JavaScript 引擎如何执行 JavaScript 代码

JavaScript 引擎如何执行 JavaScript 代码

JavaScript 代码运行的各个阶段

JavaScript是弱类型语言,在运行时才能确定变量类型

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。

  1. **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。

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  2. **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。

  3. 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。

编译阶段的核心便是执行上下文的创建。

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,对应着代码段,JavaScript的运行环境包括:

JavaScript的运行环境的类型

运行环境就是通常所说的执行上下文

  • 全局环境
  • 函数环境
  • eval

全局环境和函数环境的创建过程如下:

  1. 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。
  2. 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。

创建变量对象

什么是变量对象呢?

每个执行上下文都有相关联的变量对象,这个对象中保存这在这个执行上下文中定义的所有变量和函数.

例如:在浏览器中,在全局环境中的变量对象就是window,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.js中,全局环境下的变量对象就是global

创建变量对象的过程?
全局环境中
  • 普通变量声明:为变量分配内存,并初始化为undefined,该过程只进行定义声明,执行阶段才执行赋值语句.

    var a;
    //a此时为undefined
    

    JavaScript 引擎如何执行 JavaScript 代码_第1张图片

    此时用var关键字声明了a变量,相当于为window变量对象创建了a属性.

  • 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

    function test(val) {
        console.log(val)
    };
    

    JavaScript 引擎如何执行 JavaScript 代码_第2张图片

    此时声明了test函数,相当于为window变量对象创建了test方法.

函数环境中
  • 参数:直接赋值
  • arguments对象:直接赋值
  • 自由变量的取值作用域

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letconst关键字,从而使 JavaScript 也拥有了块级作用域。

JavaScript 是怎么支持块级作用域

作用域一般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,也就是当前执行上下文。

ES5后我们使用词法环境(Lexical Environment)代替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

词法环境分类

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:将各个作用域通过某种方式连接在一起。

词法环境组成

作用域就是词法环境,但可能我们平时更多会说成作用域,它是由两个部分组成的:

  1. 环境记录(Environment Record):记录自身词法环境中的变量对象。
  2. 外部词法环境引用(Outer Lexical Environment):记录外层词法环境的引用。

通过这个外部词法环境的引用,作用域就可以一层一层向外扩展,从而建立一条从内向外的作用域链.

类似于原型链,一层一层向上拓展

变量查询过程

当某一个变量无法在自身的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。

外部词法环境引用如何指向外层

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。

举例

定义一个全局函数foo,并在该函数中定义内部函数bar

在控制台中显示指定JavaScript对象的属性,并通过类似文件树样式的交互列表显示。

function foo() {
    console.dir(bar);
    var a = 1;
    function bar() {
        a = 2;
    }
}
console.dir(foo);
foo();

JavaScript使用的是静态作用域,因此函数的作用域在定义期已经决定了(重要)。在上面的例子中,全局函数foo创建了一个foo[[scope]]属性,包含了全局[[scope]]

JavaScript 引擎如何执行 JavaScript 代码_第3张图片

而当我们执行foo()时,也会分别进入foo函数的定义期和执行期。

foo函数的定义期时,函数bar[[scope]]将会包含全局[[scope]]foo[[scope]]

JavaScript 引擎如何执行 JavaScript 代码_第4张图片

可以看到:

  • foo[[scope]]属性包含了全局[[scope]]
  • bar[[scope]]将会包含全局[[scope]]foo[[scope]]

也就是说,JavaScript 会通过外部词法环境引用来创建变量对象的一个作用域链,从而保证对执行环境有权访问的变量和函数的有序访问。除了创建作用域链之外,在这个过程中还会对创建的变量对象做一些处理。

前面我们说过,编译阶段会进行变量对象(VO)的创建,该过程会进行函数声明和变量声明,这时候变量的值被初始化为 undefined。在代码进入执行阶段之后,JavaScript 会对变量进行赋值,此时变量对象会转为活动对象(Active Object,简称 AO),转换后的活动对象才可被访问,这就是 VO -> AO 的过程。

为了更好地理解这个过程,我们来看个例子,我们在foo函数中定义了变量b、函数c和函数表达式变量d

function foo(a) {
    var b = 2;
    function c() {}
    var d = function() {};
}

foo(1);

在执行foo(1)时,首先进入定义期,此时:

