Javascript 引擎工作机制详解

Javascript 引擎工作机制

javascript从定义到执行,JS引擎在实现层做了很多初始化工作,因此在学习JS引擎工作机制之前,我们需要引入几个相关的概念:执行环境栈、全局对象、执行环境、变量对象、活动对象、作用域和作用域链等,这些概念正是JS引擎工作的核心组件。这篇文章的目的不是孤立的为你讲解每一个概念,而是通过一个简单的demo来展开分析,全局讲解JS引擎从定义到执行的每一个细节,以及这些概念在其中所扮演的角色。


var x = 1; //定义一个全局变量 x
function A(y){
  var x = 2; //定义一个局部变量 x
  function B(z){ //定义一个内部函数 B
    console.log(x+y+z);
  }
  return B; //返回函数B的引用
}
var C = A(1); //执行A,返回B
C(1); //执行函数B

这个demo是一个闭包,执行结果是4,下面我们将分全局初始化、执行函数A、执行函数B 三个阶段来分析JS引擎的工作机制:

一、全局初始化

JS引擎在进入一段可执行的代码时,需要完成以下三个初始化工作:

首先,创建一个全局对象(Global Object) , 这个对象全局只存在一份,它的属性在任何地方都可以访问,它的存在伴随着应用程序的整个生命周期。全局对象在创建时,将Math,String,Date,document 等常用的JS对象作为其属性。由于这个全局对象不能通过名字直接访问,因此还有另外一个属性window,并将window指向了自身,这样就可以通过window访问这个全局对象了。用伪代码模拟全局对象的大体结构如下:

//创建一个全局对象
var globalObject = {
  Math:{},
  String:{},
  Date:{},
  document:{}, //DOM操作
  ...
  window:this //让window属性指向了自身
}

然后,JS引擎需要构建一个执行环境栈( Execution Context Stack) ,与此同时,也要创建一个全局执行环境(Execution Context)EC ,并将这个全局执行环境EC压入执行环境栈中。执行环境栈的作用是为了保证程序能够按照正确的顺序被执行。在javascript中,每个函数都有自己的执行环境,当执行一个函数时,该函数的执行环境就会被推入执行环境栈的顶部并获取执行权。当这个函数执行完毕,它的执行环境又从这个栈的顶部被删除,并把执行权并还给之前执行环境。我们用伪代码来模拟执行环境栈和EC的关系:

var ECStack = []; //定义一个执行环境栈,类似于数组

var EC = {};  //创建一个执行空间,
//ECMA-262规范并没有对EC的数据结构做明确的定义,你可以理解为在内存中分配的一块空间

ECStack.push(EC); //进入函数,压入执行环境
ECStack.pop(EC); //函数返回后,删除执行环境

最后,JS引擎还要创建一个与EC关联的全局变量对象(Varibale Object) VO,  并把VO指向全局对象,VO中不仅包含了全局对象的原有属性,还包括在全局定义的变量x 和函数 A,与此同时,在定义函数A的时候,还为 A 添加了一个内部属性scope,并将scope指向了VO。每个函数在定义的时候,都会创建一个与之关联的scope属性,scope总是指向定义函数时所在的环境。此时的ECStack结构如下:

ECStack = [  //执行环境栈
  EC(G) = {  //全局执行环境
    VO(G):{ //定义全局变量对象
      ... //包含全局对象原有的属性
      x = 1; //定义变量x
      A = function(){...}; //定义函数A
      A[[scope]] = this; //定义A的scope,并赋值为VO本身
    }
  }
];

二、 执行函数A

当执行进入A(1) 时,JS引擎需要完成以下工作:

首先,JS引擎会创建函数A的执行环境EC,然后EC推入执行环境栈的顶部并获取执行权。此时执行环境栈中有两个执行环境,分别是全局执行环境和函数A执行环境,A的执行环境在栈顶,全局执行环境在栈的底部。然后,创建函数A的作用域链(Scope Chain) ,在javascript中,每个执行环境都有自己的作用域链,用于标识符解析,当执行环境被创建时,它的作用域链就初始化为当前运行函数的scope所包含的对象。

