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搞懂JavaScript引擎运行原理

译者:前端小智

原文:codeburst.io/js-essentia…

为了保证可读性,本文采用意译而非直译。

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一些名词

JS引擎 — 一个读取代码并运行的引擎,没有单一的“JS引擎”;,每个浏览器都有自己的引擎,如谷歌有V。

作用域 — 可以从中访问变量的“区域”。

词法作用域— 在词法阶段的作用域,换句话说,词法作用域是由你在写代码时将变量和块作用域写在哪里来决定的,因此当词法分析器处理代码时会保持作用域不变。

块作用域 — 由花括号{}创建的范围

作用域链 — 函数可以上升到它的外部环境(词法上)来搜索一个变量,它可以一直向上查找,直到它到达全局作用域。

同步 — 一次执行一件事, “同步”引擎一次只执行一行,JavaScript是同步的。

异步 — 同时做多个事,JS通过浏览器API模拟异步行为

事件循环(Event Loop) - 浏览器API完成函数调用的过程,将回调函数推送到回调队列(callback queue),然后当堆栈为空时,它将回调函数推送到调用堆栈。

堆栈 —一种数据结构,只能将元素推入并弹出顶部元素。 想想堆叠一个字形的塔楼; 你不能删除中间块,后进先出。

— 变量存储在内存中。

调用堆栈 — 函数调用的队列,它实现了堆栈数据类型,这意味着一次可以运行一个函数。 调用函数将其推入堆栈并从函数返回将其弹出堆栈。

执行上下文 — 当函数放入到调用堆栈时由JS创建的环境。

闭包 — 当在另一个函数内创建一个函数时,它“记住”它在以后调用时创建的环境。

垃圾收集 — 当内存中的变量被自动删除时,因为它不再使用,引擎要处理掉它。

变量的提升— 当变量内存没有赋值时会被提升到全局的顶部并设置为undefined

this —由JavaScript为每个新的执行上下文自动创建的变量/关键字。

调用堆栈(Call Stack)

看看下面的代码:

var myOtherVar = 10

function a() {
  console.log('myVar', myVar)
  b()
}

function b() {
  console.log('myOtherVar', myOtherVar)
  c()
}

function c() {
  console.log('Hello world!')
}

a()

var myVar = 5
复制代码

有几个点需要注意:

  • 变量声明的位置(一个在上,一个在下)

  • 函数a调用下面定义的函数b, 函数b调用函数c

当它被执行时你期望发生什么? 是否发生错误,因为ba之后声明或者一切正常? console.log 打印的变量又是怎么样?

以下是打印结果:

"myVar" undefined
"myOtherVar" 10
"Hello world!"
复制代码

来分解一下上述的执行步骤。

1. 变量和函数声明(创建阶段)

第一步是在内存中为所有变量和函数分配空间。 但请注意,除了undefined之外,尚未为变量分配值。 因此,myVar在被打印时的值是undefined,因为JS引擎从顶部开始逐行执行代码。

函数与变量不一样,函数可以一次声明和初始化,这意味着它们可以在任何地方被调用。

所以以上代码看起来像这样子:

var myOtherVar = undefined
var myVar = undefined

function a() {...}
function b() {...}
function c() {...}
复制代码

这些都存在于JS创建的全局上下文中,因为它位于全局空间中。

在全局上下文中,JS还添加了:

  1. 全局对象(浏览器中是 window 对象,NodeJs 中是 global 对象)

  2. this 指向全局对象

2. 执行

接下来,JS 引擎会逐行执行代码。

myOtherVar = 10在全局上下文中,myOtherVar被赋值为10

已经创建了所有函数,下一步是执行函数 a()

每次调用函数时,都会为该函数创建一个新的上下文(重复步骤1),并将其放入调用堆栈。

function a() {
  console.log('myVar', myVar)
  b()
}
复制代码

如下步骤:

  1. 创建新的函数上下文

  2. a 函数里面没有声明变量和函数

  3. 函数内部创建了 this 并指向全局对象(window)

  4. 接着引用了外部变量 myVarmyVar 属于全局作用域的。

  5. 接着调用函数 b ,函数b的过程跟 a一样,这里不做分析。

下面调用堆栈的执行示意图:

