01.深入JavaScript运行原理

章鱼妹爱前端
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浏览器的工作原理

大家有没有深入思考过：JavaScript代码，在浏览器中是如何被执行的？

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浏览器的渲染过程

  • 在这个执行过程中，HTML解析的时候遇到了JavaScript标签，应该怎么办呢？

    会停止解析HTML，而去加载和执行JavaScript代码；

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  • 那么，JavaScript代码由谁来执行呢？

    JavaScript引擎

  • 为什么需要JavaScript引擎呢？

    高级的编程语言都是需要转成最终的机器指令来执行的；

    事实上我们编写的JavaScript无论你交给浏览器或者Node执行，最后都是需要被CPU执行的；

    但是CPU只认识自己的指令集，实际上是机器语言，才能被CPU所执行；

    所以我们需要JavaScript引擎帮助我们将JavaScript代码翻译成CPU指令来执行；

V8引擎

  • V8引擎的原理

我们来看一下官方对V8引擎的定义：

  1. V8是用C ++编写的Google开源高性能JavaScript和WebAssembly引擎，它用于Chrome和Node.js等。

  2. 它实现ECMAScript和WebAssembly，并在Windows 7或更高版本，macOS 10.12+和使用x64，IA-32，ARM或MIPS处理器的Linux系统上运行。

  3. V8可以独立运行，也可以嵌入到任何C ++应用程序中

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代码被解析，v8引擎内部会帮助我们创建一个对象(GlobalObject -> go)

  1. 该对象所有的作用域（scope）都可以访问；

  2. 里面会包含Date、Array、String、Number、setTimeout、setInterval等等；

  3. 其中还有一个window属性指向自己；

图片.png 运行代码

js引擎内部有一个执行上下文栈（Execution Context Stack，简称ECS），它是用于执行代码的调用栈

  • V8引擎的架构

  1. V8引擎本身的源码非常复杂，大概有超过100w行C++代码，通过了解它的架构，我们可以知道它是如何对JavaScript执行的：
  2. Parse模块会将JavaScript代码转换成AST（抽象语法树），这是因为解释器并不直接认识JavaScript代码；
    • 如果函数没有被调用，那么是不会被转换成AST的；
    • Parse的V8官方文档：v8.dev/blog/scanne…
  3. Ignition是一个解释器，会将AST转换成ByteCode（字节码）
    • 同时会收集TurboFan优化所需要的信息（比如函数参数的类型信息，有了类型才能进行真实的运算）；
    • 如果函数只调用一次，Ignition会执行解释执行ByteCode；
    • Ignition的V8官方文档：v8.dev/blog/igniti…
  4. TurboFan是一个编译器，可以将字节码编译为CPU可以直接执行的机器码；
    • 如果一个函数被多次调用，那么就会被标记为热点函数，那么就会经过TurboFan转换成优化的机器码，提高代码的执行性能；
    • 但是，机器码实际上也会被还原为ByteCode，这是因为如果后续执行函数的过程中，类型发生了变化（比如sum函数原来执行的是number类型，后来执行变成了string类型），之前优化的机器码并不能正确的处理运算，就会逆向的转换成字节码；
    • TurboFan的V8官方文档：v8.dev/blog/turbof…

  • V8引擎的解析图（官方）

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  • V8执行的细节

    • 那么我们的JavaScript源码是如何被解析（Parse过程）的呢？

    • Blink将源码交给V8引擎，Stream获取到源码并且进行编码转换；

    • Scanner会进行词法分析（lexical analysis），词法分析会将代码转换成tokens；

    • 接下来tokens会被转换成AST树，经过Parser和PreParser：

      • Parser就是直接将tokens转成AST树架构；
      • PreParser称之为预解析，为什么需要预解析呢？
        • 这是因为并不是所有的JavaScript代码，在一开始时就会被执行。那么对所有的JavaScript代码进行解析，必然会影响网页的运行效率；
        • 所以V8引擎就实现了Lazy Parsing（延迟解析）的方案，它的作用是将不必要的函数进行预解析，也就是只解析暂时需要的内容，而对函数的全量解析是在函数被调用时才会进行；
        • 比如我们在一个函数outer内部定义了另外一个函数inner，那么inner函数就会进行预解析；

    • 生成AST树后，会被Ignition转成字节码（bytecode），之后的过程就是代码的执行过程（后续会详细分析）。

JavaScript的执行过程

1. 初始化全局对象

  • js引擎会在执行代码之前，会在堆内存中创建一个全局对象：Global Object（GO）
    • 该对象 所有的作用域（scope）都可以访问；
    • 里面会包含Date、Array、String、Number、setTimeout、setInterval等等；
    • 其中还有一个window属性指向自己；

