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深入理解JavaScript执行上下文和执行栈

前言

如果你是一名 JavaScript 开发者,或者想要成为一名 JavaScript 开发者,那么你必须知道 JavaScript 程序内部的执行机制。执行上下文和执行栈是JavaScript中关键概念之一,是JavaScript难点之一。 理解执行上下文和执行栈同样有助于理解其他的 JavaScript 概念如提升机制、作用域和闭包等。本文尽可能用通俗易懂的方式来介绍这些概念。

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一、执行上下文(Execution Context)

1.什么是执行上下文

简而言之,执行上下文就是当前 JavaScript 代码被解析和执行时所在环境的抽象概念, JavaScript 中运行任何的代码都是在执行上下文中运行

2.执行上下文的类型

执行上下文总共有三种类型:

  • 全局执行上下文: 这是默认的、最基础的执行上下文。不在任何函数中的代码都位于全局执行上下文中。它做了两件事:1. 创建一个全局对象,在浏览器中这个全局对象就是 window 对象。2. 将 this 指针指向这个全局对象。一个程序中只能存在一个全局执行上下文。
  • 函数执行上下文: 每次调用函数时,都会为该函数创建一个新的执行上下文。每个函数都拥有自己的执行上下文,但是只有在函数被调用的时候才会被创建。一个程序中可以存在任意数量的函数执行上下文。每当一个新的执行上下文被创建,它都会按照特定的顺序执行一系列步骤,具体过程将在本文后面讨论。
  • Eval 函数执行上下文: 运行在 eval 函数中的代码也获得了自己的执行上下文,但由于 Javascript 开发人员不常用 eval 函数,所以在这里不再讨论。

二、执行上下文的生命周期

执行上下文的生命周期包括三个阶段:创建阶段→执行阶段→回收阶段,本文重点介绍创建阶段。

1.创建阶段

当函数被调用,但未执行任何其内部代码之前,会做以下三件事:

  • 创建变量对象:首先初始化函数的参数arguments,提升函数声明和变量声明。下文会详细说明。
  • 创建作用域链(Scope Chain):在执行期上下文的创建阶段,作用域链是在变量对象之后创建的。作用域链本身包含变量对象。作用域链用于解析变量。当被要求解析变量时,JavaScript 始终从代码嵌套的最内层开始,如果最内层没有找到变量,就会跳转到上一层父作用域中查找,直到找到该变量。
  • 确定this指向:包括多种情况,下文会详细说明

在一段 JS 脚本执行之前,要先解析代码(所以说 JS 是解释执行的脚本语言),解析的时候会先创建一个全局执行上下文环境,先把代码中即将执行的变量、函数声明都拿出来。变量先暂时赋值为undefined,函数则先声明好可使用。这一步做完了,然后再开始正式执行程序。

另外,一个函数在执行之前,也会创建一个函数执行上下文环境,跟全局上下文差不多,不过 函数执行上下文中会多出this arguments和函数的参数。

2.执行阶段

执行变量赋值、代码执行

3.回收阶段

执行上下文出栈等待虚拟机回收执行上下文

三、变量提升和this指向的细节

1.变量声明提升

大部分编程语言都是先声明变量再使用,但在JS中,事情有些不一样:

console.log(a)// undefined
var a = 10
复制代码

上述代码正常输出undefined而不是报错Uncaught ReferenceError: a is not defined,这是因为声明提升(hoisting),相当于如下代码:

var a; //声明 默认值是undefined “准备工作”
console.log(a);
a=10; //赋值
复制代码

2.函数声明提升

我们都知道,创建一个函数的方法有两种,一种是通过函数声明function foo(){} 另一种是通过函数表达式var foo = function(){} ,那这两种在函数提升有什么区别呢?

console.log(f1) // function f1(){}
function f1() {} // 函数声明
console.log(f2) // undefined
var f2 = function() {} // 函数表达式
复制代码

接下来我们通过一个例子来说明这个问题:

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();
复制代码

在上面的例子中,foo()调用的时候报错了,而bar能够正常调用。

我们前面说过变量和函数都会上升,遇到函数表达式 var foo = function(){}时,首先会将var foo上升到函数体顶部,然而此时的foo的值为undefined,所以执行foo()报错。