  1. 创建全局上下文,全局变量和函数。

  2. 每个函数的调用,会创建一个上下文,外部环境的引用及 this

  3. 函数执行结束后会从堆栈中弹出,并且它的执行上下文被垃圾收集回收(闭包除外)。

  4. 当调用堆栈为空时,它将从事件队列中获取事件。

作用域及作用域链

在前面的示例中,所有内容都是全局作用域的,这意味着我们可以从代码中的任何位置访问它。 现在,介绍下私有作用域以及如何定义作用域。

函数/词法作用域

考虑如下代码:

function a() {
  var myOtherVar = 'inside A'

  b()
}

function b() {
  var myVar = 'inside B'

  console.log('myOtherVar:', myOtherVar)

  function c() {
    console.log('myVar:', myVar)
  }

  c()
}

var myOtherVar = 'global otherVar'
var myVar = 'global myVar'
a()
复制代码

需要注意以下几点:

  1. 全局作用域和函数内部都声明了变量

  2. 函数c现在在函数b中声明

打印结果如下:

myOtherVar: "global otherVar"
myVar: "inside B"
复制代码

执行步骤:

  1. 全局创建和声明 - 创建内存中的所有函数和变量以及全局对象和 this

  2. 执行 - 它逐行读取代码,给变量赋值,并执行函数a

  3. 函数a创建一个新的上下文并被放入堆栈,在上下文中创建变量myOtherVar,然后调用函数b

  4. 函数b 也会创建一个新的上下文,同样也被放入堆栈中

5,函数b的上下文中创建了 myVar 变量,并声明函数c

上面提到每个新上下文会创建的外部引用,外部引用取决于函数在代码中声明的位置。

  1. 函数b试图打印myOtherVar,但这个变量并不存在于函数b中,函数b 就会使用它的外部引用上作用域链向上找。由于函数b是全局声明的,而不是在函数a内部声明的,所以它使用全局变量myOtherVar

  2. 函数c执行步骤一样。由于函数c本身没有变量myVar,所以它它通过作用域链向上找,也就是函数b,因为myVar函数b内部声明过。

下面是执行示意图:

请记住,外部引用是单向的,它不是双向关系。例如,函数b不能直接跳到函数c的上下文中并从那里获取变量。

最好将它看作一个只能在一个方向上运行的链(范围链)。

  • a -> global
  • c -> b -> global

在上面的图中,你可能注意到,函数是创建新作用域的一种方式。(除了全局作用域)然而,还有另一种方法可以创建新的作用域,就是块作用域

块作用域

下面代码中,我们有两个变量和两个循环,在循环重新声明相同的变量,会打印什么(反正我是做错了)?

function loopScope () {
  var i = 50
  var j = 99

  for (var i = 0; i < 10; i++) {}

  console.log('i =', i)

  for (let j = 0; j < 10; j++) {}

  console.log('j =', j)
}

loopScope()
复制代码

打印结果:

i = 10
j = 99
复制代码

第一个循环覆盖了var i,对于不知情的开发人员来说,这可能会导致bug。

第二个循环,每次迭代创建了自己作用域和变量。 这是因为它使用let关键字,它与var相同,只是let有自己的块作用域。 另一个关键字是const,它与let相同,但const常量且无法更改(指内存地址)。

块作用域由大括号 {} 创建的作用域

再看一个例子:

function blockScope () {
  let a = 5
  {
    const blockedVar = 'blocked'
    var b = 11

    a = 9000
  }

  console.log('a =', a)
  console.log('b =', b)
  console.log('blockedVar =', blockedVar)
}

blockScope()
复制代码

打印结果:

a = 9000
b = 11
ReferenceError: blockedVar is not defined
复制代码
  1. a是块作用域,但它在函数中,而不是嵌套的,本例中使用var是一样的。

  2. 对于块作用域的变量,它的行为类似于函数,注意var b可以在外部访问,但是const blockedVar不能。

  3. 在块内部,从作用域链向上找到 a 并将let a更改为9000

使用块作用域可以使代码更清晰,更安全,应该尽可能地使用它。

事件循环(Event Loop)

接下来看看事件循环。 这是回调,事件和浏览器API工作的地方

我们没有过多讨论的事情是,也叫全局内存。它是变量存储的地方。由于了解JS引擎是如何实现其数据存储的实际用途并不多,所以我们不在这里讨论它。

来个异步代码:

function logMessage2 () {
    console.log('Message 2')
}

console.log('Message 1')

setTimeout(logMessage2, 1000)

console.log('Message 3')
复制代码

上述代码主要是将一些 message 打印到控制台。 利用setTimeout函数来延迟一条消息。 我们知道js是同步,来看看输出结果

Message 1
Message 3
Message 2
复制代码
  1. 打印 Message 1

  2. 调用 setTimeout

  3. 打印 Message 3

  4. 打印 Message 2

它记录消息3

稍后,它会记录消息2

setTimeout是一个 API,和大多数浏览器 API一样,当它被调用时,它会向浏览器发送一些数据和回调。我们这边是延迟一秒打印 Message 2

调用完setTimeout 后,我们的代码继续运行,没有暂停,打印 Message 3 并执行一些必须先执行的操作。

浏览器等待一秒钟,它就会将数据传递给我们的回调函数并将其添加到事件/回调队列中( event/callback queue)。 然后停留在队列中,只有当**调用堆栈(call stack)**为空时才会被压入堆栈。

