前端进阶算法5：全方位解读前端用到的栈结构（调用栈、堆、垃圾回收等）

引言

栈结构很简单，我们可以通过数组就能模拟出一个栈结构，但仅仅介绍栈结构就太不前端了，本节从栈结构开始延伸到浏览器中 JavaScript 运行机制，还有存储机制上用到的栈结构及相关数据结构，一文吃透所有的前端栈知识。

以后再提到栈时，我们不再仅限于 LIFO 了，而是一个有深度的栈。

这部分是前端进阶资深必备，如果你想打造高性能的前端应用，也需要了解这块，同时它也是面试的常见考察点。

理解栈对于我们理解 JavaScript 语言至关重要，本文主要从以下几个方面介绍栈：

  • 首先介绍栈及代码实现

  • 介绍 JavaScript 运行机制及栈在其中的应用

  • 详细介绍调用栈及我们开发中如何利用调用栈

  • JS 内存机制：栈（基本类型、引用类型地址）与堆（引用类型数据）

  • 最后来一份总结与字节&leetcode刷题，实现最小栈

本节吃透栈原理，之后几天会每日一题，刷透栈题目，下面进入正文吧👍

一、 栈

栈是一种遵从后进先出 (LIFO / Last In First Out) 原则的有序集合，它的结构类似如下：

栈的操作主要有： push(e) (进栈)、 pop() (出栈)、 isEmpty() (判断是否是空栈)、 size() (栈大小)，以及 clear() 清空栈，具体实现也很简单。

二、代码实现

function Stack() {
let items = []
this.push = function(e) {
items.push(e)
}
this.pop = function() {
return items.pop()
}
this.isEmpty = function() {
return items.length === 0
}
this.size = function() {
return items.length
}
this.clear = function() {
items = []
}
}

查找：从栈头开始查找，时间复杂度为 O(n)

插入或删除：进栈与出栈的时间复杂度为 O(1)

三、浏览器中 JS 运行机制

我们知道 JavaScript 是单线程的，所谓单线程，是指在 JavaScript 引擎中负责解释和执行 JavaScript 代码的线程唯一，同一时间上只能执行一件任务。

为什么是单线程的喃？这是因为 JavaScript 可以修改 DOM 结构，如果 JavaScript 引擎线程不是单线程的，那么可以同时执行多段 JavaScript，如果这多段 JavaScript 都修改 DOM，那么就会出现 DOM 冲突。

为了避免 DOM 渲染的冲突，可以采用单线程或者死锁，JavaScript 采用了单线程方案。

但单线程有一个问题：如果任务队列里有一个任务耗时很长，导致这个任务后面的任务一直排队等待，就会发生页面卡死，严重影响用户体验。

为了解决这个问题，JavaScript 将任务的执行模式分为两种：同步和异步。

同步

// 同步任务
let a = 1
console.log(a) // 1

异步

// 异步任务
setTimeout(() => {
console.log('时间到')
}, 1000)

同步任务都在主线程（这里的主线程就是 JavaScript 引擎线程）上执行，会形成一个 调用栈 ，又称 执行栈 ；

除了主线程外，还有一个任务队列（也称消息队列），用于管理异步任务的 事件回调 ，在 调用栈 的任务执行完毕之后，系统会检查任务队列，看是否有可以执行的异步任务。

注意：任务队列存放的是异步任务的事件回调

例如上例：

setTimeout(() => {
console.log('时间到')
}, 1000)

在执行这段代码时，并不会立刻打印 ，只有定时结束后（1s）才打印。 setTimeout 本身是同步执行的，放入任务队列的是它的回调函数。

下面我们重点看一下主线程上的调用栈。

四、调用栈

我们从以下两个方面介绍调用栈：

  • 调用栈的用来做什么

  • 在开发中，如何利用调用栈

1. 调用栈的职责

我们知道，在 JavaScript 中有很多函数，经常会出现一个函数调用另外一个函数的情况，调用栈就是用来管理函数调用关系的一种栈结构 。

那么它是如何去管理函数调用关系喃？我们举例说明：

var a = 1
function add(a) {
var b = 2
let c = 3
return a + b + c
}
// 函数调用
add(a)

这段代码很简单，就是创建了一个 add 函数，然后调用了它。

下面我们就一步步的介绍整个函数调用执行的过程。

在执行这段代码之前，JavaScript 引擎会先创建一个全局执行上下文，包含所有已声明的函数与变量：

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从图中可以看出，代码中的全局变量 a 及函数 add 保存在变量环境中。

执行上下文准备好后，开始执行全局代码，首先执行 a = 1 的赋值操作，

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赋值完成后 a 的值由 undefined 变为 1，然后执行 add 函数，JavaScript 判断出这是一个函数调用，然后执行以下操作：

