بر تحلیل اسنپشات هیپ برای پروفایلینگ حافظه جاوا اسکریپت مسلط شوید. یاد بگیرید چگونه نشت حافظه را شناسایی و رفع کنید، عملکرد را بهینه سازید و پایداری برنامه را بهبود بخشید.
پروفایلینگ حافظه جاوا اسکریپت: تکنیکهای تحلیل اسنپشات هیپ
با پیچیدهتر شدن روزافزون برنامههای جاوا اسکریپت، مدیریت کارآمد حافظه برای تضمین عملکرد بهینه و جلوگیری از نشتهای حافظه dreaded ضروری است. نشت حافظه میتواند منجر به کندی، کرش کردن برنامه و تجربه کاربری ضعیف شود. پروفایلینگ مؤثر حافظه برای شناسایی و حل این مشکلات ضروری است. این راهنمای جامع به تکنیکهای تحلیل اسنپشات هیپ میپردازد و دانش و ابزارهای لازم برای مدیریت پیشگیرانه حافظه جاوا اسکریپت و ساخت برنامههای قوی و با کارایی بالا را در اختیار شما قرار میدهد. ما مفاهیم قابل اجرا در محیطهای مختلف اجرای جاوا اسکریپت، از جمله محیطهای مبتنی بر مرورگر و Node.js را پوشش خواهیم داد.
درک مدیریت حافظه در جاوا اسکریپت
قبل از پرداختن به اسنپشاتهای هیپ، بیایید به طور خلاصه نحوه مدیریت حافظه در جاوا اسکریپت را مرور کنیم. جاوا اسکریپت از مدیریت خودکار حافظه از طریق فرآیندی به نام جمعآوری زباله (garbage collection) استفاده میکند. جمعآورنده زباله به صورت دورهای حافظهای را که دیگر توسط برنامه استفاده نمیشود، شناسایی و بازپسگیری میکند. با این حال، جمعآوری زباله یک راهحل کامل نیست و نشت حافظه همچنان میتواند زمانی رخ دهد که اشیاء به طور ناخواسته زنده نگه داشته شوند و مانع از بازپسگیری حافظه آنها توسط جمعآورنده زباله شوند.
دلایل رایج نشت حافظه در جاوا اسکریپت عبارتند از:
- متغیرهای سراسری: ایجاد تصادفی متغیرهای سراسری، به خصوص اشیاء بزرگ، میتواند مانع از جمعآوری زباله آنها شود.
- کلوژرها (Closures): کلوژرها میتوانند به طور ناخواسته ارجاعاتی به متغیرهای حوزه بیرونی خود را حفظ کنند، حتی پس از اینکه دیگر به آن متغیرها نیازی نیست.
- عناصر DOM جدا شده: حذف یک عنصر DOM از درخت DOM اما همچنان حفظ ارجاع به آن در کد جاوا اسکریپت میتواند منجر به نشت حافظه شود.
- شنوندگان رویداد (Event listeners): فراموش کردن حذف شنوندگان رویداد زمانی که دیگر مورد نیاز نیستند، میتواند اشیاء مرتبط را زنده نگه دارد.
- تایمرها و کالبکها: استفاده از
setIntervalیاsetTimeoutبدون پاک کردن صحیح آنها میتواند مانع از بازپسگیری حافظه توسط جمعآورنده زباله شود.
معرفی اسنپشاتهای هیپ
یک اسنپشات هیپ (heap snapshot) یک تصویر دقیق از حافظه برنامه شما در یک نقطه زمانی خاص است. این اسنپشات تمام اشیاء موجود در هیپ، ویژگیهای آنها و روابط آنها با یکدیگر را ثبت میکند. تحلیل اسنپشاتهای هیپ به شما امکان میدهد نشتهای حافظه را شناسایی کرده، الگوهای استفاده از حافظه را درک کنید و مصرف حافظه را بهینه سازید.
اسنپشاتهای هیپ معمولاً با استفاده از ابزارهای توسعهدهنده مانند Chrome DevTools، Firefox Developer Tools یا ابزارهای پروفایلینگ حافظه داخلی Node.js ایجاد میشوند. این ابزارها ویژگیهای قدرتمندی برای جمعآوری و تحلیل اسنپشاتهای هیپ فراهم میکنند.
