搞懂JavaScript引擎運行原理

譯者：前端小智

原文：codeburst.io/js-essentia…

爲了保證可讀性，本文采用意譯而非直譯。

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一些名詞

JS引擎 — 一個讀取代碼並運行的引擎，沒有單一的「JS引擎」;，每一個瀏覽器都有本身的引擎，如谷歌有V。

做用域 — 能夠從中訪問變量的「區域」。

詞法做用域— 在詞法階段的做用域,換句話說，詞法做用域是由你在寫代碼時將變量和塊做用域寫在哪裏來決定的，所以當詞法分析器處理代碼時會保持做用域不變。

塊做用域 — 由花括號{}建立的範圍

做用域鏈 — 函數能夠上升到它的外部環境(詞法上)來搜索一個變量，它能夠一直向上查找，直到它到達全局做用域。

同步 — 一次執行一件事， 「同步」引擎一次只執行一行，JavaScript是同步的。

異步 — 同時作多個事，JS經過瀏覽器API模擬異步行爲

事件循環(Event Loop) - 瀏覽器API完成函數調用的過程，將回調函數推送到回調隊列(callback queue)，而後當堆棧爲空時，它將回調函數推送到調用堆棧。

堆棧 —一種數據結構，只能將元素推入並彈出頂部元素。 想一想堆疊一個字形的塔樓; 你不能刪除中間塊，後進先出。

堆 — 變量存儲在內存中。

調用堆棧 — 函數調用的隊列，它實現了堆棧數據類型，這意味着一次能夠運行一個函數。 調用函數將其推入堆棧並從函數返回將其彈出堆棧。

執行上下文 — 當函數放入到調用堆棧時由JS建立的環境。

閉包 — 當在另外一個函數內建立一個函數時，它「記住」它在之後調用時建立的環境。

垃圾收集 — 當內存中的變量被自動刪除時，由於它再也不使用，引擎要處理掉它。

變量的提高— 當變量內存沒有賦值時會被提高到全局的頂部並設置爲undefined。

this —由JavaScript爲每一個新的執行上下文自動建立的變量/關鍵字。

調用堆棧(Call Stack)

看看下面的代碼：

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
複製代碼

有幾個點須要注意：

• 變量聲明的位置(一個在上，一個在下)

• 函數a調用下面定義的函數b, 函數b調用函數c

當它被執行時你指望發生什麼？ 是否發生錯誤，由於b在a以後聲明或者一切正常？ console.log 打印的變量又是怎麼樣？

如下是打印結果：

"myVar" undefined
"myOtherVar" 10
"Hello world!"
複製代碼

來分解一下上述的執行步驟。

1. 變量和函數聲明(建立階段)

第一步是在內存中爲全部變量和函數分配空間。 但請注意，除了undefined以外，還沒有爲變量分配值。 所以，myVar在被打印時的值是undefined，由於JS引擎從頂部開始逐行執行代碼。

函數與變量不同，函數能夠一次聲明和初始化，這意味着它們能夠在任何地方被調用。

因此以上代碼看起來像這樣子：

var myOtherVar = undefined
var myVar = undefined

function a() {...}
function b() {...}
function c() {...}
複製代碼

這些都存在於JS建立的全局上下文中，由於它位於全局空間中。

在全局上下文中，JS還添加了：

1. 全局對象(瀏覽器中是 window 對象，NodeJs 中是 global 對象)

2. this 指向全局對象

2. 執行

接下來，JS 引擎會逐行執行代碼。

myOtherVar = 10在全局上下文中，myOtherVar被賦值爲10

已經建立了全部函數，下一步是執行函數 a()

每次調用函數時，都會爲該函數建立一個新的上下文(重複步驟1)，並將其放入調用堆棧。

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

以下步驟：

1. 建立新的函數上下文

2. a 函數裏面沒有聲明變量和函數

3. 函數內部建立了 this 並指向全局對象(window)