  • 参数变量a的值为1

  • 变量bd初始化为undefined

  • 函数c创建函数并初始化

    AO = {
      arguments: {
        0: 1,
        length: 1
      },
      a: 1,
      b: undefined,
      c: reference to function c(){},
      d: undefined
    }
    

前面我们也有提到,进入执行期之后,会执行赋值语句进行赋值,此时变量bd会被赋值为 2 和函数表达式:

AO = {
   arguments: {
    0: 1,
    length: 1
  },
  a: 1,
  b: 2,
  c: reference to function c(){},
  d: reference to FunctionExpression "d"
}

这就是 VO -> AO 过程。

  • 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,因此 AO 和 VO 的关系可以用以下关系来表达:

AO = VO + function parameters + arguments

现在,我们知道作用域链是在进入代码的执行阶段时,通过外部词法环境引用来创建的。总结如下:

  • 在编译阶段,JavaScript 在创建执行上下文的时候会先创建变量对象(VO);
  • 在执行阶段,变量对象(VO)被激活为活动对象( AO),函数内部的变量对象通过外部词法环境的引用创建作用域链。

虽然 JavaScript 代码的运行过程可以分为语法分析阶段、编译阶段和执行阶段,但由于在 JavaScript 引擎中是通过调用栈的方式来执行 JavaScript 代码的(下一讲会介绍),因此并不存在“整个 JavaScript 运行过程只会在某个阶段中”这一说法,比如上面例子中bar函数的编译阶段,其实是在foo函数的执行阶段中。

一般来说,当函数执行结束之后,执行期上下文将被销毁(作用域链和活动对象均被销毁)。但有时候我们想要保留其中一些变量对象,不想被销毁,此时就会使用到闭包。

我们已经知道,通过作用域链,我们可以在函数内部可以直接读取外部以及全局变量,但外部环境是无法访问内部函数里的变量。比如下面的例子中,foo函数中定义了变量a

function foo() {

  var a = 1;

}

foo();

console.log(a); // undefined

我们在全局环境下无法访问函数foo中的变量a,这是因为全局函数的作用域链里,不含有函数foo内的作用域。

如果我们想要访问内部函数的变量,可以通过函数foo中的函数bar返回变量a,并将函数bar返回,这样我们在全局环境中也可以通过调用函数foo返回的函数bar,来访问变量a

function foo() {

  var a = 1;

  function bar() {

    return a;

  }

  return bar;

}

var b = foo();

console.log(b()); // 1

前面我们说到,当函数执行结束之后,执行期上下文将被销毁,其中包括作用域链和激活对象。那么,在这个例子中,当b()执行时,foo函数上下文包括作用域都已经被销毁了,为什么foo作用域下的a依然可以被访问到呢?

这是因为bar函数引用了foo函数变量对象中的值,此时即使创建bar函数的foo函数执行上下文被销毁了,但它的变量对象依然会保留在 JavaScript 内存中,bar函数依然可以通过bar函数的作用域链找到它,并进行访问。这便是我们常说的闭包,即使创建它的上下文已经销毁,它仍然被保留在内存中。

闭包使得我们可以从外部读取局部变量,在大多数项目中都会被使用到,常见的用途包括:

  • 用于从外部读取其他函数内部变量的函数;
  • 可以使用闭包来模拟私有方法;
  • 让这些变量的值始终保持在内存中。

需要注意的是,我们在使用闭包的时候,需要及时清理不再使用到的变量,否则可能导致内存泄漏问题。

相信大家现在已经掌握了作用域链的建立过程,那么作用域链的用途想必大家也已经了解,比如在函数执行过程中变量的解析:

  • 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。

下面我们继续来看,执行上下文的创建过程中还会做的一件事:确定this的指向。

确定 this 的指向

在 JavaScript 中,this指向执行当前代码对象的所有者,可简单理解为this指向最后调用当前代码的那个对象。相信大家都很熟悉this,因此这里我就进行结论性的简单总结。

根据 JavaScript 中函数的调用方式不同,this的指向分为以下情况。

  • 在全局环境中,this指向全局对象(在浏览器中为window
    • 普通函数
    • 定时器函数
    • 立即执行函数
  • 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
  • 事件绑定方法:指向绑定事件对象
  • 在箭头函数中,this指向它被创建时的环境
  • 使用applycallbind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。

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