探索JS引擎工作原理

时间：2024-04-01 23:36:50

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，输出 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：

1、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

        }

    }

];

2、 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)

        }

    }

];

3、 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.

4、总结

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！

by @一像素 2015

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