代码示例

要熟悉JS引擎,最好的方法就是使用它,再来些有意义的例子。

简单的闭包

这个例子中 有一个返回函数的函数,并在返回的函数中使用外部的变量, 这称为闭包

function exponent (x) {
  return function (y) {
   //和math.pow() 或者x的y次方是一样的
    return y ** x
  }
}

const square = exponent(2)

console.log(square(2), square(3)) // 4, 9

console.log(exponent(3)(2)) // 8
复制代码

块代码

我们使用无限循环将将调用堆栈塞满,会发生什么,回调队列被会阻塞,因为只能在调用堆栈为空时添加回调队列。

function blockingCode() {
  const startTime = new Date().getSeconds()

  // 延迟函数250毫秒
  setTimeout(function() {
    const calledAt = new Date().getSeconds()
    const diff = calledAt - startTime
 
    // 打印调用此函数所需的时间
    console.log(`Callback called after: ${diff} seconds`)
  }, 250)

  // 用循环阻塞堆栈2秒钟
  while(true) {
    const currentTime = new Date().getSeconds()

    // 2 秒后退出
    if(currentTime - startTime >= 2) break
  }

}

blockingCode() // 'Callback called after: 2 seconds'
复制代码

我们试图在250毫秒之后调用一个函数,但因为我们的循环阻塞了堆栈所花了两秒钟,所以回调函数实际是两秒后才会执行,这是JavaScript应用程序中的常见错误

setTimeout不能保证在设置的时间之后调用函数。相反,更好的描述是,在至少经过这段时间之后调用这个函数。

延迟函数

setTimeout 的设置为0,情况是怎么样?

function defer () {
  setTimeout(() => console.log('timeout with 0 delay!'), 0)
  console.log('after timeout')
  console.log('last log')
}

defer()
复制代码

你可能期望它被立即调用,但是,事实并非如此。

执行结果:

after timeout
last log
timeout with 0 delay!
复制代码

它会立即被推到回调队列,但它仍然会等待调用堆栈为空才会执行。

用闭包来缓存

Memoization是缓存函数调用结果的过程。

例如,有一个添加两个数字的函数add。调用add(1,2)返回3,当再次使用相同的参数add(1,2)调用它,这次不是重新计算,而是记住1 + 2是3的结果并直接返回对应的结果。 Memoization可以提高代码运行速度,是一个很好的工具。

我们可以使用闭包实现一个简单的memoize函数。

// 缓存函数,接收一个函数
const memoize = (func) => {
  // 缓存对象
  // keys 是 arguments, values are results
  const cache = {}

  // 返回一个新的函数
  // it remembers the cache object & func (closure)
  // ...args is any number of arguments
  return (...args) => {
    // 将参数转换为字符串,以便我们可以存储它
    const argStr = JSON.stringify(args)

    // 如果已经存,则打印
    console.log('cache', cache, !!cache[argStr])

    cache[argStr] = cache[argStr] || func(...args)

    return cache[argStr]
  }
}

const add = memoize((a, b) => a + b)

console.log('first add call: ', add(1, 2))

console.log('second add call', add(1, 2))
复制代码

执行结果:

cache {} false
first add call:  3
cache { '[1,2]': 3 } true
second add call 3
复制代码

第一次 add 方法,缓存对象是空的,它调用我们的传入函数来获取值3.然后它将args/value键值对存储在缓存对象中。

在第二次调用中,缓存中已经有了,查找到并返回值。

对于add函数来说,有无缓存看起来无关紧要,甚至效率更低,但是对于一些复杂的计算,它可以节省很多时间。这个示例并不是一个完美的缓存示例,而是闭包的实际应用。

代码部署后可能存在的BUG没法实时知道,事后为了解决这些BUG,花了大量的时间进行log 调试,这边顺便给大家推荐一个好用的BUG监控工具 Fundebug

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我是小智,公众号「大迁世界」作者,对前端技术保持学习爱好者。我会经常分享自己所学所看的干货,在进阶的路上,共勉!

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