جمعآوری اسنپشاتهای هیپ
ابزارهای توسعهدهنده کروم (Chrome DevTools)
ابزارهای توسعهدهنده کروم مجموعه جامعی از ابزارهای پروفایلینگ حافظه را ارائه میدهد. برای جمعآوری یک اسنپشات هیپ در Chrome DevTools، این مراحل را دنبال کنید:
- با فشار دادن
F12(یاCmd+Option+Iدر macOS) ابزارهای توسعهدهنده کروم را باز کنید. - به پنل Memory بروید.
- نوع پروفایلینگ Heap snapshot را انتخاب کنید.
- روی دکمه Take snapshot کلیک کنید.
سپس Chrome DevTools یک اسنپشات هیپ ایجاد کرده و آن را در پنل Memory نمایش میدهد.
Node.js
در Node.js، میتوانید از ماژول heapdump برای ایجاد اسنپشاتهای هیپ به صورت برنامهنویسی استفاده کنید. ابتدا، ماژول heapdump را نصب کنید:
npm install heapdump
سپس، میتوانید از کد زیر برای ایجاد یک اسنپشات هیپ استفاده کنید:
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);
}
});
این کد یک فایل اسنپشات هیپ با نام heap.heapsnapshot در دایرکتوری فعلی ایجاد میکند.
تحلیل اسنپشاتهای هیپ: مفاهیم کلیدی
درک مفاهیم کلیدی مورد استفاده در تحلیل اسنپشات هیپ برای شناسایی و حل مؤثر مشکلات حافظه بسیار مهم است.
اشیاء (Objects)
اشیاء بلوکهای سازنده اساسی برنامههای جاوا اسکریپت هستند. یک اسنپشات هیپ شامل اطلاعاتی در مورد تمام اشیاء موجود در هیپ، از جمله نوع، اندازه و ویژگیهای آنها است.
نگهدارندهها (Retainers)
یک نگهدارنده (retainer) شیئی است که شیء دیگری را زنده نگه میدارد. به عبارت دیگر، اگر شیء A نگهدارنده شیء B باشد، آنگاه شیء A یک ارجاع به شیء B را در خود نگه میدارد و مانع از جمعآوری زباله شیء B میشود. شناسایی نگهدارندهها برای درک اینکه چرا یک شیء جمعآوری نمیشود و برای یافتن علت اصلی نشت حافظه بسیار مهم است.
دامینیتورها (Dominators)
یک دامینیتور (dominator) شیئی است که به طور مستقیم یا غیرمستقیم شیء دیگری را نگه میدارد. شیء A بر شیء B تسلط دارد (dominate) اگر هر مسیری از ریشه جمعآوری زباله به شیء B باید از طریق شیء A عبور کند. دامینیتورها برای درک ساختار کلی حافظه برنامه و شناسایی اشیائی که بیشترین تأثیر را بر استفاده از حافظه دارند، مفید هستند.
اندازه سطحی (Shallow Size)
اندازه سطحی (shallow size) یک شیء، مقدار حافظهای است که مستقیماً توسط خود شیء استفاده میشود. این معمولاً به حافظه اشغال شده توسط ویژگیهای فوری شیء (مانند مقادیر اولیه مانند اعداد یا بولینها، یا ارجاع به اشیاء دیگر) اشاره دارد. اندازه سطحی شامل حافظه استفاده شده توسط اشیائی که توسط این شیء ارجاع داده شدهاند، نمیشود.
اندازه نگهداشتهشده (Retained Size)
اندازه نگهداشتهشده (retained size) یک شیء، مقدار کل حافظهای است که در صورت جمعآوری زباله خود شیء آزاد میشود. این شامل اندازه سطحی شیء به علاوه اندازههای سطحی تمام اشیاء دیگری است که فقط از طریق آن شیء قابل دسترسی هستند. اندازه نگهداشتهشده تصویر دقیقتری از تأثیر کلی حافظه یک شیء ارائه میدهد.
تکنیکهای تحلیل اسنپشات هیپ
اکنون، بیایید برخی از تکنیکهای عملی برای تحلیل اسنپشاتهای هیپ و شناسایی نشت حافظه را بررسی کنیم.
