welche Objekte im Laufe der Zeit an Anzahl oder Größe zugenommen haben, was auf ein Speicherleck hindeuten kann.

So vergleichen Sie Snapshots in den Chrome DevTools:

1. Erstellen Sie einen Heap-Snapshot zu Beginn einer bestimmten Operation oder Benutzerinteraktion.
2. Führen Sie die Operation oder Benutzerinteraktion durch, von der Sie vermuten, dass sie ein Speicherleck verursacht.
3. Erstellen Sie einen weiteren Heap-Snapshot, nachdem die Operation oder Benutzerinteraktion abgeschlossen ist.
4. Wählen Sie im Memory-Panel den ersten Snapshot in der Snapshot-Liste aus.
5. Wählen Sie im Dropdown-Menü neben dem Snapshot-Namen Comparison aus.
6. Wählen Sie den zweiten Snapshot im Compared to-Dropdown aus.

Das Memory-Panel zeigt nun den Unterschied zwischen den beiden Snapshots an. Sie können die Ergebnisse nach Objekttyp, Größe oder Retained Size filtern, um sich auf die signifikantesten Änderungen zu konzentrieren.

Wenn Sie beispielsweise vermuten, dass ein bestimmter Event-Listener Speicher leckt, können Sie Snapshots vor und nach dem Hinzufügen und Entfernen des Event-Listeners vergleichen. Wenn die Anzahl der Event-Listener-Objekte nach jeder Iteration zunimmt, ist dies ein starkes Indiz für ein Speicherleck.

2. Retainer untersuchen, um Ursachen zu finden

Sobald Sie ein potenzielles Speicherleck identifiziert haben, besteht der nächste Schritt darin, die Retainer der leckenden Objekte zu untersuchen, um zu verstehen, warum sie nicht vom Garbage Collector erfasst werden. Die Chrome DevTools bieten eine bequeme Möglichkeit, die Retainer eines Objekts anzuzeigen.

So zeigen Sie die Retainer eines Objekts an:

1. Wählen Sie das Objekt im Heap-Snapshot aus.
2. Im Retainers-Bereich sehen Sie eine Liste von Objekten, die das ausgewählte Objekt festhalten.

Durch die Untersuchung der Retainer können Sie die Kette von Referenzen zurückverfolgen, die verhindert, dass das Objekt vom Garbage Collector erfasst wird. Dies kann Ihnen helfen, die Ursache des Speicherlecks zu identifizieren und zu bestimmen, wie Sie es beheben können.

Wenn Sie beispielsweise feststellen, dass ein abgekoppeltes DOM-Element von einer Closure zurückgehalten wird, können Sie die Closure untersuchen, um zu sehen, welche Variablen auf das DOM-Element verweisen. Sie können dann den Code ändern, um die Referenz auf das DOM-Element zu entfernen, sodass es vom Garbage Collector erfasst werden kann.

3. Den Dominator-Baum zur Analyse der Speicherstruktur verwenden

Der Dominator-Baum bietet eine hierarchische Ansicht der Speicherstruktur Ihrer Anwendung. Er zeigt, welche Objekte andere Objekte dominieren, und gibt Ihnen einen Überblick über die Speichernutzung auf hoher Ebene.

So zeigen Sie den Dominator-Baum in den Chrome DevTools an:

1. Wählen Sie im Memory-Panel einen Heap-Snapshot aus.
2. Wählen Sie im View-Dropdown Dominators aus.

Der Dominator-Baum wird im Memory-Panel angezeigt. Sie können den Baum erweitern und reduzieren, um die Speicherstruktur Ihrer Anwendung zu erkunden. Der Dominator-Baum kann nützlich sein, um die Objekte zu identifizieren, die den meisten Speicher verbrauchen, und um zu verstehen, wie diese Objekte miteinander in Beziehung stehen.

Wenn Sie beispielsweise feststellen, dass ein großes Array einen erheblichen Teil des Speichers dominiert, können Sie das Array untersuchen, um zu sehen, was es enthält und wie es verwendet wird. Möglicherweise können Sie das Array optimieren, indem Sie seine Größe reduzieren oder eine effizientere Datenstruktur verwenden.

4. Filtern und Suchen nach bestimmten Objekten

Bei der Analyse von Heap-Snapshots ist es oft hilfreich, nach bestimmten Objekten zu filtern und zu suchen. Die Chrome DevTools bieten leistungsstarke Filter- und Suchfunktionen.

So filtern Sie Objekte nach Typ:

1. Wählen Sie im Memory-Panel einen Heap-Snapshot aus.
2. Geben Sie im Eingabefeld Class filter den Namen des Objekttyps ein, nach dem Sie filtern möchten (z. B. Array, String, HTMLDivElement).

So suchen Sie nach Objekten nach Name oder Eigenschaftswert:

1. Wählen Sie im Memory-Panel einen Heap-Snapshot aus.
2. Geben Sie im Eingabefeld Object filter den Suchbegriff ein.

Diese Filter- und Suchfunktionen können Ihnen helfen, die Objekte, an denen Sie interessiert sind, schnell zu finden und Ihre Analyse auf die relevantesten Informationen zu konzentrieren.