  • 首先，从全局执行上下文中，取出 add 函数代码

  • 其次，对 add 函数的这段代码进行编译，并创建该函数的执行上下文和可执行代码，并将执行上下文压入栈中

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  • 然后，执行代码，返回结果，并将 add 的执行上下文也会从栈顶部弹出，此时调用栈中就只剩下全局上下文了。

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至此，整个函数调用执行结束了。

所以说，调用栈是 JavaScript 用来管理函数执行上下文的一种数据结构，它记录了当前函数执行的位置，哪个函数正在被执行。 如果我们执行一个函数，就会为函数创建执行上下文并放入栈顶。 如果我们从函数返回，就将它的执行上下文从栈顶弹出。 也可以说调用栈是用来管理这种执行上下文的栈，或称执行上下文栈（执行栈）。

2. 懂调用栈的开发人员有哪些优势

栈溢出

在我们执行 JavaScript 代码的时候，有时会出现栈溢出的情况：

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上图就是一个典型的栈溢出，那为什么会出现这种错误喃？

我们知道调用栈是用来管理执行上下文的一种数据结构，它是有大小的，当入栈的上下文过多的时候，它就会报栈溢出，例如：

function add() {
return 1 + add()
}
add()

add 函数不断的递归，不断的入栈，调用栈的容量有限，它就溢出了，所以，我们日常的开发中，一定要注意此类代码的出现。

在浏览器中获取调用栈信息

两种方式，一种是断点调试，这种很简单，我们日常开发中都用过。

一种是 console.trace()

function sum(){
return add()
}
function add() {
console.trace()
return 1
}
// 函数调用
sum()

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五、JS 内存机制：栈（基本类型、引言类型地址）与堆（引用类型数据）

在 JavaScript 开发日常中，前端人员很少有机会了解内存，但如果你想成为前端的专家，打造高性能的前端应用，你就需要了解这一块，同时它也是面试的常见考察点。

JavaScript 中的内存空间主要分为三种类型：

  • 代码空间：主要用来存放可执行代码

  • 栈空间：调用栈的存储空间就是栈空间。

  • 堆空间

代码空间主要用来存放可执行代码的。栈空间及堆空间主要用来存放数据的。接下来我们主要介绍栈空间及堆空间。

JavaScript 中的变量类型有 8 种，可分为两种：基本类型、引用类型

基本类型：

  • undefined

  • null

  • boolean

  • number

  • string

  • bigint

  • symbol

引用类型：

  • object

其中，基本类型是保存在栈内存中的简单数据段，而引用类型保存在堆内存中。

1. 栈空间

基本类型在内存中占有固定大小的空间，所以它们的值保存在栈空间，我们通过 按值访问 。

一般栈空间不会很大。

2. 堆空间

引用类型，值大小不固定，但指向值的指针大小（内存地址）是固定的，所以把对象放入堆中，将对象的地址放入栈中，这样，在调用栈中切换上下文时，只需要将指针下移到上个执行上下文的地址就可以了，同时保证了栈空间不会很大。

当查询引用类型的变量时， 先从栈中读取内存地址， 然后再通过地址找到堆中的值。对于这种，我们把它叫做 按引用访问 。

一般堆内存空间很大，能存放很多数据，但它内存分配与回收都需要花费一定的时间。

举个例子帮助理解一下：

var a = 1
function foo() {
var b = 2
var c = { name: 'an' }
}
// 函数调用
foo()

基本类型（栈空间）与引用类型（堆空间）的存储方式决定了：基本类型赋值是值赋值，而引用类型赋值是地址赋值。

// 值赋值
var a = 1
var b = a
a = 2
console.log(b)
// 1
// b 不变
// 地址赋值
var a1 = {name: 'an'}
var b1 = a1
a1.name = 'bottle'
console.log(b1)
// {name: "bottle"}
// b1 值改变

