執行上下文

冰凉小手發表於2024-03-19

原文

概述

JS大致的執行過程是這樣的:JS引擎會先對 JavaScript 程式碼進行解析(詞法分析,語法分析),生成 AST 樹,然後轉換成機器指令,進而在CPU 中進行執行。如下圖所示:image
而在這個過程中,最基礎的,也是最重要的就是理解執行上下文(EC:Execution Context),這都有助於你接下來理解GO,AO,變數提升,作用域(鏈),閉包等,因為這些概念及其關係全部都發生在EC中(當然,無論是GEC還是FEC都存在於ECS中,這個後面會說明)。所以,我們就先從EC講起。講解之前,針對即將遇到的名詞做一個總述,希望大家記住這些,看起來很多,但也只是幾個單詞的排列組合而已。

專有名詞描述

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執行上下文(EC:Execution Context)
什麼是執行上下文呢?按照TC39官方的說法是“An execution context is a specification device that is used to track the runtime evaluation of code by an ECMAScript implementation.” 官方說法不太好理解,大神Tyler用編寫軟體的流程來類比得出EC–Just like functions/modules/packages allow you to manage the complexity of writing code, Execution Contexts allow the JavaScript engine to manage the complexity of interpreting and running your code.可理解為:執行上下文是指JavaScript程式碼被執行時的環境,它包括了當前程式碼中的變數、函式和引數等資訊。
Javascript 一共有三種執行上下文:

全域性執行上下文(GEC)
這是一個預設的或者說基礎的執行上下文,所有不在函式中的程式碼都會在全域性執行上下文中執行。它會做兩件事:建立一個全域性的 window 物件(瀏覽器環境下),並將 this 的值設定為該全域性物件,另外一個程式中只能有一個全域性上下文。
函式執行上下文(FEC)
每次呼叫函式時,都會為該函式建立一個執行上下文,每一個函式都有自己的一個執行上下文,但注意是該執行上下文是在函式被呼叫的時候才會被建立。函式執行上下文會有很多個,每當一個執行上下文被建立的時候,都會按照他們定義的順序去執行相關程式碼(這會在後面會說到)。
Eval 函式執行上下文。
在 eval 函式中執行的程式碼也會有自己的執行上下文,但由於 eval 函式不會被經常用到,這裡就不做討論了。(譯者注:eval 函式容易導致惡意攻擊,並且執行程式碼的速度比相應的替代方法慢,所以不推薦使用)。
全域性執行上下文 GEC:Global Execution Context
當JS引擎執行JS程式碼所建立的第一個EC就稱為GEC,無論是GEC還是FEC,都是在ECS中建立的。GEC的初始化通常由兩部分組成 – 全域性物件和this。this的值取決於JS程式碼的執行環境,如果JS程式碼是執行在瀏覽器中,那麼this就是window,如果執行在node環境中,那麼this就是global object。下面所舉的例子如不做特殊說明,都表明其執行在瀏覽器中
初始化過程:

GEC中的程式碼執行分為兩個階段,建立階段和執行階段。
建立階段:

從上圖可以總結出GEC程式碼的建立階段分為以下四個步驟:

建立一個全域性物件
建立一個this物件
為變數和函式分配記憶體空間
在記憶體中存放函式宣告,為變數宣告指定預設值“undefined”。
接下來看一下執行階段:

兩個階段總結為:在建立階段,建立全域性物件window和this物件,宣告的變數被分配一個預設值undefined,所有函式宣告(getUser)都被放入到記憶體中。然後,一旦我們進入執行階段,也只有進入到執行階段,JavaScript引擎才會開始逐行執行程式碼,並將實際值分配給已經存在於記憶體中的變數。
變數提升
接下來透過一段程式碼來看一下變數提升是什麼意思。