5. Analyse des String Interning

JavaScript-Engines verwenden oft eine Technik namens String Interning, um die Speichernutzung zu optimieren. Beim String Interning wird nur eine Kopie jedes einzigartigen Strings im Speicher gespeichert und diese Kopie wiederverwendet, wenn derselbe String erneut auftritt. String Interning kann jedoch manchmal zu Speicherlecks führen, wenn Strings unbeabsichtigt am Leben erhalten werden.

Um das String Interning in Heap-Snapshots zu analysieren, können Sie nach String-Objekten filtern und nach einer großen Anzahl identischer Strings suchen. Wenn Sie eine große Anzahl identischer Strings finden, die nicht vom Garbage Collector erfasst werden, kann dies auf ein Problem mit dem String Interning hindeuten.

Wenn Sie beispielsweise Strings dynamisch basierend auf Benutzereingaben generieren, können Sie versehentlich eine große Anzahl einzigartiger Strings erstellen, die nicht interniert werden. Dies kann zu übermäßigem Speicherverbrauch führen. Um dies zu vermeiden, können Sie versuchen, die Strings zu normalisieren, bevor Sie sie verwenden, um sicherzustellen, dass nur eine begrenzte Anzahl einzigartiger Strings erstellt wird.

Praktische Beispiele und Fallstudien

Schauen wir uns einige praktische Beispiele und Fallstudien an, um zu veranschaulichen, wie die Analyse von Heap-Snapshots zur Identifizierung und Behebung von Speicherlecks in realen JavaScript-Anwendungen verwendet werden kann.

Beispiel 1: Leckender Event-Listener

Betrachten Sie den folgenden Codeausschnitt:

            function addClickListener(element) {
  element.addEventListener('click', function() {
    // Etwas tun
  });
}

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

            

              
                Copy
              
            
          

Dieser Code fügt 1000 dynamisch erstellten div-Elementen einen Klick-Listener hinzu. Die Event-Listener werden jedoch nie entfernt, was zu einem Speicherleck führen kann.

Um dieses Speicherleck mit der Heap-Snapshot-Analyse zu identifizieren, können Sie vor und nach der Ausführung dieses Codes einen Snapshot erstellen. Beim Vergleich der Snapshots werden Sie einen signifikanten Anstieg der Anzahl von Event-Listener-Objekten feststellen. Wenn Sie die Retainer der Event-Listener-Objekte untersuchen, werden Sie feststellen, dass sie von den div-Elementen zurückgehalten werden.

Um dieses Speicherleck zu beheben, müssen Sie die Event-Listener entfernen, wenn sie nicht mehr benötigt werden. Sie können dies tun, indem Sie removeEventListener für die div-Elemente aufrufen, wenn sie aus dem DOM entfernt werden.

Beispiel 2: Speicherleck im Zusammenhang mit Closures

Betrachten Sie den folgenden Codeausschnitt:

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

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

let myClosure = createClosure();

// Die Closure ist immer noch aktiv, obwohl largeArray nicht direkt verwendet wird

            

              
                Copy
              
            
          

Dieser Code erstellt eine Closure, die ein großes Array zurückhält. Obwohl das Array nicht direkt innerhalb der Closure verwendet wird, wird es dennoch zurückgehalten, was verhindert, dass es vom Garbage Collector erfasst wird.

Um dieses Speicherleck mit der Heap-Snapshot-Analyse zu identifizieren, können Sie einen Snapshot erstellen, nachdem die Closure erstellt wurde. Bei der Untersuchung des Snapshots werden Sie ein großes Array sehen, das von der Closure zurückgehalten wird. Wenn Sie die Retainer des Arrays untersuchen, werden Sie feststellen, dass es vom Geltungsbereich der Closure zurückgehalten wird.

Um dieses Speicherleck zu beheben, können Sie den Code so ändern, dass die Referenz auf das Array innerhalb der Closure entfernt wird. Sie können das Array beispielsweise auf null setzen, nachdem es nicht mehr benötigt wird.

Fallstudie: Optimierung einer großen Webanwendung

Eine große Webanwendung hatte Leistungsprobleme und häufige Abstürze. Das Entwicklungsteam vermutete, dass Speicherlecks zu diesen Problemen beitrugen. Sie verwendeten die Heap-Snapshot-Analyse, um die Speicherlecks zu identifizieren und zu beheben.

Zuerst erstellten sie in regelmäßigen Abständen während typischer Benutzerinteraktionen Heap-Snapshots. Durch den Vergleich der Snapshots identifizierten sie mehrere Bereiche, in denen die Speichernutzung im Laufe der Zeit zunahm. Sie konzentrierten sich dann auf diese Bereiche und untersuchten die Retainer der leckenden Objekte, um zu verstehen, warum sie nicht vom Garbage Collector erfasst wurden.

Sie entdeckten mehrere Speicherlecks, darunter:

• Leckende Event-Listener an abgekoppelten DOM-Elementen
• Closures, die große Datenstrukturen zurückhielten
• Probleme mit dem String Interning bei dynamisch generierten Strings

Durch die Behebung dieser Speicherlecks konnte das Entwicklungsteam die Leistung und Stabilität der Webanwendung erheblich verbessern. Die Anwendung wurde reaktionsschneller und die Häufigkeit von Abstürzen wurde reduziert.