۱. شناسایی نشت حافظه با مقایسه اسنپشاتها
یک تکنیک رایج برای شناسایی نشت حافظه، مقایسه دو اسنپشات هیپ گرفته شده در زمانهای مختلف است. این به شما امکان میدهد ببینید کدام اشیاء در طول زمان از نظر تعداد یا اندازه افزایش یافتهاند، که میتواند نشاندهنده نشت حافظه باشد.
در اینجا نحوه مقایسه اسنپشاتها در Chrome DevTools آمده است:
- یک اسنپشات هیپ در ابتدای یک عملیات خاص یا تعامل کاربر بگیرید.
- عملیات یا تعامل کاربری را که مشکوک به ایجاد نشت حافظه است، انجام دهید.
- پس از اتمام عملیات یا تعامل کاربر، یک اسنپشات هیپ دیگر بگیرید.
- در پنل Memory، اولین اسنپشات را در لیست اسنپشاتها انتخاب کنید.
- در منوی کشویی کنار نام اسنپشات، Comparison را انتخاب کنید.
- اسنپشات دوم را در منوی کشویی Compared to انتخاب کنید.
پنل Memory اکنون تفاوت بین دو اسنپشات را نمایش میدهد. شما میتوانید نتایج را بر اساس نوع شیء، اندازه یا اندازه نگهداشتهشده فیلتر کنید تا بر روی مهمترین تغییرات تمرکز کنید.
به عنوان مثال، اگر مشکوک هستید که یک شنونده رویداد خاص در حال نشت حافظه است، میتوانید اسنپشاتها را قبل و بعد از افزودن و حذف شنونده رویداد مقایسه کنید. اگر تعداد اشیاء شنونده رویداد پس از هر تکرار افزایش یابد، این یک نشانه قوی از نشت حافظه است.
۲. بررسی نگهدارندهها برای یافتن علل ریشهای
هنگامی که یک نشت حافظه بالقوه را شناسایی کردید، گام بعدی بررسی نگهدارندههای اشیاء در حال نشت است تا بفهمید چرا آنها جمعآوری نمیشوند. Chrome DevTools راهی مناسب برای مشاهده نگهدارندههای یک شیء فراهم میکند.
برای مشاهده نگهدارندههای یک شیء:
- شیء را در اسنپشات هیپ انتخاب کنید.
- در پنجره Retainers، لیستی از اشیائی را خواهید دید که شیء انتخاب شده را نگه میدارند.
با بررسی نگهدارندهها، میتوانید زنجیره ارجاعاتی را که مانع از جمعآوری زباله شیء میشود، ردیابی کنید. این میتواند به شما در شناسایی علت اصلی نشت حافظه و تعیین نحوه رفع آن کمک کند.
به عنوان مثال، اگر متوجه شدید که یک عنصر DOM جدا شده توسط یک کلوژر نگه داشته شده است، میتوانید کلوژر را بررسی کنید تا ببینید کدام متغیرها به عنصر DOM ارجاع میدهند. سپس میتوانید کد را برای حذف ارجاع به عنصر DOM اصلاح کنید، که به آن اجازه میدهد جمعآوری شود.
۳. استفاده از درخت دامینیتورها برای تحلیل ساختار حافظه
درخت دامینیتورها نمای سلسله مراتبی از ساختار حافظه برنامه شما را فراهم میکند. این نشان میدهد که کدام اشیاء بر اشیاء دیگر تسلط دارند و یک نمای کلی از سطح بالای استفاده از حافظه را به شما میدهد.
برای مشاهده درخت دامینیتورها در Chrome DevTools:
- در پنل Memory، یک اسنپشات هیپ را انتخاب کنید.
- در منوی کشویی View، Dominators را انتخاب کنید.
درخت دامینیتورها در پنل Memory نمایش داده میشود. شما میتوانید درخت را برای کاوش در ساختار حافظه برنامه خود باز و بسته کنید. درخت دامینیتورها میتواند برای شناسایی اشیائی که بیشترین حافظه را مصرف میکنند و برای درک چگونگی ارتباط آن اشیاء با یکدیگر مفید باشد.
