闭包和执行上下文

明易
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这里有一份简洁的前端知识体系等待你查收，看看吧，会有惊喜哦~如果觉得不错，恳求star哈~


概述

一段 JS 代码可能会包含函数调用的相关内容，你可能听说过很多概念，诸如闭包、作用域链、执行上下文、this值。

实际上，尽管它们是表示不同的意思的术语，所指向的几乎是同一部分知识，那就是函数执行过程相关的知识。我们可以简单看一下图。



我们先来讲讲这个有点复杂的概念：闭包。


闭包

在编程语言领域，闭包表示一种函数。

在上世纪60年代，主流的编程语言是基于lambda演算的函数式编程语言，最初的闭包定义，是“带有一系列信息的λ表达式”。对函数式语言而言，λ表达式其实就是函数。

所以，闭包其实只是一个绑定了执行环境的函数，闭包与普通函数的区别是，它携带了执行的环境。

我们来看下古典的闭包定义跟 JS 中的闭包定义，观察他们的区别。

古典的闭包定义中，闭包包含两个部分：

  1. 环境部分
    • 环境
    • 标识符列表
  2. 表达式部分

JS 中闭包组成部分：

  1. 环境部分
    • 环境：函数的词法环境（执行上下文的一部分）
    • 标识符列表：函数中用到的未声明的变量(也就是函数里不带var/let/const的变量)
  2. 表达式部分：函数体

有些人会把 JS 执行上下文，或者作用域（Scope，ES3中规定的执行上下文的一部分）这个概念当作闭包。实际上JS 中跟闭包对应的概念就是“函数”。

这里给闭包做个简单的定义：函数 A 内部有一个函数 B，函数 B 访问到函数 A 中的变量，那么函数 B 就是闭包。

我们可以这样理解：

  1. 首先，函数B绑定了函数A的语法环境，该闭包不管在何处声明，函数B绑定的环境都不会改变。
  2. 其次，函数B用到了未声明的变量，这些变量来自函数A。

执行上下文：执行的基础设施

相比普通函数，JS 闭包的主要复杂性来自于它携带的“环境部分”。当然，发展到今天的 JS ，它所定义的环境部分，已经比当初经典的定义复杂了很多。

JS 中与闭包“环境部分”相对应的术语是“词法环境”，但是 JS 函数比λ函数要复杂得多，我们还要处理this、变量声明、with等等一系列的复杂语法，λ函数中可没有这些东西，所以，在 JS 的设计中，词法环境只是 JS 执行上下文的一部分。

JS 标准把一段代码（包括函数），执行所需的所有信息定义为：“执行上下文”。

因为这部分术语经历了比较多的版本和社区的演绎，所以定义比较混乱，这里我们先来理一下 JS 中的概念。


ES3

执行上下文在ES3中，包含三个部分。

  1. scope：作用域，也常常被叫做作用域链。
  2. variable object：变量对象，用于存储变量的对象。
  3. this value：this值。

注意：网上流传甚广的，用global object，和active object 来解释闭包、作用域、执行上下文，这是ES3里的解释法，现在已经解释不了很多语法了。


ES5

在ES5中，我们改进了命名方式，把执行上下文最初的三个部分改为下面这个样子。

  1. lexical environment：词法环境，当获取变量时使用。
  2. variable environment：变量环境，当声明变量时使用。
  3. this value：this值。

ES2018

在ES2018中，执行上下文又变成了这个样子，this值被归入lexical environment，但是增加了不少内容。

  1. lexical environment：词法环境，当获取变量或者this值时使用。
  2. variable environment：变量环境，当声明变量时使用
  3. code evaluation state：用于恢复代码执行位置。
  4. Function：执行的任务是函数时使用，表示正在被执行的函数。
  5. ScriptOrModule：执行的任务是脚本或者模块时使用，表示正在被执行的代码。
  6. Realm：使用的基础库和内置对象实例。
  7. Generator：仅生成器上下文有这个属性，表示当前生成器。

我们在这里介绍执行上下文的各个版本定义，是考虑到你可能会从各种网上的文章中接触这些概念，如果不把它们理清楚，我们就很难分辨对错。如果是我们自己使用，建议统一使用最新的ES2018中规定的术语定义。

接下来，我们从代码实例出发，推导函数执行过程中需要哪些信息，它们又对应着执行上下文中的哪些部分。

比如，我们看以下的这段 JS 代码：

var b = {}
let c = 1
this.a = 2;

要想正确执行它，我们需要知道以下信息：

  1. var 把 b 声明到哪里；
  2. b 表示哪个变量；
  3. b 的原型是哪个对象；
  4. let 把 c 声明到哪里；
  5. this 指向哪个对象。

这些信息就需要执行上下文来给出了，这段代码出现在不同的位置，甚至在每次执行中，会关联到不同的执行上下文，所以，同样的代码会产生不一样的行为。

这里我们先讲var声明与赋值，let，realm三个特性来分析执行上下文中提供的信息。


var

我们来分析一段代码：var b = 1;

通常我们认为它声明了b，并且为它赋值为1，var声明作用域是函数执行的作用域。也就是说，var会穿透for 、if等语句。

在只有var，没有let的旧 JS 时代，诞生了一个技巧，叫做：立即执行的函数表达式（IIFE），通过创建一个函数，并且立即执行，来构造一个新的域，从而控制var的范围。