Best Practices zur Vermeidung von Speicherlecks

Speicherlecks zu verhindern ist immer besser, als sie beheben zu müssen, nachdem sie aufgetreten sind. Hier sind einige Best Practices zur Vermeidung von Speicherlecks in JavaScript-Anwendungen:

• Vermeiden Sie die Erstellung globaler Variablen: Verwenden Sie wann immer möglich lokale Variablen, um das Risiko zu minimieren, versehentlich globale Variablen zu erstellen, die nicht vom Garbage Collector erfasst werden.
• Achten Sie auf Closures: Untersuchen Sie Closures sorgfältig, um sicherzustellen, dass sie keine unnötigen Referenzen auf Variablen in ihrem äußeren Geltungsbereich behalten.
• DOM-Elemente ordnungsgemäß verwalten: Entfernen Sie DOM-Elemente aus dem DOM-Baum, wenn sie nicht mehr benötigt werden, und stellen Sie sicher, dass Sie keine Referenzen auf abgekoppelte DOM-Elemente in Ihrem JavaScript-Code behalten.
• Event-Listener entfernen: Entfernen Sie Event-Listener immer, wenn sie nicht mehr benötigt werden, um zu verhindern, dass die zugehörigen Objekte am Leben erhalten werden.
• Timer und Callbacks löschen: Löschen Sie Timer und Callbacks, die mit setInterval oder setTimeout erstellt wurden, ordnungsgemäß, um zu verhindern, dass sie die Garbage Collection blockieren.
• Schwache Referenzen verwenden: Erwägen Sie die Verwendung von WeakMap oder WeakSet, wenn Sie Daten mit Objekten verknüpfen müssen, ohne zu verhindern, dass diese Objekte vom Garbage Collector erfasst werden.
• Speicherprofiling-Tools verwenden: Verwenden Sie regelmäßig Speicherprofiling-Tools, um die Speichernutzung zu überwachen und potenzielle Speicherlecks zu identifizieren.
• Code-Reviews: Beziehen Sie Überlegungen zur Speicherverwaltung in Code-Reviews ein.

Fortgeschrittene Techniken und Werkzeuge

Während die Chrome DevTools einen leistungsstarken Satz an Speicherprofiling-Tools bieten, gibt es auch andere fortgeschrittene Techniken und Werkzeuge, mit denen Sie Ihre Speicherprofiling-Fähigkeiten weiter verbessern können.

Node.js Speicherprofiling-Tools

Node.js bietet mehrere integrierte und Drittanbieter-Tools für das Speicherprofiling, darunter:

• heapdump: Ein Modul zur programmgesteuerten Erstellung von Heap-Snapshots.
• v8-profiler: Ein Modul zum Sammeln von CPU- und Speicherprofilen.
• Clinic.js: Ein Performance-Profiling-Tool, das eine ganzheitliche Sicht auf die Leistung Ihrer Anwendung bietet.
• Memlab: Ein JavaScript-Speichertest-Framework zum Finden und Verhindern von Speicherlecks.

Bibliotheken zur Erkennung von Speicherlecks

Mehrere JavaScript-Bibliotheken können Ihnen helfen, Speicherlecks in Ihren Anwendungen automatisch zu erkennen, wie zum Beispiel:

• leakage: Eine Bibliothek zur Erkennung von Speicherlecks in Node.js-Anwendungen.
• jsleak-detector: Eine browserbasierte Bibliothek zur Erkennung von Speicherlecks.

Automatisierte Tests auf Speicherlecks

Sie können die Erkennung von Speicherlecks in Ihren automatisierten Test-Workflow integrieren, um sicherzustellen, dass Ihre Anwendung im Laufe der Zeit frei von Speicherlecks bleibt. Dies kann mit Tools wie Memlab oder durch das Schreiben benutzerdefinierter Tests auf Speicherlecks unter Verwendung von Heap-Snapshot-Analysetechniken erreicht werden.

Fazit

Speicherprofiling ist eine wesentliche Fähigkeit für jeden JavaScript-Entwickler. Durch das Verständnis von Heap-Snapshot-Analysetechniken können Sie den Speicher proaktiv verwalten, Speicherlecks identifizieren und beheben und die Leistung Ihrer Anwendungen optimieren. Die regelmäßige Verwendung von Speicherprofiling-Tools und das Befolgen von Best Practices zur Vermeidung von Speicherlecks helfen Ihnen, robuste, leistungsstarke JavaScript-Anwendungen zu erstellen, die eine großartige Benutzererfahrung bieten. Denken Sie daran, die leistungsstarken Entwicklerwerkzeuge zu nutzen und Überlegungen zur Speicherverwaltung während des gesamten Entwicklungszyklus zu berücksichtigen.

Egal, ob Sie an einer kleinen Webanwendung oder einem großen Unternehmenssystem arbeiten, die Beherrschung des JavaScript-Speicherprofilings ist eine lohnende Investition, die sich langfristig auszahlen wird.