深入理解 JavaScript 執行上下文和執行棧

Fundebug發表於2019-03-20
JavaScript

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前言

如果你是一名 JavaScript 開發者，或者想要成為一名 JavaScript 開發者，那麼你必須知道 JavaScript 程式內部的執行機制。執行上下文和執行棧是 JavaScript 中關鍵概念之一，是 JavaScript 難點之一。 理解執行上下文和執行棧同樣有助於理解其他的 JavaScript 概念如提升機制、作用域和閉包等。本文儘可能用通俗易懂的方式來介紹這些概念。

一、執行上下文（Execution Context）

1. 什麼是執行上下文

簡而言之，執行上下文就是當前 JavaScript 程式碼被解析和執行時所在環境的抽象概念， JavaScript 中執行任何的程式碼都是在執行上下文中執行

2. 執行上下文的型別

執行上下文總共有三種型別：

  • 全域性執行上下文： 這是預設的、最基礎的執行上下文。不在任何函式中的程式碼都位於全域性執行上下文中。它做了兩件事：1. 建立一個全域性物件，在瀏覽器中這個全域性物件就是 window 物件。2. 將 this 指標指向這個全域性物件。一個程式中只能存在一個全域性執行上下文。
  • 函式執行上下文： 每次呼叫函式時，都會為該函式建立一個新的執行上下文。每個函式都擁有自己的執行上下文，但是隻有在函式被呼叫的時候才會被建立。一個程式中可以存在任意數量的函式執行上下文。每當一個新的執行上下文被建立，它都會按照特定的順序執行一系列步驟，具體過程將在本文後面討論。
  • Eval 函式執行上下文： 執行在 eval 函式中的程式碼也獲得了自己的執行上下文，但由於 Javascript 開發人員不常用 eval 函式，所以在這裡不再討論。

二、執行上下文的生命週期

執行上下文的生命週期包括三個階段：建立階段 → 執行階段 → 回收階段，本文重點介紹建立階段。

1. 建立階段

當函式被呼叫，但未執行任何其內部程式碼之前，會做以下三件事：

  • 建立變數物件：首先初始化函式的引數 arguments，提升函式宣告和變數宣告。下文會詳細說明。
  • 建立作用域鏈（Scope Chain）：在執行期上下文的建立階段，作用域鏈是在變數物件之後建立的。作用域鏈本身包含變數物件。作用域鏈用於解析變數。當被要求解析變數時，JavaScript 始終從程式碼巢狀的最內層開始，如果最內層沒有找到變數，就會跳轉到上一層父作用域中查詢，直到找到該變數。
  • 確定 this 指向：包括多種情況，下文會詳細說明

在一段 JS 指令碼執行之前，要先解析程式碼（所以說 JS 是解釋執行的指令碼語言），解析的時候會先建立一個全域性執行上下文環境，先把程式碼中即將執行的變數、函式宣告都拿出來。變數先暫時賦值為 undefined，函式則先宣告好可使用。這一步做完了，然後再開始正式執行程式。

另外，一個函式在執行之前，也會建立一個函式執行上下文環境，跟全域性上下文差不多，不過 函式執行上下文中會多出 this arguments 和函式的引數。

2. 執行階段

執行變數賦值、程式碼執行

3. 回收階段

執行上下文出棧等待虛擬機器回收執行上下文

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三、變數提升和 this 指向的細節

1. 變數宣告提升

大部分程式語言都是先宣告變數再使用，但在 JS 中，事情有些不一樣：

console.log(a); // undefined
var a = 10;
複製程式碼

上述程式碼正常輸出undefined而不是報錯Uncaught ReferenceError: a is not defined,這是因為宣告提升（hoisting），相當於如下程式碼：

var a; //宣告 預設值是undefined “準備工作”
console.log(a);
a = 10; //賦值
複製程式碼

2. 函式宣告提升

我們都知道，建立一個函式的方法有兩種，一種是通過函式宣告function foo(){} 另一種是通過函式表示式var foo = function(){} ,那這兩種在函式提升有什麼區別呢？

console.log(f1); // function f1(){}
function f1() {} // 函式宣告
console.log(f2); // undefined
var f2 = function() {}; // 函式表示式
複製程式碼

接下來我們通過一個例子來說明這個問題：

function test() {
    foo(); // Uncaught TypeError "foo is not a function"
    bar(); // "this will run!"
    var foo = function() {
        // function expression assigned to local variable 'foo'
        alert("this won't run!");
    };
    function bar() {
        // function declaration, given the name 'bar'
        alert("this will run!");
    }
}
test();
複製程式碼

在上面的例子中，foo()呼叫的時候報錯了，而 bar 能夠正常呼叫。

我們前面說過變數和函式都會上升，遇到函式表示式 var foo = function(){}時，首先會將var foo上升到函式體頂部，然而此時的 foo 的值為 undefined,所以執行foo()報錯。

而對於函式bar(), 則是提升了整個函式，所以bar()才能夠順利執行。

有個細節必須注意：當遇到函式和變數同名且都會被提升的情況，函式宣告優先順序比較高，因此變數宣告會被函式宣告所覆蓋，但是可以重新賦值。

alert(a); //輸出：function a(){ alert('我是函式') }
function a() {
    alert("我是函式");
} //
var a = "我是變數";
alert(a); //輸出：'我是變數'
複製程式碼

function 宣告的優先順序比 var 宣告高，也就意味著當兩個同名變數同時被 function 和 var 宣告時，function 宣告會覆蓋 var 宣告

