JavaScript 执行上下文

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对于这块内容一直不清不楚,小红书(javaScript 高级程序设计(第三版))这一章节看了好几遍,为什么会形成闭包,js在内存中是如何运行,变量如何创建,存放在哪里,原始类型和引用类型是创建在堆(heap)还是(stack),这些疑惑都促使我想去了解!

什么是执行上下文

在JavaScript中有三种代码运行环境:

  • Global Code
    • JavaScript代码开始运行的默认环境
  • Function Code
    • 代码进入一个JavaScript函数
  • Eval Code
    • 使用eval()执行代码 

//global context
var sayHello="Hello"
function person(){//execution context
  
  var first="David",
  lastName="Shariff"
  function firstName(){//execution context
    return first;
  }
  function lastName(){//execution context
    return lastName;
  }
  alert(sayHello+firstName()+lastName());
}
person();


上图中,一共用4个执行上下文。全局的上下文,person函数内的上下文,蓝色以及橙色代表person函数内的另外两个函数的上下文 (只存在一个全局的上下文)

执行上下文堆栈

当javascript代码文件被浏览器载入后,默认最先进入的是一个全局的执行上下文。当在全局上下文中调用执行一个函数时,程序流就进入该被调用函数内,此时引擎就会为该函数创建一个新的执行上下文,并且将其压入到执行上下文堆栈的顶部。浏览器总是执行当前在堆栈顶部的上下文,一旦执行完毕,该上下文就会从堆栈顶部被弹出,然后,进入其下的上下文执行代码。这样,堆栈中的上下文就会被依次执行并且弹出堆栈,直到回到全局的上下文。请看下面一个例子:

例如,我们可以定义执行上下文堆栈是一个数组:

ECStack = [];

每次进入function (即使function被递归调用或作为构造函数) 的时候或者内置的eval函数工作的时候,这个堆栈都会被压入。

全局代码

这种类型的代码是在"程序"级处理的:例如加载外部的js文件或者本地<script></script>标签内的代码。全局代码不包括任何function体内的代码。

在初始化(程序启动)阶段,ECStack是这样的:

ECStack = [
  globalContext
];

函数代码

那么,ECStack以如下方式被改变:

// 第一次person的激活调用
ECStack = [
  <person> functionContext,
  globalContext
];
 
// 执行alert的时firstName激活调用
ECStack = [
  <firstName> functionContext,
  <person> functionContext,
  globalContext
];
//firstName执行完出栈
ECStack = [
  <person> functionContext,
  globalContext
];
//lastName激活调用
ECStack = [
<firstName> functionContext,
<person> functionContext,
globalContext
];//lastName执行完出栈ECStack = [
  <person> functionContext,
  globalContext
];
//person执行完出栈
ECStack = [
  globalContext
];

每次return的时候,都会退出当前执行上下文的,相应地ECStack就会弹出,栈指针会自动移动位置,这是一个典型的堆栈实现方式。相关代码执行完以后,ECStack只会包含全局上下文(global context),一直到整个应用程序结束。

再看一个例子:

(function foo(i) {
      if (i === 3) {
          return;
      }
      else {
          foo(++i);
      }
  }(0));

上述foo被声明后,通过()直接运行。函数代码就是调用了其自身3次,每次是局部变量i增加1。每次foo函数被自身调用时,就会有一个新的执行上下文被创建。每当一个上下文执行完毕,该上下文就被弹出堆栈,回到上一个上下文,直到再次回到全局上下文。如下图:


var a = "global var";

function foo(){
    console.log(a);
}

function outerFunc(){
    var b = "var in outerFunc";
    console.log(b);
    
    function innerFunc(){
        var c = "var in innerFunc";
        console.log(c);
        foo();
    }
    
    innerFunc();
}


outerFunc()

代码首先进入Global Execution Context,然后依次进入outerFunc,innerFunc和foo的执行上下文,执行上下文栈就可以表示为:

当JavaScript代码执行的时候,第一个进入的总是默认的Global Execution Context,所以说它总是在ECS的最底部。

对于每个Execution Context都有三个重要的属性,变量对象(Variable object,VO),作用域链(Scope chain)和this。这三个属性跟代码运行的行为有很重要的关系,下面会一一介绍。

当然,除了这三个属性之外,根据实现的需要,Execution Context还可以有一些附加属性。

变量对象VO

从上面看到,在Execution Context中,会保存变量对象(Variable object,VO),下面就看看变量对象是什么。

变量对象(Variable object)

变量对象是与执行上下文相关的数据作用域。其中存储了在上下文中定义的变量和函数声明。也就是说,一般VO中会包含以下信息:

  • 变量 (var, Variable Declaration);
  • 函数声明 (Function Declaration, FD);
  • 函数的形参

当JavaScript代码运行中,如果试图寻找一个变量的时候,就会首先查找VO。对于前面例子中的代码,Global Execution Context中的VO就可以表示如下:

注意,假如上面的例子代码中有下面两个语句,Global VO仍将不变。

(function bar(){}) // function expression, FE
baz = "property of global object"

也就是说,对于VO,是有下面两种特殊情况的:

  • 函数表达式(与函数声明相对)不包含在VO之中
  • 没有使用var声明的变量(这种变量是,"全局"的声明方式,只是给Global添加了一个属性,并不在VO中)

活动对象(Activation object)

