JavaScript 引擎如何执行 JavaScript 代码|原理篇

这篇文章不要按 API 清单来背。先用上面的 Mind Map 建立全局结构，再通过交互 DEMO 观察正常路径和边界路径如何改变状态；阅读正文时重点核对每一步的输入、负责执行的参与者、产生的中间状态以及最终可观察结果。遇到版本敏感结论，要把“历史实现”“当前行为”和“工程兼容策略”分开说明；遇到性能或架构取舍，则用实际指标、失败现象和验证手段支撑判断。

版本校准： 原理文章中的代码代表特定实现与写作时间。应用到当前项目时，应先确认浏览器、框架或工具的主版本，再区分稳定的规范语义、可变化的内部实现和项目自身约束。

在 V8 引擎中 JavaScript 代码的运行过程主要分成三个阶段

• 语法分析阶段。 该阶段会对代码进行语法分析，检查是否有语法错误（SyntaxError），如果发现语法错误，会在控制台抛出异常并终止执行
• 编译阶段。 该阶段会进行执行上下文（Execution Context）的创建，包括创建变量对象、建立作用域链、确定 this 的指向等。每进入一个不同的运行环境时，V8 引擎都会创建一个新的执行上下文。
• 执行阶段。 将编译阶段中创建的执行上下文压入调用栈，并成为正在运行的执行上下文，代码执行结束后，将其弹出调用栈

其中，语法分析阶段属于编译器通用内容，就不再赘述。前面提到的执行环境、词法环境、作用域、执行上下文等内容都是在编译和执行阶段中产生的概念。

JavaScript 在运行过程中会产生一个调用栈，调用栈遵循 LIFO（先进后出，后进先出）

# 执行上下文的创建

执行上下文的创建离不开 JavaScript 的运行环境，JavaScript 运行环境包括全局环境、函数环境和eval，其中全局环境和函数环境的创建过程如下

• 第一次载入 JavaScript 代码时，首先会创建一个全局环境。全局环境位于最外层，直到应用程序退出后（例如关闭浏览器和网页）才会被销毁
• 每个函数都有自己的运行环境，当函数被调用时，则会进入该函数的运行环境。当该环境中的代码被全部执行完毕后，该环境会被销毁。不同的函数运行环境不一样，即使是同一个函数，在被多次调用时也会创建多个不同的函数环境

在不同的运行环境中，变量和函数可访问的其他数据范围不同，环境的行为（比如创建和销毁）也有所区别。而每进入一个不同的运行环境时，JavaScript 都会创建一个新的执行上下文，该过程包括：

• 建立作用域链（Scope Chain）；
• 创建变量对象（Variable Object，简称 VO）；
• 确定 this 的指向。

由于建立作用域链过程中会涉及变量对象的概念，因此我们先来看看变量对象的创建，再看建立作用域链和确定 this 的指向

# 创建变量对象

什么是变量对象呢？每个执行上下文都会有一个关联的变量对象，该对象上会保存这个上下文中定义的所有变量和函数

而在浏览器中，全局环境的变量对象是window对象，因此所有的全局变量和函数都是作为window对象的属性和方法创建的。相应的，在 Node 中全局环境的变量对象则是global对象

创建变量对象将会创建arguments对象（仅函数环境下），同时会检查当前上下文的函数声明和变量声明。

• 对于变量声明：此时会给变量分配内存，并将其初始化为undefined（该过程只进行定义声明，执行阶段才执行赋值语句）
• 对于函数声明：此时会在内存里创建函数对象，并且直接初始化为该函数对象。

上述变量声明和函数声明的处理过程，便是我们常说的变量提升和函数提升，其中函数声明提升会优先于变量声明提升。因为变量提升容易带来变量在预期外被覆盖掉的问题，同时还可能导致本应该被销毁的变量没有被销毁等情况。因此 ES6 中引入了let和const关键字，从而使 JavaScript 也拥有了块级作用域。

JavaScript 采用的是词法作用域（Lexical Scoping），也就是静态作用域。词法作用域中的变量，在编译过程中会产生一个确定的作用域。

词法作用域中的变量，在编译过程中会产生一个确定的作用域，这个作用域即当前的执行上下文，在 ES5 后我们使用词法环境（Lexical Environment）替代作用域来描述该执行上下文。因此，词法环境可理解为我们常说的作用域，同样也指当前的执行上下文（注意，是当前的执行上下文）

在 JavaScript 中，词法环境又分为词法环境（Lexical Environment）和变量环境（Variable Environment）两种，其中：

• 变量环境用来记录var/function等变量声明
• 词法环境是用来记录let/const/class等变量声明

也就是说，创建变量过程中会进行函数提升和变量提升，JavaScript 会通过词法环境来记录函数和变量声明。通过使用两个词法环境（而不是一个）分别记录不同的变量声明内容，JavaScript 实现了支持块级作用域的同时，不影响原有的变量声明和函数声明

