JavaScript的运行机制

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了解JavaScript运行机制有助于我们避免bug,并写出高性能的代码,当然还有一大用处就是有助于我们通过造火箭环节的面试。

具体而言你会搞清楚以下问题:

  • 作用域链本质上是如何产生的
  • this是如何被绑定的
  • JavaScript代码到底运行原理是什么
  • 闭包产生的根本原因

而产生的『后果』是,你可以应对几乎所有的JavaScript作用域、闭包、执行等层面的面试题,还有一个可能的后果,就是面对复杂度不是那么高的代码时,你的脑子中会自己把执行过程像放动画一样过一遍(虽然这个动画也不非常准确)。

JavaScript的执行环境

在了解JavaScript运行机制之前,我们需要搞清楚几个主要概念,这有助于我们接下来的理解。

JavaScript引擎(JavaScript Engine)

赋予一段代码意义的正是JavaScript引擎,目前JavaScript引擎有许多种:

  • V8 — 开源,由 Google 开发,用 C ++ 编写
  • Rhino — 由 Mozilla 基金会管理,开源,完全用 Java 开发
  • SpiderMonkey — 是第一个支持 Netscape Navigator 的 JavaScript 引擎,目前正供 Firefox 使用
  • JavaScriptCore — 开源,以Nitro形式销售,由苹果为Safari开发
  • KJS — KDE 的引擎,最初由 Harri Porten 为 KDE 项目中的 Konqueror 网页浏览器开发
  • Chakra (JScript9) — Internet Explorer
  • Chakra (JavaScript) — Microsoft Edge
  • Nashorn, 作为 OpenJDK 的一部分,由 Oracle Java 语言和工具组编写
  • JerryScript —  物联网的轻量级引擎

而最为大家熟知的无疑是V8引擎,他用于Chrome浏览器和Node中。

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V8引擎由两个主要部件组成:

  • emory Heap(内存堆) — 内存分配地址的地方
  • Call Stack(调用堆栈) — 代码执行的地方

JavaScript运行时(JavaScript Runtime)

想让JavaScript真正运作起来,单单靠JavaScript Engine是不够的,JavaScript Engine的工作是编译并执行 JavaScript 代码,完成内存分配、垃圾回收等,但是缺乏与外部交互的能力。

比如单靠一个V8引擎是无法进行ajax请求、设置定时器、响应事件等操作的,这就需要JavaScript运行时(JavaScript Runtime)的帮助,它为 JavaScript 提供一些对象或机制,使它能够与外界交互。

比如,虽然Chrome和node都是用了V8引擎,但是他们的运行时却不同,比如process、fs浏览器都无法提供。

可执行代码

一段JavaScript代码的运行我们可以分为两个阶段:

  • 编译阶段:

    • 分词/词法分析(Tokenizing/Lexing)
    • 解析/语法分析(Parsing)
    • 预编译(解释)
  • 执行阶段

本文的重点在于执行阶段。

JavaScript并非简单的一行行解释执行,而是将JavaScript代码分为一块块的可执行代码块进行执行,那么如何划分代码块?

目前有三类代码块:

  • 函数代码块(Function code)
  • 全局代码块(Global code)
  • eval代码块(Eval code)

JavaScript执行

我们先看一个简单的例子:

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看到这个例子思考一下JavaScript应该是如何执行它的?

如果你头脑里没有任何细节的概念,那么接下来的内容就很适用于你了。

我们之前提到过JavaScript引擎两个重要部分:

  • emory Heap(内存堆) — 内存分配地址的地方
  • Call Stack(调用栈) — 代码执行的地方

而上面的代码声明正是被存放在『堆』中。

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此时虽然变量和函数都被声明了,但是函数还没有执行,我们现在执行say函数。

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那么接下来又会发生什么呢?

调用栈

调用栈(Call Stack)这个概念对于经常调试JavaScript代码的同学应该不陌生。

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我们声明的函数与变量被储存在『内存堆』中,而当我们要执行的时候,就必须借助于『调用栈』来解决问题。

如果熟悉数据结构的同学应该知道,栈是一个基础的数据结构,它的特点就是先进后出。

我们仍然看这个例子,当say函数被调用的时候,他会被压入栈底。

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那么是不是将函数压入栈内就结束了?肯定没有这么简单,这里需 要在引入一个概念,执行上下文(execution context)。

执行上下文(execution context)

执行上下文在代码块执行前创建,作为代码块运行的基本执行环境,那么执行上下文分为几种?