4. 接着引用了外部變量 myVar，myVar 屬於全局做用域的。

5. 接着調用函數 b ，函數b的過程跟 a同樣，這裏不作分析。

下面調用堆棧的執行示意圖：

1. 建立全局上下文，全局變量和函數。

2. 每一個函數的調用，會建立一個上下文,外部環境的引用及 this。

3. 函數執行結束後會從堆棧中彈出，而且它的執行上下文被垃圾收集回收(閉包除外)。

4. 當調用堆棧爲空時，它將從事件隊列中獲取事件。

做用域及做用域鏈

在前面的示例中，全部內容都是全局做用域的，這意味着咱們能夠從代碼中的任何位置訪問它。 如今，介紹下私有做用域以及如何定義做用域。

函數/詞法做用域

考慮以下代碼：

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()
複製代碼

須要注意如下幾點：

1. 全局做用域和函數內部都聲明瞭變量

2. 函數c如今在函數b中聲明

打印結果以下：

myOtherVar: "global otherVar"
myVar: "inside B"
複製代碼

執行步驟：

1. 全局建立和聲明 - 建立內存中的全部函數和變量以及全局對象和 this

2. 執行 - 它逐行讀取代碼，給變量賦值，並執行函數a

3. 函數a建立一個新的上下文並被放入堆棧，在上下文中建立變量myOtherVar，而後調用函數b

4. 函數b 也會建立一個新的上下文，一樣也被放入堆棧中

5，函數b的上下文中建立了 myVar 變量，並聲明函數c

上面提到每一個新上下文會建立的外部引用，外部引用取決於函數在代碼中聲明的位置。

1. 函數b試圖打印myOtherVar，但這個變量並不存在於函數b中，函數b 就會使用它的外部引用上做用域鏈向上找。因爲函數b是全局聲明的，而不是在函數a內部聲明的，因此它使用全局變量myOtherVar。

2. 函數c執行步驟同樣。因爲函數c自己沒有變量myVar，因此它它經過做用域鏈向上找，也就是函數b，由於myVar是函數b內部聲明過。

下面是執行示意圖：

請記住，外部引用是單向的，它不是雙向關係。例如，函數b不能直接跳到函數c的上下文中並從那裏獲取變量。

最好將它看做一個只能在一個方向上運行的鏈(範圍鏈)。

• a -> global
• c -> b -> global

在上面的圖中，你可能注意到，函數是建立新做用域的一種方式。(除了全局做用域)然而，還有另外一種方法能夠建立新的做用域，就是塊做用域。

塊做用域

下面代碼中，咱們有兩個變量和兩個循環，在循環從新聲明相同的變量，會打印什麼(反正我是作錯了)？

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()
複製代碼

打印結果：

i = 10
j = 99
複製代碼

第一個循環覆蓋了var i，對於不知情的開發人員來講，這可能會致使bug。

第二個循環,每次迭代建立了本身做用域和變量。 這是由於它使用let關鍵字，它與var相同，只是let有本身的塊做用域。 另外一個關鍵字是const，它與let相同，但const常量且沒法更改(指內存地址)。

塊做用域由大括號 {} 建立的做用域

再看一個例子：

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()
複製代碼

打印結果：

a = 9000
b = 11
ReferenceError: blockedVar is not defined
複製代碼

1. a是塊做用域，但它在函數中，而不是嵌套的，本例中使用var是同樣的。

2. 對於塊做用域的變量，它的行爲相似於函數，注意var b能夠在外部訪問，可是const blockedVar不能。

3. 在塊內部，從做用域鏈向上找到 a 並將let a更改成9000。

使用塊做用域可使代碼更清晰，更安全，應該儘量地使用它。

事件循環(Event Loop)