而对于函数bar(), 则是提升了整个函数,所以bar()才能够顺利执行。

有个细节必须注意:当遇到函数和变量同名且都会被提升的情况,函数声明优先级比较高,因此变量声明会被函数声明所覆盖,但是可以重新赋值。

alert(a);//输出:function a(){ alert('我是函数') }
function a(){ alert('我是函数') }//
var a = '我是变量';
alert(a);   //输出:'我是变量'
复制代码

function声明的优先级比var声明高,也就意味着当两个同名变量同时被function和var声明时,function声明会覆盖var声明

这代码等效于:

function a(){alert('我是函数')} 
var a;    //hoisting
alert(a);    //输出:function a(){ alert('我是函数') }
a = '我是变量';//赋值
alert(a);   //输出:'我是变量'
复制代码

最后我们看个复杂点的例子:

function test(arg){
    // 1. 形参 arg 是 "hi"
    // 2. 因为函数声明比变量声明优先级高,所以此时 arg 是 function
    console.log(arg);  
    var arg = 'hello'; // 3.var arg 变量声明被忽略, arg = 'hello'被执行
    function arg(){
	console.log('hello world') 
    }
    console.log(arg);  
}
test('hi');
/* 输出:
function arg(){
    console.log('hello world') 
    }
hello 
*/
复制代码

这是因为当函数执行的时候,首先会形成一个新的私有的作用域,然后依次按照如下的步骤执行:

  • 如果有形参,先给形参赋值
  • 进行私有作用域中的预解释,函数声明优先级比变量声明高,最后后者会被前者所覆盖,但是可以重新赋值
  • 私有作用域中的代码从上到下执行

3.确定this的指向

先搞明白一个很重要的概念 —— this的值是在执行的时候才能确认,定义的时候不能确认! 为什么呢 —— 因为this是执行上下文环境的一部分,而执行上下文需要在代码执行之前确定,而不是定义的时候。看如下例子:

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

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

// 情况3
function CreateJsPerson(name,age){
//this是当前类的一个实例p1
this.name=name; //=>p1.name=name
this.age=age; //=>p1.age=age
}
var p1=new CreateJsPerson("尹华芝",48);

// 情况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

// 情况5
<button id="btn1">箭头函数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>
复制代码

接下来我们逐一解释上面几种情况

  • 对于直接调用 foo 来说,不管 foo 函数被放在了什么地方,this 一定是 window
  • 对于 obj.foo() 来说,我们只需要记住,谁调用了函数,谁就是 this,所以在这个场景下 foo 函数中的 this 就是 obj 对象
  • 在构造函数模式中,类中(函数体中)出现的this.xxx=xxx中的this是当前类的一个实例
  • call、apply和bind:this 是第一个参数
  • 箭头函数this指向:箭头函数没有自己的this,看其外层的是否有函数,如果有,外层函数的this就是内部箭头函数的this,如果没有,则this是window。

四、执行上下文栈(Execution Context Stack)

函数多了,就有多个函数执行上下文,每次调用函数创建一个新的执行上下文,那如何管理创建的那么多执行上下文呢?

JavaScript 引擎创建了执行上下文栈来管理执行上下文。可以把执行上下文栈认为是一个存储函数调用的栈结构,遵循先进后出的原则

从上面的流程图,我们需要记住几个关键点:

  • JavaScript执行在单线程上,所有的代码都是排队执行。
  • 一开始浏览器执行全局的代码时,首先创建全局的执行上下文,压入执行栈的顶部。
  • 每当进入一个函数的执行就会创建函数的执行上下文,并且把它压入执行栈的顶部。当前函数执行完成后,当前函数的执行上下文出栈,并等待垃圾回收。
  • 浏览器的JS执行引擎总是访问栈顶的执行上下文。
  • 全局上下文只有唯一的一个,它在浏览器关闭时出栈。

我们再来看个例子:

var color = 'blue';
function changeColor() {
    var anotherColor = 'red';
    function swapColors() {
        var tempColor = anotherColor;
        anotherColor = color;
        color = tempColor;
    }
    swapColors();
}
changeColor();
复制代码

上述代码运行按照如下步骤:

  • 当上述代码在浏览器中加载时,JavaScript 引擎会创建一个全局执行上下文并且将它推入当前的执行栈
  • 调用 changeColor函数时,此时changeColor函数内部代码还未执行,js执行引擎立即创建一个changeColor的执行上下文(简称EC),然后把这执行上下文压入到执行栈(简称ECStack)中。
  • 执行changeColor函数过程中,调用swapColors函数,同样地,swapColors函数执行之前也创建了一个swapColors的执行上下文,并压入到执行栈中。
  • swapColors函数执行完成,swapColors函数的执行上下文出栈,并且被销毁。
  • changeColor函数执行完成,changeColor函数的执行上下文出栈,并且被销毁。

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