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2. 执行上下文栈（调用栈）

  • js引擎内部有一个执行上下文栈（Execution Context Stack，简称ECS），它是用于执行代码的调用栈。
  • 那么现在它要执行谁呢？执行的是全局的代码块：
    • 全局的代码块为了执行会构建一个 Global Execution Context（GEC）；
    • GEC会 被放入到ECS中 执行；
  • GEC被放入到ECS中里面包含两部分内容：
    • 第一部分：在代码执行前，在parser转成AST的过程中，会将全局定义的变量、函数等加入到GlobalObject中，但是并不会赋值；
      • 这个过程也称之为变量的作用域提升（hoisting）
    • 第二部分：在代码执行中，对变量赋值，或者执行其他的函数；

3.GEC被放入到ECS中

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4. GEC开始执行代码

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作用域提升

第二行打印num1 会显示undefined

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全局代码执行过程

  • 函数

这里打印name，在foo函数内部找不到name，根据变量的真实查找路径是沿着作用域链来查找的规则，就会在父级作用域里找name，这里foo的父级作用域就是全局，所以打印出来就是why

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  • 函数嵌套

在foo函数中再嵌套一个bar函数，在bar函数中打印这个name会怎么样呢？

  1. 在代码执行前（预编译），在parser转成AST的过程中，会将全局定义的变量、函数等加入到GlobalObject中，但是并不会赋值，bar函数这里保存的是内存地址0xb00,指向它所对应的内存空间
  2. 执行代码的时候，给AD里面的num：undefined等赋值，变成num：123等
  3. 执行第13行代码的时候，这里是调用了bar函数，然后它就会在函数调用栈中创建一个函数执行上下文
  4. 打印name的时候，先在AO里面找是否有name，没有-->去上层作用域找，没有-->沿着作用域链继续往上层找，找到了name = 'why',所以最终打印出来是'why'。

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函数调用函数执行过程

打印结果：Hello Global

执行过程：首先，预编译 {message : undefined, foo:0xa00, bar:0xb00}； 然后执行代码给各项赋值{message :"Hello Global", foo:0xa00, bar:0xb00}；按照顺序，先执行bar(),那么就是先调用了bar() ,然后这里就有个函数执行上下文 ，这里面的VO对象是AO，在这里面var出来的message是储存在AO里面，接下来再调用foo(),又有一个函数执行上下文，这里执行的代码是打印message，那么首先找的是foo()里面有没有message,没找到就沿着作用域链向上查找，找到了父级中有个message，所以打印出来为"Hello Global" 图片.png

变量环境和记录

  • 其实我们上面的讲解都是基于早期ECMA的版本规范：

图片.png

  • 在最新的ECMA的版本规范中，对于一些词汇进行了修改：

图片.png

  • 通过上面的变化我们可以知道，在最新的ECMA标准中，我们前面的变量对象VO已经有另外一个称呼了变量环境VE。

作用域提升面试题

第一题

    var n = 100;
    function foo(){
      n = 200
    }
    foo()
    console.log(n)

输出结果：200

分析： 首先预编译->{n：undefined，foo：0xa00},然后编译时对n赋值，调用foo(),这里foo函数被调用就创建了一个函数执行上下文，这里执行代码n=200，然后n在foo函数对象里面找不到，就会到上层去找，找到父级里面的n，并赋值为200，所以就相当于修改了go里面的值，所以最后打印的时候，n为200。

图片.png 注意：这里要区分一下，如果是这种情况，输出的n就是100

var n = 100;
function foo(){
    var n = 200
}
foo()
console.log(n)

第二题

function foo(){
    console.log(n)
    var n= 200
    console.log(n)
}
var n = 100
foo()

输出结果：undefined； 200

分析：

图片.png 第三题

        var n = 100
        function foo1(){
            console.log(n)           //2、100
        }
        function foo2(){
            var n =200
            console.log(n)           //1、200
            foo1()
        }
        foo2()
        console.log(n)           //3、100

输出结果：见注释

第四题

        var a= 100
        function foo(){
            console.log(a)
            return
            var a=100
        }
        foo()

输出结果：undefined

分析：

图片.png

第五题

function foo(){
    var a = b = 100
    //这里相对于var a = 10
    //         b = 10 
    //b这里没有定义，js会默认把他放在全局
 }
foo()
console.log(a)
console.log(b)

输出结果：undefined ; 10

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