به عنوان مثال، اگر متوجه شوید که یک آرایه بزرگ بخش قابل توجهی از حافظه را تحت سلطه خود درآورده است، میتوانید آرایه را بررسی کنید تا ببینید چه چیزی در آن وجود دارد و چگونه استفاده میشود. ممکن است بتوانید آرایه را با کاهش اندازه آن یا با استفاده از یک ساختار داده کارآمدتر بهینه کنید.
۴. فیلتر و جستجو برای اشیاء خاص
هنگام تحلیل اسنپشاتهای هیپ، اغلب فیلتر کردن و جستجو برای اشیاء خاص مفید است. Chrome DevTools قابلیتهای فیلتر و جستجوی قدرتمندی را فراهم میکند.
برای فیلتر کردن اشیاء بر اساس نوع:
- در پنل Memory، یک اسنپشات هیپ را انتخاب کنید.
- در ورودی Class filter، نام نوع شیئی را که میخواهید برای آن فیلتر کنید وارد کنید (مثلاً
Array،String،HTMLDivElement).
برای جستجوی اشیاء بر اساس نام یا مقدار ویژگی:
- در پنل Memory، یک اسنپشات هیپ را انتخاب کنید.
- در ورودی Object filter، عبارت جستجو را وارد کنید.
این قابلیتهای فیلتر و جستجو میتوانند به شما کمک کنند تا به سرعت اشیاء مورد نظر خود را پیدا کرده و تحلیل خود را بر روی اطلاعات مرتبطتر متمرکز کنید.
۵. تحلیل اینترنینگ رشتهها (String Interning)
موتورهای جاوا اسکریپت اغلب از تکنیکی به نام اینترنینگ رشتهها برای بهینهسازی استفاده از حافظه استفاده میکنند. اینترنینگ رشتهها شامل ذخیره تنها یک نسخه از هر رشته منحصر به فرد در حافظه و استفاده مجدد از آن نسخه هر زمان که همان رشته مشاهده شود، است. با این حال، اینترنینگ رشتهها گاهی اوقات میتواند منجر به نشت حافظه شود اگر رشتهها به طور ناخواسته زنده نگه داشته شوند.
برای تحلیل اینترنینگ رشتهها در اسنپشاتهای هیپ، میتوانید برای اشیاء String فیلتر کرده و به دنبال تعداد زیادی از رشتههای یکسان بگردید. اگر تعداد زیادی از رشتههای یکسان را پیدا کردید که جمعآوری نمیشوند، ممکن است نشاندهنده یک مشکل اینترنینگ رشته باشد.
به عنوان مثال، اگر شما به صورت پویا رشتههایی را بر اساس ورودی کاربر تولید میکنید، ممکن است به طور تصادفی تعداد زیادی رشته منحصر به فرد ایجاد کنید که اینترن نمیشوند. این میتواند منجر به استفاده بیش از حد از حافظه شود. برای جلوگیری از این مشکل، میتوانید سعی کنید رشتهها را قبل از استفاده نرمالسازی کنید، تا اطمینان حاصل شود که تنها تعداد محدودی از رشتههای منحصر به فرد ایجاد میشوند.
مثالهای عملی و مطالعات موردی
بیایید به چند مثال عملی و مطالعه موردی نگاه کنیم تا نشان دهیم چگونه میتوان از تحلیل اسنپشات هیپ برای شناسایی و حل نشت حافظه در برنامههای جاوا اسکریپت دنیای واقعی استفاده کرد.
مثال ۱: نشت شنونده رویداد
قطعه کد زیر را در نظر بگیرید:
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);
}
این کد یک شنونده کلیک به ۱۰۰۰ عنصر div که به صورت پویا ایجاد شدهاند، اضافه میکند. با این حال، شنوندگان رویداد هرگز حذف نمیشوند، که میتواند منجر به نشت حافظه شود.
برای شناسایی این نشت حافظه با استفاده از تحلیل اسنپشات هیپ، میتوانید یک اسنپشات قبل و بعد از اجرای این کد بگیرید. هنگام مقایسه اسنپشاتها، افزایش قابل توجهی در تعداد اشیاء شنونده رویداد خواهید دید. با بررسی نگهدارندههای اشیاء شنونده رویداد، متوجه خواهید شد که آنها توسط عناصر div نگه داشته شدهاند.
