手把手教会你JavaScript引擎如何执行JavaScript代码

JavaScript 在运行过程中与其他语言有所不一样,如果不理解 JavaScript 的词法环境、执行上下文等内容,很容易会在开发过程中产生 Bug,比如this指向和预期不一致、某个变量不知道为什么被改了,等等。所以今天我们就来聊一聊 JavaScript 代码的运行过程。

大家都知道,JavaScript 代码是需要在 JavaScript 引擎中运行的。我们在说到 JavaScript 运行的时候,常常会提到执行环境、词法环境、作用域、执行上下文、闭包等内容。这些概念看起来都差不多,却好像又不大容易区分清楚,它们分别都在描述什么呢?

这些词语都是与 JavaScript 引擎执行代码的过程有关,为了搞清楚这些概念之间的区别,我们可以回顾下 JavaScript 代码运行过程中的各个阶段。

JavaScript 代码运行的各个阶段

JavaScript 是弱类型语言,在运行时才能确定变量类型。JavaScript 引擎在执行 JavaScript 代码时,也会从上到下进行词法分析、语法分析、语义分析等处理,并在代码解析完成后生成 AST(抽象语法树),最终根据 AST 生成 CPU 可以执行的机器码并执行。

这个过程,我们称之为语法分析阶段。除了语法分析阶段,JavaScript 引擎在执行代码时还会进行其他的处理。以 V8 引擎为例,在 V8 引擎中 JavaScript 代码的运行过程主要分成三个阶段。

  1. 语法分析阶段。该阶段会对代码进行语法分析,检查是否有语法错误(SyntaxError),如果发现语法错误,会在控制台抛出异常并终止执行。
  1. 编译阶段。该阶段会进行执行上下文(Execution Context)的创建,包括创建变量对象、建立作用域链、确定 this 的指向等。每进入一个不同的运行环境时,V8 引擎都会创建一个新的执行上下文。
  2. 执行阶段。将编译阶段中创建的执行上下文压入调用栈,并成为正在运行的执行上下文,代码执行结束后,将其弹出调用栈。

其中,语法分析阶段属于编译器通用内容,就不再赘述。前面提到的执行环境、词法环境、作用域、执行上下文等内容都是在编译和执行阶段中产生的概念。

执行上下文的创建

执行上下文的创建离不开 JavaScript 的运行环境,JavaScript 运行环境包括全局环境、函数环境和eval,其中全局环境和函数环境的创建过程如下:

  1. 第一次载入 JavaScript 代码时,首先会创建一个全局环境。全局环境位于最外层,直到应用程序退出后(例如关闭浏览器和网页)才会被销毁。
  2. 每个函数都有自己的运行环境,当函数被调用时,则会进入该函数的运行环境。当该环境中的代码被全部执行完毕后,该环境会被销毁。不同的函数运行环境不一样,即使是同一个函数,在被多次调用时也会创建多个不同的函数环境。

在不同的运行环境中,变量和函数可访问的其他数据范围不同,环境的行为(比如创建和销毁)也有所区别。而每进入一个不同的运行环境时,JavaScript 都会创建一个新的执行上下文,该过程包括:

  • 建立作用域链(Scope Chain);
  • 创建变量对象(Variable Object,简称 VO);
  • 确定 this 的指向。

由于建立作用域链过程中会涉及变量对象的概念,因此我们先来看看变量对象的创建,再看建立作用域链和确定 this 的指向。

创建变量对象

变量对象(VO)

每个执行上下文都会有一个关联的变量对象,该对象上会保存这个上下文中定义的所有变量和函数。

在浏览器中,全局环境的变量对象是window对象,因此所有的全局变量和函数都是作为window对象的属性和方法创建的。相应的,在 Node 中全局环境的变量对象则是global对象。

创建VO的过程

创建变量对象将会创建arguments对象(仅函数环境下),同时会检查当前上下文的函数声明和变量声明。

  • 对于变量声明:此时会给变量分配内存,并将其初始化为undefined(该过程只进行定义声明,执行阶段才执行赋值语句)。
  • 对于函数声明:此时会在内存里创建函数对象,并且直接初始化为该函数对象。