只有全局上下文的变量对象允许通过VO的属性名称间接访问;在函数执行上下文中,VO是不能直接访问的,此时由激活对象(Activation Object,缩写为AO)扮演VO的角色。激活对象 是在进入函数上下文时刻被创建的,它通过函数的arguments属性初始化。

Arguments Objects 是函数上下文里的激活对象AO中的内部对象,它包括下列属性:

  1. callee:指向当前函数的引用
  2. length: 真正传递的参数的个数
  3. properties-indexes:就是函数的参数值(按参数列表从左到右排列)

对于VO和AO的关系可以理解为,VO在不同的Execution Context中会有不同的表现:当在Global Execution Context中,可以直接使用VO;但是,在函数Execution Context中,AO就会被创建。

当上面的例子开始执行outerFunc的时候,就会有一个outerFunc的AO被创建:

通过上面的介绍,我们现在了解了VO和AO是什么,以及他们之间的关系了。下面就需要看看JavaScript解释器是怎么执行一段代码,以及设置VO和AO了。

细看Execution Context

当一段JavaScript代码执行的时候,JavaScript解释器会创建Execution Context,其实这里会有两个阶段:

  • 创建阶段(当函数被调用,但是开始执行函数内部代码之前)
    • 创建Scope chain
    • 创建VO/AO(variables, functions and arguments)
    • 设置this的值
  • 激活/代码执行阶段
    • 设置变量的值、函数的引用,然后解释/执行代码

这里想要详细介绍一下"创建VO/AO"中的一些细节,因为这些内容将直接影响代码运行的行为。

对于"创建VO/AO"这一步,JavaScript解释器主要做了下面的事情:

  • 根据函数的参数,创建并初始化arguments object
  • 扫描函数内部代码,查找函数声明(Function declaration)
    • 对于所有找到的函数声明,将函数名和函数引用存入VO/AO中
    • 如果VO/AO中已经有同名的函数,那么就进行覆盖
  • 扫描函数内部代码,查找变量声明(Variable declaration)
    • 对于所有找到的变量声明,将变量名存入VO/AO中,并初始化为"undefined"
    • 如果变量名称跟已经声明的形式参数或函数相同,则变量声明不会干扰已经存在的这类属性

看下面的例子:

复制代码
function foo(i) {
    var a = 'hello';
    var b = function privateB() {

    };
    function c() {

    }
}

foo(22);
复制代码

对于上面的代码,在"创建阶段",可以得到下面的Execution Context object:

fooExecutionContext = {
    scopeChain: { ... },
    variableObject: {
        arguments: {
            0: 22,
            length: 1
        },
        i: 22,
        c: pointer to function c()
        a: undefined,
        b: undefined
    },
    this: { ... }
}
复制代码

在"激活/代码执行阶段",Execution Context object就被更新为:

复制代码
fooExecutionContext = {
    scopeChain: { ... },
    variableObject: {
        arguments: {
            0: 22,
            length: 1
        },
        i: 22,
        c: pointer to function c()
        a: 'hello',
        b: pointer to function privateB()
    },
    this: { ... }
}

例子分析

前面介绍了Execution Context,VO/AO等这么多的理论知识,当然是为了方便我们去分析代码中的一些行为。这里,就通过几个简单的例子,结合上面的概念来分析结果。

Example 1

首先看第一个例子:

(function(){
    console.log(bar);
    console.log(baz);
    
    var bar = 20;
    
    function baz(){
        console.log("baz");
    }
    
})()

在Chrome中运行代码运行后将输出:

代码解释:匿名函数会首先进入"创建结果",JavaScript解释器会创建一个"Function Execution Context",然后创建Scope chain,VO/AO和this。根据前面的介绍,解释器会扫描函数和变量声明,如下的AO会被创建:

所以,对于bar,我们会得到"undefined"这个输出,表现的行为就是,我们在声明一个变量之前就访问了这个变量。这个就是JavaScript中"Hoisting"。

Example 2

接着上面的例子,进行一些修改:

复制代码
(function(){
    console.log(bar);
    console.log(baz);
    
    bar = 20;
    console.log(window.bar);
    console.log(bar);
    
    function baz(){
        console.log("baz");
    }
    
})()
复制代码

运行这段代码会得到"bar is not defined(…)"错误。当代码执行到"console.log(bar);"的时候,会去AO中查找"bar"。但是,根据前面的解释,函数中的"bar"并没有通过var关键字声明,所有不会被存放在AO中,也就有了这个错误。

注释掉"console.log(bar);",再次运行代码,可以得到下面结果。"bar"在"激活/代码执行阶段"被创建。

Example 3

现在来看最后一个例子:

(function(){
    console.log(foo);
    console.log(bar);
    console.log(baz);
    
    var foo = function(){};
    
    function bar(){
        console.log("bar");
    }
    
    var bar = 20;
    console.log(bar);
    
    function baz(){
        console.log("baz");
    }
    
})()

代码的运行结果为:

代码中,最"奇怪"的地方应该就是"bar"的输出了,第一次是一个函数,第二次是"20"。

其实也很好解释,回到前面对"创建VO/AO"的介绍,在创建VO/AO过程中,解释器会先扫描函数声明,然后"foo: <function>"就被保存在了AO中;但解释器扫描变量声明的时候,虽然发现"var bar = 20;",但是因为"foo"在AO中已经存在,所以就没有任何操作了。

但是,当代码执行到第二句"console.log(bar);"的时候,"激活/代码执行阶段"已经把AO中的"bar"重新设置了。

总结