برای رفع این نشت حافظه، باید شنوندگان رویداد را زمانی که دیگر مورد نیاز نیستند، حذف کنید. شما میتوانید این کار را با فراخوانی removeEventListener بر روی عناصر div زمانی که از DOM حذف میشوند، انجام دهید.
مثال ۲: نشت حافظه مرتبط با کلوژر
قطعه کد زیر را در نظر بگیرید:
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
این کد یک کلوژر ایجاد میکند که یک آرایه بزرگ را نگه میدارد. حتی اگر آرایه به طور مستقیم در داخل کلوژر استفاده نشود، همچنان نگه داشته میشود و از جمعآوری زباله آن جلوگیری میکند.
برای شناسایی این نشت حافظه با استفاده از تحلیل اسنپشات هیپ، میتوانید پس از ایجاد کلوژر یک اسنپشات بگیرید. هنگام بررسی اسنپشات، یک آرایه بزرگ را خواهید دید که توسط کلوژر نگه داشته شده است. با بررسی نگهدارندههای آرایه، متوجه خواهید شد که آن توسط حوزه کلوژر نگه داشته شده است.
برای رفع این نشت حافظه، میتوانید کد را طوری تغییر دهید که ارجاع به آرایه در داخل کلوژر حذف شود. به عنوان مثال، میتوانید آرایه را پس از اینکه دیگر مورد نیاز نیست، برابر با null قرار دهید.
مطالعه موردی: بهینهسازی یک برنامه وب بزرگ
یک برنامه وب بزرگ با مشکلات عملکردی و کرشهای مکرر مواجه بود. تیم توسعه مشکوک بود که نشت حافظه به این مشکلات کمک میکند. آنها از تحلیل اسنپشات هیپ برای شناسایی و حل نشتهای حافظه استفاده کردند.
ابتدا، آنها در فواصل زمانی منظم در طول تعاملات معمول کاربر، اسنپشاتهای هیپ گرفتند. با مقایسه اسنپشاتها، چندین ناحیه را شناسایی کردند که استفاده از حافظه در طول زمان در حال افزایش بود. سپس بر روی آن نواحی تمرکز کردند و نگهدارندههای اشیاء در حال نشت را بررسی کردند تا بفهمند چرا آنها جمعآوری نمیشوند.
آنها چندین نشت حافظه را کشف کردند، از جمله:
- نشت شنوندگان رویداد بر روی عناصر DOM جدا شده
- کلوژرهایی که ساختارهای داده بزرگ را نگه میداشتند
- مشکلات اینترنینگ رشتهها با رشتههای تولید شده به صورت پویا
با رفع این نشتهای حافظه، تیم توسعه توانست عملکرد و پایداری برنامه وب را به طور قابل توجهی بهبود بخشد. برنامه پاسخگوتر شد و فراوانی کرشها کاهش یافت.
بهترین شیوهها برای جلوگیری از نشت حافظه
جلوگیری از نشت حافظه همیشه بهتر از رفع آن پس از وقوع است. در اینجا چند بهترین شیوه برای جلوگیری از نشت حافظه در برنامههای جاوا اسکریپت آورده شده است:
- از ایجاد متغیرهای سراسری خودداری کنید: هر زمان که ممکن است از متغیرهای محلی استفاده کنید تا خطر ایجاد تصادفی متغیرهای سراسری که جمعآوری نمیشوند را به حداقل برسانید.
- مراقب کلوژرها باشید: کلوژرها را با دقت بررسی کنید تا اطمینان حاصل شود که ارجاعات غیرضروری به متغیرهای حوزه بیرونی خود را نگه نمیدارند.
- عناصر DOM را به درستی مدیریت کنید: عناصر DOM را زمانی که دیگر مورد نیاز نیستند از درخت DOM حذف کنید و اطمینان حاصل کنید که ارجاعات به عناصر DOM جدا شده را در کد جاوا اسکریپت خود نگه نمیدارید.