接着,JS引擎会创建一个当前函数的活动对象(Activation Object) AO,这里的活动对象扮演着变量对象的角色,只是在函数中的叫法不同而已(你可以认为变量对象是一个总的概念,而活动对象是它的一个分支), AO中包含了函数的形参、arguments对象、this对象、以及局部变量和内部函数的定义,然后AO会被推入作用域链的顶端。需要注意的是,在定义函数B的时候,JS引擎同样也会为B添加了一个scope属性,并将scope指向了定义函数B时所在的环境,定义函数B的环境就是A的活动对象AO, 而AO位于链表的前端,由于链表具有首尾相连的特点,因此函数B的scope指向了A的整个作用域链。 我们再看看此时的ECStack结构:


ECStack = [  //执行环境栈
  EC(A) = {  //A的执行环境
    [scope]:VO(G), //VO是全局变量对象
    AO(A) : { //创建函数A的活动对象
      y:1,
      x:2, //定义局部变量x
      B:function(){...}, //定义函数B
      B[[scope]] = this; //this指代AO本身,而AO位于scopeChain的顶端,因此B[[scope]]指向整个作用域链
      arguments:[],//平时我们在函数中访问的arguments就是AO中的arguments
      this:window //函数中的this指向调用者window对象
    },
    scopeChain:<AO(A),A[[scope]]> //链表初始化为A[[scope]],然后再把AO加入该作用域链的顶端,此时A的作用域链:AO(A)->VO(G)
  },
  EC(G) = {  //全局执行环境
    VO(G):{ //创建全局变量对象
      ... //包含全局对象原有的属性
      x = 1; //定义变量x
      A = function(){...}; //定义函数A
      A[[scope]] = this; //定义A的scope,A[[scope]] == VO(G)
    }
  }
];

三、 执行函数B

函数A被执行以后,返回了B的引用,并赋值给了变量C,执行 C(1) 就相当于执行B(1),JS引擎需要完成以下工作:

首先,还和上面一样,创建函数B的执行环境EC,然后EC推入执行环境栈的顶部并获取执行权。 此时执行环境栈中有两个执行环境,分别是全局执行环境和函数B的执行环境,B的执行环境在栈顶,全局执行环境在栈的底部。(注意:当函数A返回后,A的执行环境就会从栈中被删除,只留下全局执行环境)然后,创建函数B的作用域链,并初始化为函数B的scope所包含的对象,即包含了A的作用域链。最后,创建函数B的活动对象AO,并将B的形参z, arguments对象 和 this对象作为AO的属性。此时ECStack将会变成这样:

ECStack = [  //执行环境栈
  EC(B) = {  //创建B的执行环境,并处于作用域链的顶端
    [scope]:AO(A), //指向函数A的作用域链,AO(A)->VO(G)
    var AO(B) = { //创建函数B的活动对象
      z:1,
      arguments:[],
      this:window
    }
    scopeChain:<AO(B),B[[scope]]> //链表初始化为B[[scope]],再将AO(B)加入链表表头,此时B的作用域链:AO(B)->AO(A)-VO(G)
  },
  EC(A), //A的执行环境已经从栈顶被删除,
  EC(G) = {  //全局执行环境
    VO:{ //定义全局变量对象
      ... //包含全局对象原有的属性
      x = 1; //定义变量x
      A = function(){...}; //定义函数A
      A[[scope]] = this; //定义A的scope,A[[scope]] == VO(G)
    }
  }
];

当函数B执行“x+y+z”时,需要对x、y、z 三个标识符进行一一解析,解析过程遵守变量查找规则:先查找自己的活动对象中是否存在该属性,如果存在,则停止查找并返回;如果不存在,继续沿着其作用域链从顶端依次查找,直到找到为止,如果整个作用域链上都未找到该变量,则返回“undefined”。从上面的分析可以看出函数B的作用域链是这样的:

AO(B)->AO(A)->VO(G)

因此,变量x会在AO(A)中被找到,而不会查找VO(G)中的x,变量y也会在AO(A)中被找到,变量z 在自身的AO(B)中就找到了。所以执行结果:2+1+1=4.

 简单的总结语

了解了JS引擎的工作机制之后,我们不能只停留在理解概念的层面,而要将其作为基础工具,用以优化和改善我们在实际工作中的代码,提高执行效率,产生实际价值才是我们的真正目的。就拿变量查找机制来说,如果你的代码嵌套很深,每引用一次全局变量,JS引擎就要查找整个作用域链,比如处于作用域链的最底端window和document对象就存在这个问题,因此我们围绕这个问题可以做很多性能优化的工作,当然还有其他方面的优化,此处不再赘述,本文仅当作抛砖引玉吧!

感谢阅读,希望能帮助到大家,谢谢大家对本站的支持!

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