因此,什麼是變數提升呢?在建立階段為變數宣告指定undefined的預設值的過程稱為提升。簡單理解就是:變數提升就是字面意思,變數宣告被提升到了前面。(當然,這個只針對於var定義的變數,因為其沒有自己的作用域)。
針對變數提升需要注意的點是:

函式提升只針對具名函式,而對於賦值的匿名函式(表示式函式),並不會存在函式提升。
【提升優先順序問題】函式提升優先順序高於變數提升,且不會被同名變數宣告覆蓋,但是會被變數賦值後覆蓋。而且存在同名函式與同名變數時,優先執行函式。
看個例子:
console.log(foo); // f foo()
console.log(foo()); // 2
var foo = 1;
function foo(){
console.log(2);
}
console.log(typeof foo) // number
console.log(foo); // 1
foo = 3
console.log(foo()) // Uncaught TypeError:foo is not a function
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函式執行上下文(FEC:Function Execution Context)
讓我們再來看一個例子。

var name = 'Tyler';
var handle = '@tylermcginnis';

function getURL (handle) {
var tempURL = "http://www.baidu.com/";
return tempURL + handle;
}

getURL();
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Tips: 當且僅當函式被呼叫時,FEC才會被建立。
與GEC中的程式碼執行類似,FEC中的程式碼執行也分為兩個階段,建立階段和執行階段。
建立階段:

從上圖可以總結出FEC程式碼的建立階段分為以下四個步驟:

建立一個arguments物件
建立一個this物件(this的指向與呼叫方式有關,不一定是window)
為變數和函式分配記憶體空間
在記憶體中存放函式宣告,為變數宣告指定預設值“undefined”。
執行階段

兩個階段總結為:在建立階段,建立物件arguments和this物件,宣告的變數被分配一個預設值undefined,所有宣告都被放入到記憶體中。然後,一旦我們進入執行階段,也只有進入到執行階段,JavaScript引擎才會開始逐行執行程式碼,並將實際值分配給已經存在於記憶體中的變數。

JS程式碼的執行流程
說到這裡我們已經對GEC和FEC,包括變數提升有了一定的瞭解,但是對於GEC與FEC中的程式碼為什麼會這麼執行,以及GEC與FEC如何呼叫及清除還是會有些困惑。接下來透過一張JS程式碼的執行流程圖來看一下JS程式碼的大致執行過程,再進行接下來的敘述:

執行上下文棧(呼叫棧)(ECS)
透過上圖,我們可以知道,事實上,JS引擎內部有一個ECS(也叫做呼叫棧CS),他是用來執行程式碼的呼叫棧。如前所述,JS引擎執行JS程式碼所建立的第一個EC就稱為GEC,這個GEC會被推入到ECS中。以後,任何一個函式被呼叫時,就會新建立一個FEC,將其推入到ECS中,當函式的建立和執行階段都完成後,FEC就會從ECS中出棧。當GEC中的程式碼也完成這兩個階段後,GEC也會出棧,程式碼執行就結束了。

作用域(鏈)
讓我們再看一個例子。

var name = 'Tyler';
var handle = '@tylermcginnis';

function getURL (handle) {
var tempURL = "http://www.baidu.com/";
// 'http://www.baidu.com/Tylerundefined'
return tempURL + name + handle;
}

getURL();
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上述程式碼有一些重要的細節我們需要關注。