- شنوندگان رویداد را حذف کنید: همیشه شنوندگان رویداد را زمانی که دیگر مورد نیاز نیستند حذف کنید تا از زنده ماندن اشیاء مرتبط جلوگیری شود.
- تایمرها و کالبکها را پاک کنید: تایمرها و کالبکهای ایجاد شده با
setIntervalیاsetTimeoutرا به درستی پاک کنید تا از جلوگیری از جمعآوری زباله توسط آنها جلوگیری شود. - از ارجاعات ضعیف استفاده کنید: زمانی که نیاز به مرتبط کردن دادهها با اشیاء بدون جلوگیری از جمعآوری زباله آن اشیاء دارید، از WeakMap یا WeakSet استفاده کنید.
- از ابزارهای پروفایلینگ حافظه استفاده کنید: به طور منظم از ابزارهای پروفایلینگ حافظه برای نظارت بر استفاده از حافظه و شناسایی نشتهای حافظه بالقوه استفاده کنید.
- بررسی کد (Code Reviews): ملاحظات مدیریت حافظه را در بررسیهای کد لحاظ کنید.
تکنیکها و ابزارهای پیشرفته
در حالی که Chrome DevTools مجموعه قدرتمندی از ابزارهای پروفایلینگ حافظه را فراهم میکند، تکنیکها و ابزارهای پیشرفته دیگری نیز وجود دارند که میتوانید برای تقویت بیشتر قابلیتهای پروفایلینگ حافظه خود از آنها استفاده کنید.
ابزارهای پروفایلینگ حافظه Node.js
Node.js چندین ابزار داخلی و شخص ثالث برای پروفایلینگ حافظه ارائه میدهد، از جمله:
heapdump: ماژولی برای ایجاد اسنپشاتهای هیپ به صورت برنامهنویسی.v8-profiler: ماژولی برای جمعآوری پروفایلهای CPU و حافظه.- Clinic.js: یک ابزار پروفایلینگ عملکرد که دیدی جامع از عملکرد برنامه شما ارائه میدهد.
- Memlab: یک چارچوب تست حافظه جاوا اسکریپت برای یافتن و جلوگیری از نشت حافظه.
کتابخانههای تشخیص نشت حافظه
چندین کتابخانه جاوا اسکریپت میتوانند به شما در تشخیص خودکار نشت حافظه در برنامههایتان کمک کنند، مانند:
- leakage: کتابخانهای برای تشخیص نشت حافظه در برنامههای Node.js.
- jsleak-detector: کتابخانهای مبتنی بر مرورگر برای تشخیص نشت حافظه.
تست خودکار نشت حافظه
شما میتوانید تشخیص نشت حافظه را در گردش کار تست خودکار خود ادغام کنید تا اطمینان حاصل شود که برنامه شما در طول زمان بدون نشت حافظه باقی میماند. این کار را میتوان با استفاده از ابزارهایی مانند Memlab یا با نوشتن تستهای سفارشی نشت حافظه با استفاده از تکنیکهای تحلیل اسنپشات هیپ انجام داد.
نتیجهگیری
پروفایلینگ حافظه یک مهارت ضروری برای هر توسعهدهنده جاوا اسکریپت است. با درک تکنیکهای تحلیل اسنپشات هیپ، میتوانید به طور پیشگیرانه حافظه را مدیریت کنید، نشتهای حافظه را شناسایی و حل کنید و عملکرد برنامههای خود را بهینه سازید. استفاده منظم از ابزارهای پروفایلینگ حافظه و پیروی از بهترین شیوهها برای جلوگیری از نشت حافظه به شما کمک میکند تا برنامههای جاوا اسکریپت قوی و با کارایی بالا بسازید که تجربه کاربری عالی ارائه میدهند. به یاد داشته باشید که از ابزارهای قدرتمند توسعهدهنده موجود استفاده کرده و ملاحظات مدیریت حافظه را در طول چرخه عمر توسعه لحاظ کنید.
چه در حال کار بر روی یک برنامه وب کوچک باشید یا یک سیستم سازمانی بزرگ، تسلط بر پروفایلینگ حافظه جاوا اسکریپت یک سرمایهگذاری ارزشمند است که در دراز مدت نتیجه خواهد داد.