接下來看看事件循環。 這是回調，事件和瀏覽器API工做的地方

咱們沒有過多討論的事情是堆，也叫全局內存。它是變量存儲的地方。因爲了解JS引擎是如何實現其數據存儲的實際用途並很少，因此咱們不在這裏討論它。

來個異步代碼：

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

console.log('Message 1')

setTimeout(logMessage2, 1000)

console.log('Message 3')
複製代碼

上述代碼主要是將一些 message 打印到控制檯。 利用setTimeout函數來延遲一條消息。 咱們知道js是同步，來看看輸出結果

Message 1
Message 3
Message 2
複製代碼

1. 打印 Message 1

2. 調用 setTimeout

3. 打印 Message 3

4. 打印 Message 2

它記錄消息3

稍後，它會記錄消息2

setTimeout是一個 API，和大多數瀏覽器 API同樣，當它被調用時，它會向瀏覽器發送一些數據和回調。咱們這邊是延遲一秒打印 Message 2。

調用完setTimeout 後，咱們的代碼繼續運行，沒有暫停，打印 Message 3 並執行一些必須先執行的操做。

瀏覽器等待一秒鐘，它就會將數據傳遞給咱們的回調函數並將其添加到事件/回調隊列中( event/callback queue)。 而後停留在隊列中，只有當**調用堆棧(call stack)**爲空時纔會被壓入堆棧。

代碼示例

要熟悉JS引擎，最好的方法就是使用它，再來些有意義的例子。

簡單的閉包

這個例子中 有一個返回函數的函數，並在返回的函數中使用外部的變量， 這稱爲閉包。

function exponent (x) {
  return function (y) {
   //和math.pow() 或者x的y次方是同樣的
    return y ** x
  }
}

const square = exponent(2)

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

console.log(exponent(3)(2)) // 8
複製代碼

塊代碼

咱們使用無限循環將將調用堆棧塞滿，會發生什麼，回調隊列被會阻塞，由於只能在調用堆棧爲空時添加回調隊列。

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

  // 延遲函數250毫秒
  setTimeout(function() {
    const calledAt = new Date().getSeconds()
    const diff = calledAt - startTime
 
    // 打印調用此函數所需的時間
    console.log(`Callback called after: ${diff} seconds`)
  }, 250)

  // 用循環阻塞堆棧2秒鐘
  while(true) {
    const currentTime = new Date().getSeconds()

    // 2 秒後退出
    if(currentTime - startTime >= 2) break
  }

}

blockingCode() // 'Callback called after: 2 seconds'
複製代碼

咱們試圖在250毫秒以後調用一個函數,但由於咱們的循環阻塞了堆棧所花了兩秒鐘，因此回調函數實際是兩秒後纔會執行，這是JavaScript應用程序中的常見錯誤。

setTimeout不能保證在設置的時間以後調用函數。相反，更好的描述是，在至少通過這段時間以後調用這個函數。

延遲函數

當 setTimeout 的設置爲0，狀況是怎麼樣？

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

defer()
複製代碼

你可能指望它被當即調用，可是，事實並不是如此。

執行結果：

after timeout
last log
timeout with 0 delay!
複製代碼

它會當即被推到回調隊列，但它仍然會等待調用堆棧爲空纔會執行。

用閉包來緩存

Memoization是緩存函數調用結果的過程。

例如，有一個添加兩個數字的函數add。調用add（1,2）返回3，當再次使用相同的參數add（1,2）調用它，此次不是從新計算，而是記住1 + 2是3的結果並直接返回對應的結果。 Memoization能夠提升代碼運行速度，是一個很好的工具。

咱們可使用閉包實現一個簡單的memoize函數。

// 緩存函數，接收一個函數
const memoize = (func) => {
  // 緩存對象
  // keys 是 arguments, values are results
  const cache = {}

  // 返回一個新的函數
  // it remembers the cache object & func (closure)
  // ...args is any number of arguments
  return (...args) => {
    // 將參數轉換爲字符串，以便咱們能夠存儲它
    const argStr = JSON.stringify(args)

    // 若是已經存，則打印
    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))
複製代碼

執行結果：

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

第一次 add 方法，緩存對象是空的，它調用咱們的傳入函數來獲取值3.而後它將args/value鍵值對存儲在緩存對象中。

在第二次調用中，緩存中已經有了，查找到並返回值。

對於add函數來講，有無緩存看起來可有可無，甚至效率更低，可是對於一些複雜的計算，它能夠節省不少時間。這個示例並非一個完美的緩存示例，而是閉包的實際應用。

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