由于语法规定了function关键字开头是函数声明，所以要想让函数变成函数表达式，我们必须得加点东西，最常见的做法是加括号。

(function(){
  var a;
  //code
}());
(function(){
  var a;
  //code
})();

值得特别注意的是，有时候var的特性会导致声明的变量和被赋值的变量是两个b，JS 中有特例，那就是使用with的时候：

var b;
void function(){
  var env = {b:1};
  b = 2;
  console.log("In function b:", b);
  with(env) {
    var b = 3;
    console.log("In with b:", b);
  }
}();
console.log("Global b:", b);

在这个例子中，我们利用立即执行的函数表达式（IIFE）构造了一个函数的执行环境，并且在里面使用了我们一开头的代码。

可以看到，在Global、function、with三个环境中，b的值都不一样，而在function环境中，并没有出现var b，这说明with内的var b作用到了function这个环境当中。

var b = {} 这样一句对两个域产生了作用，从语言的角度是个非常糟糕的设计，这也是一些人坚定地反对在任何场景下使用with的原因之一。


let

let是 ES6开始引入的新的变量声明模式，比起var的诸多弊病，let做了非常明确的梳理和规定。

为了实现let，JS 在运行时引入了块级作用域。也就是说，在let出现之前，JS 的 if 、for 等语句皆不产生作用域。

简单统计了下，以下语句会产生let使用的作用域：

  1. for；
  2. if；
  3. switch；
  4. try/catch/finally。

Realm

在最新的标准（9.0）中，JS 引入了一个新概念Realm，它的中文意思是“国度”“领域”“范围”。这个英文的用法就有点比喻的意思，几个翻译都不太适合 JS 语境，所以这里就不翻译啦。

我们继续来看这段代码：var b = {}

在 ES2016 之前的版本中，标准中甚少提及{}的原型问题。但在实际的前端开发中，通过iframe等方式创建多window环境并非罕见的操作，所以，这才促成了新概念Realm的引入。

Realm中包含一组完整的内置对象，而且是复制关系。

对不同Realm中的对象操作，会有一些需要格外注意的问题，比如 instanceOf 几乎是失效的。

以下代码展示了在浏览器环境中获取来自两个Realm的对象，它们跟本土的Object做instanceOf时会产生差异：

var iframe = document.createElement('iframe')
document.documentElement.appendChild(iframe)
iframe.src="javascript:var b = {};"
var b1 = iframe.contentWindow.b;
var b2 = {};
console.log(typeof b1, typeof b2); //object object
console.log(b1 instanceof Object, b2 instanceof Object); //false true

可以看到，由于b1、 b2由同样的代码“ {} ”在不同的Realm中执行，所以表现出了不同的行为。


作用域

我们再来说下作用域，简单来说作用域就是一个区域，包含了其中变量，常量，函数等等定义信息和赋值信息，以及这个区域内代码书写的结构信息。作用域可以嵌套。我们通常知道 js 中函数的定义可以产生作用域，下面我们用具体代码来示例下：



全局作用域（global scope）里面定义了两个变量，一个函数。walk 函数生成的作用域里面定义了一个变量，两个函数。innerFunc 和 anotherInnerFunc 这两个函数生成的作用域里面分别定义了一个变量。

在规范中作用域更官方的叫法是词法环境，没错，就是上文提到的词法环境，包含在执行上下文中。

作用域其实由两部分组成：

  1. 记录作用域内变量信息（我们假设变量，常量，函数等统称为变量）和代码结构信息的东西，称之为 Environment Record。
  2. 一个引用 outer，这个引用指向当前作用域的父作用域。拿上面代码为例。innerFunc 的函数作用域有一个引用指向 walk 函数作用域，walk 函数作用域有一个引用指向全局作用域。全局作用域的 outer 为 null。

规范中定义了查找一个变量的过程：先查看当前作用域里面的 Environment Record 是否有此变量的信息，如果找到了，则返回当前作用域内的这个变量。如果没有查找到，则顺着 outer 到父作用域里面的 Environment Record 查找，以此递归。

所以我们通常所说的函数内同名变量遮蔽全局变量就是这么回事。不过如果你在变量查找的时候指定某个作用域中的 Environment Record，那么也是可以的，譬如：window.name 【其实 window 对象就是全局作用域的 Environment Record 对象，但是普通函数作用域的 Environment Record 对象是获取不到的】。


作用域和执行上下文的关系

执行上下文是用于跟踪代码的运行情况，而作用域用于获取变量或者this值。从职责上看，他们几乎是没有啥交集的。那么为啥通常两者会被同时提到呢？因为在一个函数被执行时，创建的执行上下文对象除了保存了些代码执行的信息，还会把当前的作用域保存在执行上下文中。所以它们的关系只是存储关系。

结合作用域和执行上下文，我们再来看下变量查找的过程。其实第一步不是到作用域里面找 Environment Record，而是先从当前的执行上下文中找保存的作用域（对象），然后再是通过作用域链向上查找变量。


结语

在这篇文章中，我们梳理了一些概念：有编程语言的概念闭包，也有各个版本中的 JS 标准中的概念：执行上下文、作用域、this值等等。

之后我们又从代码的角度，分析了一些执行上下文中所需要的信息，并从var、let、对象字面量等语法中，推导出了词法作用域、变量作用域、Realm的设计。

最后，我们对比了执行上下文跟作用域的关系。

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