写在前面
JavaScript 是弱类型语言,在运行时才能确定变量类型。即使是如今流行的 TypeScript,也只是增加了编译时(编译成 JavaScript)的类型检测(对于编译器相信大家都有所了解,代码编译过程中编译器会进行词法分析、语法分析、语义分析、生成 AST 等处理)。
同样,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,我们后面统一描述为语法分析阶段。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。
- 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。 - 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。 - 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。
JavaScript 在运行过程中会产生一个调用栈,调用栈遵循 LIFO(先进后出,后进先出)原则即可。
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:
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。
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。
在全局环境中,this指向全局对象(在浏览器中为window)。
在函数内部,this的值取决于函数被调用的方式,函数作为对象的方法被调用,this指向调用这个方法的对象,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,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。
在箭头函数中,this指向它被创建时的环境。
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var that = this;、var self = this;这样的代码将变量分配给this,便于使用。这种方式降低了代码可读性,因此如今这种做法不再被提倡,通过正确使用箭头函数,我们可以更好地管理作用域。
创建变量对象
什么是变量对象呢?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。
而在浏览器中,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。
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。
上述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。
或许你会感到疑惑,JavaScript 是怎么支持块级作用域的呢?这就涉及作用域的概念。
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。
到这里,或许你对会词法作用域、作用域、执行上下文、词法环境之间的关系依然感到混乱,没关系,一起梳理梳理下。
上述提到,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,那词法环境是由什么组成的呢?下面我结合作用域链的建立过程一起来进行分析。
建立作用域链
作用域链,顾名思义,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。
环境记录(Environment Record):用于记录自身词法环境中的变量对象。
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。
那么,这个外部词法环境引用又是怎样指向外层呢?我们来看看 JavaScript 中是如何通过外部词法环境引用来创建作用域的。
为了方便描述,我们将 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。
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
从当前词法环境开始,沿着作用域链逐级向外层寻找环境记录,直到找到同名变量为止;
找到后不再继续遍历,找不到就报错。