首先,向函式中傳入的任何變數都將作為區域性變數被新增到FEC中。在這個例子中,handle即作為GEC中的變數而存在(因為其是在那裡定義的),又作為getURL的FEC中的變數而存在(因為我們將其作為引數傳入)
其次,在函式內部宣告的變數位於FEC中。因此,當我們建立tempURL時,他就位於getURL的EC中,而不是GEC中。為什麼會這樣呢?這就引出來作用域的概念了。什麼是作用域呢?MDN將作用域定義為:“執行的當前上下文”。JavaScript 中的作用域其實就是變數的可訪問性和可見性。也就是說整個程式中哪些部分可以訪問這個變數,或者說這個變數都在哪些地方可見。
我們知道,在ES6之前,JS只有函式作用域和全域性作用域這兩種。在全域性作用域定義的變數在全域性都有效,而在函式作用域中定義的變數只在函式中起作用,當FEC完成了建立和執行兩個階段,FEC從ECS中出棧,FEC中的變數被清除(在大多數情況下,特殊情況如閉包,接下里會進行講述)。
作用域鏈:將上述程式碼執行後發現結果為‘http://www.baidu.com/Tylerundefined’,這裡有一個疑問就是,函式getURL的EC中沒有定義name,為何結果中name可以被找到。這就涉及到一個概念 – 作用域鏈。那麼什麼是作用域鏈呢?如果變數不存在於本地執行上下文中,JavaScript引擎逐一檢查每個單獨的父級執行上下文的過程稱為作用域鏈。 如果逐級找到GEC中後,還沒有找到這個變數的定義。那麼就會報Reference Error錯誤。
閉包
如前所述,在大多數情況下,當FEC完成了建立和執行兩個階段,FEC從ECS中出棧,FEC中的變數被清除。但是有一種特殊情況,FEC中的變數不會被(完全)清除,就是閉包。那麼,什麼是閉包呢?MDN上將閉包定義為:閉包(closure)是一個函式以及其捆綁的周邊環境狀態(lexical environment,詞法環境)的引用的組合。也就是說,閉包可以讓一個內層函式訪問到外層函式的作用域。可以簡單理解為,JS中的函式,如果其訪問量外層作用域中的變數,那麼它就是一個閉包。 所以,上述例子中的getURL就是一個閉包。再來看一個例子

var count = 0;

function makeAdd(x) {
var z = 3;
return function inner(y) {
return x + y;
};
}

var add5 = makeAdd(5);
count += add5(8);
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在這個示例中,內部函式inner巢狀在makeAdder函式內部,因此inner在makeAddr變數環境上建立了一個閉包。即使在makeAdder Execution Environment從Execution Stack中彈出之後,由於建立了閉包,內部也可以訪問x變數(透過Scope Chain)。

如上圖所示,之所以說存在閉包,FEC中的變數不會被完全清除,這是跟V8引擎的最佳化有關的。對於閉包內引用的變數,V8引擎不會將其清除,而對於沒有引用的變數,則會清除。如上述程式碼中,x會存在於閉包中,而z則會在makeAdder 的EC從ECS中彈出後被清除。

GO, AO, VO, VE
上面敘述了這麼多,那麼GO, AO, VO, VE到底又是啥呢?他們出現在哪個地方呢?下面從 ECMA 新舊版本規範中來談談 。

在早期 ECMA 的版本規範中:每一個執行上下文會被關聯到一個變數物件(Variable Object,簡稱 VO),在原始碼中的變數和函式宣告會被作為屬性新增到 VO 中。對應函式來說,引數也會被新增到 VO 中。

也就是建立的 GO 或者 AO 都會被關聯到變數環境(VO)上,可以透過 VO 查詢到需要的屬性;

規定了 VO 為 Object 型別,通常 GO 和 AO 都是 Object 型別;

在最新 ECMA 的版本規範中:每一個執行上下文會關聯到一個變數環境(Variable Environment,簡稱 VE),在執行程式碼中變數和函式的宣告會作為環境記錄(Environment Record)新增到變數環境中。對於函式來說,引數也會被作為環境記錄新增到變數環境中。
也就是相比於早期的版本規範,對於變數環境,已經去除了 VO 這個概念,提出了一個新的概念 VE;
沒有規定 VE 必須為 Object,不同的 JS 引擎可以使用不同的型別,作為一條環境記錄新增進去即可;
雖然新版本規範將變數環境改成了 VE,但是 JavaScript 的執行過程還是不變的,只是關聯的變數環境不同,將 VE 看成 VO 即可;

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