這程式碼等效於：

function a() {
    alert("我是函式");
}
var a; //hoisting
alert(a); //輸出：function a(){ alert('我是函式') }
a = "我是變數"; //賦值
alert(a); //輸出：'我是變數'
複製程式碼

最後我們看個複雜點的例子：

function test(arg) {
    // 1. 形參 arg 是 "hi"
    // 2. 因為函式宣告比變數宣告優先順序高，所以此時 arg 是 function
    console.log(arg);
    var arg = "hello"; // 3.var arg 變數宣告被忽略， arg = 'hello'被執行
    function arg() {
        console.log("hello world");
    }
    console.log(arg);
}
test("hi");
/* 輸出：
function arg(){
    console.log('hello world') 
    }
hello 
*/
複製程式碼

這是因為當函式執行的時候,首先會形成一個新的私有的作用域，然後依次按照如下的步驟執行：

  • 如果有形參，先給形參賦值
  • 進行私有作用域中的預解釋，函式宣告優先順序比變數宣告高，最後後者會被前者所覆蓋，但是可以重新賦值
  • 私有作用域中的程式碼從上到下執行

3. 確定 this 的指向

先搞明白一個很重要的概念 —— this 的值是在執行的時候才能確認，定義的時候不能確認！ 為什麼呢 —— 因為 this 是執行上下文環境的一部分，而執行上下文需要在程式碼執行之前確定，而不是定義的時候。看如下例子：

// 情況1
function foo() {
  console.log(this.a) //1
}
var a = 1
foo()

// 情況2
function fn(){
  console.log(this);
}
var obj={fn:fn};
obj.fn(); //this->obj

// 情況3
function CreateJsPerson(name,age){
//this是當前類的一個例項p1
this.name=name; //=>p1.name=name
this.age=age; //=>p1.age=age
}
var p1=new CreateJsPerson("尹華芝",48);

// 情況4
function add(c, d){
  return this.a + this.b + c + d;
}
var o = {a:1, b:3};
add.call(o, 5, 7); // 1 + 3 + 5 + 7 = 16
add.apply(o, [10, 20]); // 1 + 3 + 10 + 20 = 34

// 情況5
<button id="btn1">箭頭函式this</button>
<script type="text/javascript">
    let btn1 = document.getElementById('btn1');
    let obj = {
        name: 'kobe',
        age: 39,
        getName: function () {
            btn1.onclick = () => {
                console.log(this);//obj
            };
        }
    };
    obj.getName();
</script>
複製程式碼

接下來我們逐一解釋上面幾種情況

  • 對於直接呼叫 foo 來說，不管 foo 函式被放在了什麼地方，this 一定是 window
  • 對於 obj.foo() 來說，我們只需要記住，誰呼叫了函式，誰就是 this，所以在這個場景下 foo 函式中的 this 就是 obj 物件
  • 在建構函式模式中，類中(函式體中)出現的 this.xxx=xxx 中的 this 是當前類的一個例項
  • call、apply 和 bind：this 是第一個引數
  • 箭頭函式 this 指向:箭頭函式沒有自己的 this，看其外層的是否有函式，如果有，外層函式的 this 就是內部箭頭函式的 this，如果沒有，則 this 是 window。

深入理解 JavaScript 執行上下文和執行棧

四、執行上下文棧（Execution Context Stack）

函式多了，就有多個函式執行上下文，每次呼叫函式建立一個新的執行上下文，那如何管理建立的那麼多執行上下文呢？

JavaScript 引擎建立了執行上下文棧來管理執行上下文。可以把執行上下文棧認為是一個儲存函式呼叫的棧結構，遵循先進後出的原則。

深入理解 JavaScript 執行上下文和執行棧

從上面的流程圖，我們需要記住幾個關鍵點：

  • JavaScript 執行在單執行緒上，所有的程式碼都是排隊執行。
  • 一開始瀏覽器執行全域性的程式碼時，首先建立全域性的執行上下文，壓入執行棧的頂部。
  • 每當進入一個函式的執行就會建立函式的執行上下文，並且把它壓入執行棧的頂部。當前函式執行完成後，當前函式的執行上下文出棧，並等待垃圾回收。
  • 瀏覽器的 JS 執行引擎總是訪問棧頂的執行上下文。
  • 全域性上下文只有唯一的一個，它在瀏覽器關閉時出棧。

我們再來看個例子：

var color = "blue";
function changeColor() {
    var anotherColor = "red";
    function swapColors() {
        var tempColor = anotherColor;
        anotherColor = color;
        color = tempColor;
    }
    swapColors();
}
changeColor();

複製程式碼

上述程式碼執行按照如下步驟：

  • 當上述程式碼在瀏覽器中載入時，JavaScript 引擎會建立一個全域性執行上下文並且將它推入當前的執行棧
  • 呼叫 changeColor 函式時，此時 changeColor 函式內部程式碼還未執行，js 執行引擎立即建立一個 changeColor 的執行上下文（簡稱 EC），然後把這執行上下文壓入到執行棧（簡稱 ECStack）中。
  • 執行 changeColor 函式過程中，呼叫 swapColors 函式，同樣地，swapColors 函式執行之前也建立了一個 swapColors 的執行上下文，並壓入到執行棧中。
  • swapColors 函式執行完成，swapColors 函式的執行上下文出棧，並且被銷燬。
  • changeColor 函式執行完成，changeColor 函式的執行上下文出棧，並且被銷燬。

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參考文章

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