JavaScript引擎运行原理

为了保证可读性，本文采用意译而非直译。

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。

堆 — 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

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 b在 a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!"

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
()
 
{...}

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.  
2. 全局对象(浏览器中是 window 对象，NodeJs 中是 global 对象)
3. 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
()
}

如下步骤：

1.  
2. 创建新的函数上下文
3. a 函数里面没有声明变量和函数
4. 函数内部创建了 this 并指向全局对象(window)
5. 接着引用了外部变量 myVar， myVar 属于全局作用域的。
6. 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
()

需要注意以下几点：

1.  
2. 全局作用域和函数内部都声明了变量
3. 函数 c现在在函数 b中声明

打印结果如下：

myOtherVar
:
 
"global otherVar"
myVar
:
 
"inside B"

执行步骤：

1.  
2. 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
3. 执行 - 它逐行读取代码，给变量赋值，并执行函数a
4. 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
5. 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.  
2. 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。
3. 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是函数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
()

打印结果：

i 
=
 
10
j 
=
 
99

第一个循环覆盖了 vari，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
()

打印结果：

a 
=
 
9000
b 
=
 
11
ReferenceError
:
 blockedVar 
is
 
not
 
defined

1.  
2. 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。
3. 对于块作用域的变量，它的行为类似于函数，注意 varb可以在外部访问，但是 constblockedVar不能。
4. 在块内部，从作用域链向上找到 a 并将 leta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堆，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'
)

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

1.  
2. 打印 Message 1
3. 调用 setTimeout
4. 打印 Message 3
5. 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

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'

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

当 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
()

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
!

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
))

执行结果：

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

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。