这就是创建变量的过程，它属于执行上下文创建中的一环。创建变量的过程会产生作用域，作用域也被称为词法环境，那词法环境是由什么组成的呢

# 建立作用域链

作用域链，顾名思义，就是将各个作用域通过某种方式连接在一起。

前面说过，作用域就是词法环境，而词法环境由两个成员组成。

• 环境记录（Environment Record）：用于记录自身词法环境中的变量对象。
• 外部词法环境引用（Outer Lexical Environment）：记录外层词法环境的引用。

通过外部词法环境的引用，作用域可以层层拓展，建立起从里到外延伸的一条作用域链。当某个变量无法在自身词法环境记录中找到时，可以根据外部词法环境引用向外层进行寻找，直到最外层的词法环境中外部词法环境引用为null，这便是作用域链的变量查询。

那么，这个外部词法环境引用又是怎样指向外层呢？我们来看看 JavaScript 中是如何通过外部词法环境引用来创建作用域的。

为了方便描述，我们将 JavaScript 代码运行过程分为定义期和执行期，前面提到的编译阶段则属于定义期。

来看一个例子，我们定义了全局函数foo，并在该函数中定义了函数bar：

function foo() {
  console.dir(bar);
  var a = 1;
  function bar() {
    a = 2;
  }
}
console.dir(foo);
foo();

前面我们说到，JavaScript 使用的是静态作用域，因此函数的作用域在定义期已经决定了。在上面的例子中，全局函数foo创建了一个foo的[[scope]]属性，包含了全局[[scope]]：

foo[[scope]] = [globalContext];

而当我们执行foo()时，也会分别进入foo函数的定义期和执行期

在foo函数的定义期时，函数bar的[[scope]]将会包含全局[[scope]]和foo的[[scope]]：

bar[[scope]] = [fooContext, globalContext];

运行上述代码，我们可以在控制台看到符合预期的输出：

可以看到：

• foo的[[scope]]属性包含了全局[[scope]]
• bar的[[scope]]将会包含全局[[scope]]和foo的[[scope]]

也就是说，JavaScript 会通过外部词法环境引用来创建变量对象的一个作用域链，从而保证对执行环境有权访问的变量和函数的有序访问。除了创建作用域链之外，在这个过程中还会对创建的变量对象做一些处理

编译阶段会进行变量对象（VO）的创建，该过程会进行函数声明和变量声明，这时候变量的值被初始化为 undefined。在代码进入执行阶段之后，JavaScript 会对变量进行赋值，此时变量对象会转为活动对象（Active Object，简称 AO），转换后的活动对象才可被访问，这就是 VO -> AO 的过程

为了更好地理解这个过程，我们来看个例子，我们在foo函数中定义了变量b、函数c和函数表达式变量d：

function foo(a) {
  var b = 2;
  function c() {}
  var d = function() {};
}
​
foo(1);

在执行foo(1)时，首先进入定义期，此时：

• 参数变量a的值为1
• 变量b和d初始化为undefined
• 函数c创建函数并初始化

VO = {
  arguments: {
    0: 1,
    length: 1
  },
  a: 1,
  b: undefined,
  c: reference to function c(){},
  d: undefined
}

进入执行期之后，会执行赋值语句进行赋值，此时变量b和d会被赋值为 2 和函数表达式：

AO = {
   arguments: {
    0: 1,
    length: 1
  },
  a: 1,
  b: 2,
  c: reference to function c(){},
  d: reference to FunctionExpression "d"
}

这就是 VO -> AO 过程。

• 在定义期（编译阶段）：该对象值仍为undefined，且处于不可访问的状态。
• 进入执行期（执行阶段）：VO 被激活，其中变量属性会进行赋值。

实际上在执行的时候，除了 VO 被激活，活动对象还会添加函数执行时传入的参数和arguments这个特殊对象，因此 AO 和 VO 的关系可以用以下关系来表达：

AO = VO + function parameters + arguments

现在，我们知道作用域链是在进入代码的执行阶段时，通过外部词法环境引用来创建的。总结如下：

• 在编译阶段，JavaScript 在创建执行上下文的时候会先创建变量对象（VO）；
• 在执行阶段，变量对象（VO）被激活为活动对象（ AO），函数内部的变量对象通过外部词法环境的引用创建作用域链。

虽然 JavaScript 代码的运行过程可以分为语法分析阶段、编译阶段和执行阶段，但由于在 JavaScript 引擎中是通过调用栈的方式来执行 JavaScript 代码的，因此并不存在“整个 JavaScript 运行过程只会在某个阶段中”这一说法，比如上面例子中bar函数的编译阶段，其实是在foo函数的执行阶段中

一般来说，当函数执行结束之后，执行期上下文将被销毁（作用域链和活动对象均被销毁）。但有时候我们想要保留其中一些变量对象，不想被销毁，此时就会使用到闭包