前面我们提到过,JavaScript中有三种可执行代码块,当然也对应着三种执行上下文。

  • 全局执行上下文 — 这是基础上下文,任何不在函数内部的代码都在全局上下文中。它会执行两件事:创建一个全局的 window 对象(浏览器的情况下),并且设置 this 的值等于这个全局对象。一个程序中只会有一个全局执行上下文。
  • 函数执行上下文 — 每当一个函数被调用时, 都会为该函数创建一个新的上下文。每个函数都有它自己的执行上下文,不过是在函数被调用时创建的。函数上下文可以有任意多个。每当一个新的执行上下文被创建。
  • Eval 执行上下文 — 执行在 eval 内部的代码也会有它属于自己的执行上下文,除非你想搞黑魔法,不然不要轻易使用它。

肯定会有人好奇,这个执行上下文到底包含哪些东西呢,他是如何运行的呢?

执行上下文分为两个阶段:

  • 创建阶段
  • 执行阶段

我们主要讨论创建阶段,执行阶段的主要工作就是分配变量

执行上下文的创建阶段

执行上下文的创建阶段主要解决以下三点:

  • 决定 this 的指向
  • 创建词法环境(LexicalEnvironment)
  • 创建变量环境(VariableEnvironment)

你可能在一些过时的教材或者文章中见过变量对象(VO)这种说法,它的意思与词法环境类似,但是那是ES3的标准,现在早已经改了,改变的原因讨论如下Why variable object was changed to lexical environment in ES5?

伪代码如下:

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this指向

我们应该知道this的指向是在代码执行阶段确定的,所谓的『代码执行阶段』正是『执行上下文的创建阶段』。

默认情况下this指向全局对象,比如浏览器中的window.

此外可能存在隐式绑定的情况,比如通过对象调用函数:

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这个时候this指向对象。

然后就是显示绑定对象(call apply bind)等,最后优先级最高的就是new调用构造函数生成一个对象。

词法环境(LexicalEnvironment)

词法环境分为三大类:

  • 全局环境:全局环境的外部环境引用是 null,它拥有内建的 Object/Array/等、在环境记录器内的原型函数(关联全局对象,比如 window 对象)还有任何用户定义的全局变量,并且 this的值指向全局对象。
  • 模块环境:包含模块顶级声明的绑定以及模块显式导入的绑定。 模块环境的外部环境是全局环境。
  • 函数环境:函数内部用户定义的变量存储在环境记录器中,外部引用既可以是其它函数的内部词法环境,也可以是全局词法环境

词法环境本身包括两个部分:

  • 『环境记录器(Environment Record)』是存储变量和函数声明的实际位置
  • 『外部环境的引用(outer Lexical Environment)』指它可以访问其父级词法环境(即作用域)

对于『环境记录器』而言,它又分为两个主要的环境记录器类型:

  • 声明式环境记录器(DecarativeEnvironmentRecord):范围包含函数定义,变量声明,try...catch等,此类型对应其范围内包含的声明定义的标识符集
  • 对象式环境记录器(ObjectEnvironmentRecord):由程序级别的(Program)对象、声明、with语句等创建,与称为其绑定对象的对象相关联,此类型对应于其绑定对象的属性名称的字符串标识符名称集

比如我们在全局声明一个函数:

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那么他的词法环境可以这样表示(下图我们省略了this绑定、变量环境等信息,便于理解):

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变量环境(VariableEnvironment)

变量环境的定义在es5标准和es6标准是略有不同的,我们采用es6的标准

变量环境也是一个词法环境,但不同的是词法环境被用来存储函数声明和变量(let 和 const)绑定,而变量环境只用来存储 var 变量绑定。

执行过程

在了解了这么多概念之后,我们就可以把本节开头的例子再拓展一下:

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我们就一步步复盘一下上述代码是如何执行的(不考虑解析、预解释等操作,只考虑执行):

  1. 变量name和函数声明say被白存在堆中。

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  1. 创建全局可执行上下文:

全局上下文的伪代码如下:

2019-06-20-08-19-53

示意图:

2019-06-20-05-48-54

  1. 创建函数执行上下文

say函数的执行上下文伪代码如下:

2019-06-20-08-20-53

  1. 创建创建say函数体内的函数执行上下文

play函数的执行上下文伪代码如下

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示意图:

2019-06-20-06-00-27

  1. 开始执行

将上下文中的变量赋值,然后执行代码,执行完毕栈顶的play函数后弹出,接着执行say函数,完毕后弹出。

小结

我们通过本文了解了相关的JavaScript执行机制,现在可以回答这几个问题了。

this是怎么被绑定的?

在创建可执行上下文的时候,根据代码的执行条件,来判断分别进行默认绑定、隐式绑定、显示绑定等。

作用域链是怎么形成的?

可执行上下文中的词法环境中含有外部词法环境的引用,我们可以通过这个引用获取外部词法环境的变量、声明等,这些引用串联起来一直指向全局的词法环境,因此形成了作用域链。

闭包是怎么形成的?

可执行上下文中的词法环境中含有外部词法环境的引用,我们可以通过这个引用获取外部词法环境的变量、声明等,因此形成了闭包。


参考

  1. ecma标准
  2. JavaScript调用栈到异步

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