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JavaScript 运行原理解析

说到JavaScript的运行原理,自然绕不开JS引擎,运行上下文,单线程,事件循环,事件驱动,回调函数等概念。本文主要参考文章[1,2]。

为了更好的理解JavaScript如何工作的,首先要理解以下几个概念。

  • JS Engine(JS引擎)
  • Runtime(运行上下文)
  • Call Stack (调用栈)
  • Event Loop(事件循环)
  • Callback (回调)

1.JS Engine

简单来说,JS引擎主要是对JS代码进行词法、语法等分析,通过编译器将代码编译成可执行的机器码让计算机去执行。

目前最流行的JS引擎非V8莫属了,Chrome浏览器和Node.js采用的引擎就是V8引擎。引擎的结构可以简单由下图表示:

JS Engine 结构

就如JVM虚拟机一样,JS引擎中也有堆(Memory Heap)和栈(Call Stack)的概念。

  • 栈。用来存储方法调用的地方,以及基础数据类型(如var a = 1)也是存储在栈里面的,会随着方法调用结束而自动销毁掉(入栈-->方法调用后-->出栈)。

  • 堆。JS引擎中给对象分配的内存空间是放在堆中的。如var foo = {name: 'foo'} 那么这个foo所指向的对象是存储在堆中的。

此外,JS中存在闭包的概念,对于基本类型变量如果存在与闭包当中,那么也将存储在堆中。详细可见此处1,3

关于闭包的情况,就涉及到Captured Variables。我们知道Local Variables是最简单的情形,是直接存储在栈中的。而Captured Variables是对于存在闭包情况和with,try catch情况的变量。

function foo () {
  var x; // local variables
  var y; // captured variable, bar中引用了y

  function bar () {
  // bar 中的context会capture变量y
    use(y);
  }

  return bar;
}
复制代码

如上述情况,变量y存在与bar()的闭包中,因此y是captured variable,是存储在堆中的。

2.RunTime

JS在浏览器中可以调用浏览器提供的API,如window对象,DOM相关API等。这些接口并不是由V8引擎提供的,是存在与浏览器当中的。因此简单来说,对于这些相关的外部接口,可以在运行时供JS调用,以及JS的事件循环(Event Loop)和事件队列(Callback Queue),把这些称为RunTime。有些地方也把JS所用到的core lib核心库也看作RunTime的一部分。

The RunTime

同样,在Node.js中,可以把Node的各种库提供的API称为RunTime。所以可以这么理解,Chrome和Node.js都采用相同的V8引擎,但拥有不同的运行环境(RunTime Environments)[4]。

3.Call Stack

JS被设计为单线程运行的,这是因为JS主要用来实现很多交互相关的操作,如DOM相关操作,如果是多线程会造成复杂的同步问题。因此JS自诞生以来就是单线程的,而且主线程都是用来进行界面相关的渲染操作 (为什么说是主线程,因为HTML5 提供了Web Worker,独立的一个后台JS,用来处理一些耗时数据操作。因为不会修改相关DOM及页面元素,因此不影响页面性能),如果有阻塞产生会导致浏览器卡死。

如果一个递归调用没有终止条件,是一个死循环的话,会导致调用栈内存不够而溢出,如:

function foo() {
    foo();
}
foo();
复制代码

例子中foo函数循环调用其本身,且没有终止条件,浏览器控制台输出调用栈达到最大调用次数。

call_stack_overflow

JS线程如果遇到比较耗时操作,如读取文件,AJAX请求操作怎么办?这里JS用到了Callback回调函数来处理。

对于Call Stack中的每个方法调用,都会形成它自己的一个执行上下文Execution Context,关于执行上下文的详细阐述请看这篇文章

4.Event Loop & Callback

JS通过回调的方式,异步处理耗时的任务。一个简单的例子:

var result = ajax('...');
console.log(result);
复制代码

此时并不会得到result的值,result是undefined。这是因为ajax的调用是异步的,当前线程并不会等到ajax请求到结果后才执行console.log语句。而是调用ajax后请求的操作交给回调函数,自己是立刻返回。正确的写法应该是:

ajax('...', function(result) {
    console.log(result);
})
复制代码

此时才能正确输出请求返回的结果。

JS引擎其实并不提供异步的支持,异步支持主要依赖于运行环境(浏览器或Node.js)。

So, for example, when your JavaScript program makes an Ajax request to fetch some data from the server, you set up the “response” code in a function (the “callback”), and the JS Engine tells the hosting environment: “Hey, I’m going to suspend execution for now, but whenever you finish with that network request, and you have some data, please call this function back.”

The browser is then set up to listen for the response from the network, and when it has something to return to you, it will schedule the callback function to be executed by inserting it into the event loop.

上面这两段话摘自于How JavaScript works,以通俗的方式解释了JS如何调用回调函数实现异步处理。

所以什么是Event Loop?

Event Loop只做一件事情,负责监听Call Stack和Callback Queue。当Call Stack里面的调用栈运行完变成空了,Event Loop就把Callback Queue里面的第一条事件(其实就是回调函数)放到调用栈中并执行它,后续不断循环执行这个操作。

一个setTimeout的例子以及对应的Event Loop动态图

console.log('Hi');
setTimeout(function cb1() { 
    console.log('cb1');
}, 5000);
console.log('Bye');
复制代码

event_loop动态图

setTimeout有个要注意的地方,如上述例子延迟5s执行,不是严格意义上的5s,正确来说是至少5s以后会执行。因为Web API会设定一个5s的定时器,时间到期后将回调函数加到队列中,此时该回调函数还不一定会马上运行,因为队列中可能还有之前加入的其他回调函数,而且还必须等到Call Stack空了之后才会从队列中取一个回调执行。

所以常见的setTimeout(callback, 0) 的做法就是为了在常规的调用介绍后马上运行回调函数。

console.log('Hi');
setTimeout(function() {
    console.log('callback');
}, 0);
console.log('Bye');
// 输出
// Hi
// Bye
// callback
复制代码

在说一个容易犯错的栗子:

for (var i = 0; i < 5; i++) {
    setTimeout(function() {
        console.log(i);
    }, 1000 * i);
}
	
// 输出:5 5 5 5 5
复制代码

上面这个栗子并不是输出0,1,2,3,4,第一反应觉得应该是这样。但梳理了JS的时间循环后,应该很容易明白。

调用栈先执行 for(var i = 0; i < 5; i++) {...}方法,里面的定时器会到时间后会直接把回调函数放到事件队列中,等for循环执行完在依次取出放进调用栈。当for循环执行完时,i的值已经变成5,所以最后输出全都是5。

关于定时器又可以看看这篇有意思的文章

最后关于Event Loop,可以参考下这个视频。到目前为止说的event loop是前端浏览器中的event loop,关于Nodejs的Event Loop的细节阐述,请看我的另一篇文章Node.js design pattern : Reactor (Event Loop)。两者的区别对比可查看这篇文章你不知道的Event Loop,对两种event loop做了相关总结和比较。

总结

最后总结一下,JS的运行原理主要有以下几个方面:

  • JS引擎主要负责把JS代码转为机器能执行的机器码,而JS代码中调用的一些WEB API则由其运行环境提供,这里指的是浏览器。

  • JS是单线程运行,每次都从调用栈出取出代码进行调用。如果当前代码非常耗时,则会阻塞当前线程导致浏览器卡顿。

  • 回调函数是通过加入到事件队列中,等待Event Loop拿出并放到调用栈中进行调用。只有Event Loop监听到调用栈为空时,才会从事件队列中从队头拿出回调函数放进调用栈里。

主要参考

1.How JavaScript works: an overview of the engine, the runtime, and the call stack

2.How JavaScript works: Event loop and the rise of Async programming + 5 ways to better coding with async/await

3.Philip Roberts: What the heck is the event loop anyway?

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