变量声明和函数声明的处理过程,便是我们常说的变量提升和函数提升,其中函数声明提升会优先于变量声明提升。因为变量提升容易带来变量在预期外被覆盖掉的问题,同时还可能导致本应该被销毁的变量没有被销毁等情况。因此 ES6 中引入了let和const关键字,从而使 JavaScript 也拥有了块级作用域。

作用域

在各类编程语言中,作用域分为静态作用域和动态作用域。JavaScript 采用的是词法作用域(Lexical Scoping),也就是静态作用域。词法作用域中的变量,在编译过程中会产生一个确定的作用域。

词法作用域中的变量,在编译过程中会产生一个确定的作用域,这个作用域即当前的执行上下文,在 ES5 后我们使用词法环境(Lexical Environment)替代作用域来描述该执行上下文。因此,词法环境可理解为我们常说的作用域,同样也指当前的执行上下文(注意,是当前的执行上下文)。

在 JavaScript 中,词法环境又分为词法环境(Lexical Environment)和变量环境(Variable Environment)两种,其中:

  • 变量环境用来记录var/function等变量声明;
  • 词法环境是用来记录let/const/class等变量声明。

也就是说,创建变量过程中会进行函数提升和变量提升,JavaScript 会通过词法环境来记录函数和变量声明。通过使用两个词法环境(而不是一个)分别记录不同的变量声明内容,JavaScript 实现了支持块级作用域的同时,不影响原有的变量声明和函数声明。

这就是创建变量的过程,它属于执行上下文创建中的一环。创建变量的过程会产生作用域,作用域也被称为词法环境。

建立作用域链

作用域链,就是将各个作用域通过某种方式连接在一起。作用域就是词法环境,而词法环境由两个成员组成。

  1. 环境记录(Environment Record):用于记录自身词法环境中的变量对象。
  2. 外部词法环境引用(Outer Lexical Environment):记录外层词法环境的引用。

通过外部词法环境的引用,作用域可以层层拓展,建立起从里到外延伸的一条作用域链。当某个变量无法在自身词法环境记录中找到时,可以根据外部词法环境引用向外层进行寻找,直到最外层的词法环境中外部词法环境引用为null,这便是作用域链的变量查询。

JavaScript 代码运行过程分为定义期和执行期,前面提到的编译阶段则属于定义期,代码示例如下:

function foo() { // 定义全局函数foo
    console.dir(bar);
    var a = 1;
    function bar() { // 在foo函数内部定义函数bar
        a = 2;
 }
}
console.dir(foo);
foo();

前面我们说到,JavaScript 使用的是静态作用域,因此函数的作用域在定义期已经决定了。在上面的例子中,全局函数foo创建了一个foo[[scope]]属性,包含了全局[[scope]]

foo[[scope]] = [globalContext];

而当我们执行foo()时,也会分别进入foo函数的定义期和执行期。

在foo函数的定义期时,函数bar的[[scope]]将会包含全局[[scope]]和foo的[[scope]]:

bar[[scope]] = [fooContext, globalContext];

运行上述代码,我们可以在控制台看到符合预期的输出:

可以看到:

  • foo的[[scope]]属性包含了全局[[scope]]
  • bar的[[scope]]将会包含全局[[scope]]和foo的[[scope]]

也就是说,JavaScript 会通过外部词法环境引用来创建变量对象的一个作用域链,从而保证对执行环境有权访问的变量和函数的有序访问。除了创建作用域链之外,在这个过程中还会对创建的变量对象做一些处理。

在编译阶段会进行变量对象(VO)的创建,该过程会进行函数声明和变量声明,这时候变量的值被初始化为 undefined。在代码进入执行阶段之后,JavaScript 会对变量进行赋值,此时变量对象会转为活动对象(Active Object,简称 AO),转换后的活动对象才可被访问,这就是 VO -> AO 的过程,示例如下:

function foo(a) {
    var b = 2; 
    function c() {}
    var d = function() {};
}


foo(1);

在执行foo(1)时,首先进入定义期,此时:

  • 参数变量a的值为1
  • 变量b和d初始化为undefined
  • 函数c创建函数并初始化
AO = {
 arguments: {
  0: 1,
  length: 1
 },
 a: 1,
 b: undefined,
 c: reference to function() c() {}
 d:undefined
}

前面我们也有提到,进入执行期之后,会执行赋值语句进行赋值,此时变量b和d会被赋值为 2 和函数表达式:

AO = {
   arguments: {
    0: 1,
    length: 1
  },
  a: 1,
  b: 2,
  c: reference to function c(){},
  d: reference to FunctionExpression "d"
}

这就是 VO -> AO 过程。

  • 在定义期(编译阶段):该对象值仍为undefined,且处于不可访问的状态。
  • 进入执行期(执行阶段):VO 被激活,其中变量属性会进行赋值。

实际上在执行的时候,除了 VO 被激活,活动对象还会添加函数执行时传入的参数和arguments这个特殊对象,因此 AO 和 VO 的关系可以用以下关系来表达:

AO = VO + function parameters + arguments

现在,我们知道作用域链是在进入代码的执行阶段时,通过外部词法环境引用来创建的。总结如下:

  • 在编译阶段,JavaScript 在创建执行上下文的时候会先创建变量对象(VO);
  • 在执行阶段,变量对象(VO)被激活为活动对象( AO),函数内部的变量对象通过外部词法环境的引用创建作用域链。

通过作用域链,我们可以在函数内部可以直接读取外部以及全局变量,但外部环境是无法访问内部函数里的变量。示例如下:

function foo() {
  var a = 1;
}
foo();
console.log(a); // undefined

我们在全局环境下无法访问函数foo中的变量a,这是因为全局函数的作用域链里,不含有函数foo内的作用域。

如果我们想要访问内部函数的变量,可以通过函数foo中的函数bar返回变量a,并将函数bar返回,这样我们在全局环境中也可以通过调用函数foo返回的函数bar,来访问变量a:

function foo() {
  var a = 1;
  function bar() {
    return a;
  }
  return bar;
}
var b = foo();
console.log(b()); // 1

当函数执行结束之后,执行期上下文将被销毁,其中包括作用域链和激活对象。

在上面的实例中;当b()执行时,foo函数上下文包括作用域都已经被销毁了,但是foo作用域下的a依然可以被访问到;这是因为bar函数引用了foo函数变量对象中的值,此时即使创建bar函数的foo函数执行上下文被销毁了,但它的变量对象依然会保留在 JavaScript 内存中,bar函数依然可以通过bar函数的作用域链找到它,并进行访问。这就是闭包;

闭包使得我们可以从外部读取局部变量,常见的用途包括:

  1. 用于从外部读取其他函数内部变量的函数;
  2. 可以使用闭包来模拟私有方法;
  3. 让这些变量的值始终保持在内存中。

注意,在使用闭包的时候,需要及时清理不再使用到的变量,否则可能导致内存泄漏问题。

确定 this 的指向

在 JavaScript 中,this指向执行当前代码对象的所有者,可简单理解为this指向最后调用当前代码的那个对象。

根据 JavaScript 中函数的调用方式不同,this的指向分为以下情况。

  1. 在全局环境中,this指向全局对象(在浏览器中为window)
  2. 在函数内部,this的值取决于函数被调用的方式
  3. 函数作为对象的方法被调用,this指向调用这个方法的对象
  4. 函数用作构造函数时(使用new关键字),它的this被绑定到正在构造的新对象
  5. 在类的构造函数中,this是一个常规对象,类中所有非静态的方法都会被添加到this的原型中
  6. 在箭头函数中,this指向它被创建时的环境
  7. 使用apply、call、bind等方式调用:根据 API 不同,可切换函数执行的上下文环境,即this绑定的对象

可以看到,this在不同的情况下会有不同的指向,在 ES6 箭头函数还没出现之前,为了能正确获取某个运行环境下this对象,我们常常会使用以下代码:

var that = this;
var self = this;

这样的代码将变量分配给this,便于使用。但是降低了代码可读性,不推荐使用,通过正确使用箭头函数,我们可以更好地管理作用域。

总结

今天我们了解了 JavaScript 代码的运行过程,该过程分为语法分析阶段、编译阶段、执行阶段三个阶段。

在编译阶段,JavaScript会进行执行上下文的创建,在执行阶段,变量对象(VO)会被激活为活动对象(AO),变量会进行赋值,此时活动对象才可被访问。在执行结束之后,作用域链和活动对象均被销毁,使用闭包可使活动对象依然被保留在内存中。这就是 JavaScript 代码的运行过程。

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