3. 垃圾回收

JavaScript 中的垃圾数据都是由垃圾回收器自动回收的，不需要手动释放。所以大部分的开发人员并不了解垃圾回收，但这部分也是前端进阶资深必备！

回收栈空间

在 JavaScript 执行代码时，主线程上会存在 ESP 指针，用来指向调用栈中当前正在执行的上下文，如下图，当前正在执行 foo 函数：

当 foo 函数执行完成后，ESP 向下指向全局执行上下文，此时需要销毁 foo 函数。

怎么销毁喃？

当 ESP 指针指向全局执行上下文，foo 函数执行上下文已经是无效的了，当有新的执行上下文进来时，可以直接覆盖这块内存空间。

即：JavaScript 引擎通过向下移动 ESP 指针来销毁存放在栈空间中的执行上下文。

回收堆空间

V8 中把堆分成新生代与老生代两个区域：

  • 新生代：用来存放生存周期较短的小对象，一般只支持1～8M的容量

  • 老生代：用来存放生存周期较长的对象或大对象

V8 对这两块使用了不同的回收器：

  • 新生代使用副垃圾回收器

  • 老生代使用主垃圾回收器

其实无论哪种垃圾回收器，都采用了同样的流程（三步走）：

  • 标记： 标记堆空间中的活动对象（正在使用）与非活动对象（可回收）

  • 垃圾清理： 回收非活动对象所占用的内存空间

  • 内存整理： 当进行频繁的垃圾回收时，内存中可能存在大量不连续的内存碎片，当需要分配一个需要占用较大连续内存空间的对象时，可能存在内存不足的现象，所以，这时就需要整理这些内存碎片。

副垃圾回收器与主垃圾回收器虽然都采用同样的流程，但使用的回收策略与算法是不同的。

副垃圾回收器

它采用 Scavenge 算法及对象晋升策略来进行垃圾回收

所谓 Scavenge 算法，即把新生代空间对半划分为两个区域，一半是对象区域，一半是空闲区域，如下图所示：

新加入的对象都加入对象区域，当对象区满的时候，就执行一次垃圾回收，执行流程如下：

  • 标记：首先要对区域内的对象进行标记（活动对象、非活动对象）

  • 垃圾清理：然后进行垃圾清理：将对象区的活动对象复制到空闲区域，并进行有序的排列，当复制完成后，对象区域与空闲区域进行翻转，空闲区域晋升为对象区域，对象区域为空闲区域

翻转后，对象区域是没有碎片的，此时不需要进行第三步（内存整理了）

但，新生代区域很小的，一般1～8M的容量，所以它很容易满，所以，JavaScript 引擎采用对象晋升策略来处理，即只要对象经过两次垃圾回收之后依然继续存活，就会被晋升到老生代区域中。

主垃圾回收器

老生代区域里除了存在从新生代晋升来的存活时间久的对象，当遇到大对象时，大对象也会直接分配到老生代。

所以主垃圾回收器主要保存存活久的或占用空间大的对象，此时采用 Scavenge 算法就不合适了。V8 中主垃圾回收器主要采用标记-清除法进行垃圾回收。

主要流程如下：

  • 标记：遍历调用栈，看老生代区域堆中的对象是否被引用，被引用的对象标记为活动对象，没有被引用的对象（待清理）标记为垃圾数据。

  • 垃圾清理：将所有垃圾数据清理掉

  • 内存整理：标记-整理策略，将活动对象整理到一起

增量标记

V8 浏览器会自动执行垃圾回收，但由于 JavaScript 也是运行在主线程上的，一旦执行垃圾回收，就要打断 JavaScript 的运行，可能会或多或少的造成页面的卡顿，影响用户体验，所以 V8 决定采用增量 标记算法回收：

即把垃圾回收拆成一个个小任务，穿插在 JavaScript 中执行。

六、总结

本节从栈结构开始介绍，满足后进先出 (LIFO) 原则的有序集合，然后通过数组实现了一个栈。

接着介绍浏览器环境下 JavaScript 的异步执行机制，即事件循环机制， JavaScript 主线程不断的循环往复的从任务队列中读取任务（异步事件回调），放入调用栈中执行。调用栈又称执行上下文栈（执行栈），是用来管理函数执行上下文的栈结构。

JavaScript 的存储机制分为代码空间、栈空间以及堆空间，代码空间用于存放可执行代码，栈空间用于存放基本类型数据和引用类型地址，堆空间用于存放引用类型数据，当调用栈中执行完成一个执行上下文时，需要进行垃圾回收该上下文以及相关数据空间，存放在栈空间上的数据通过 ESP 指针来回收，存放在堆空间的数据通过副垃圾回收器（新生代）与主垃圾回收器（老生代）来回收。

聊聊就跑远了🤦‍♀️，但都是前端进阶必会，接下来我们开始刷栈题目吧！！！每日一刷，进阶前端与算法⛽️⛽️⛽️，来道简单的吧！

七、字节&leetcode155：最小栈（包含getMin函数的栈）

设计一个支持 push ，pop ，top 操作，并能在常数时间内检索到最小元素的栈。

  • push(x) —— 将元素 x 推入栈中。

  • pop() —— 删除栈顶的元素。

  • top() —— 获取栈顶元素。

  • getMin() —— 检索栈中的最小元素。

示例:

MinStack minStack = new MinStack();
minStack.push(-2);
minStack.push(0);
minStack.push(-3);
minStack.getMin();   --> 返回 -3.
minStack.pop();
minStack.top();      --> 返回 0.
minStack.getMin();   --> 返回 -2.

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八、参考资料

浏览器工作原理与实践（极客时间）

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