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Javascript 语义详解 - 从浏览器角度理解代码

  •  
  •   Daroson · 2014-05-09 19:25:34 +08:00 · 2034 次点击
    这是一个创建于 2015 天前的主题,其中的信息可能已经有所发展或是发生改变。
    初级,或者资深初级程序员,永远是从人的角度去看代码,结果就会产生“变量提升”(variable hoisting)之类不存在的概念,误人误己。比如国外某程序员写的[“进阶教学”博客][1]中,有这么一段代码:

    function foo() {
    return "A";
    }

    var oldFoo = foo;

    function foo() {
    return oldFoo() + "B";
    }

    console.log(foo()); // "AB"

    它的实际结果是 RangeError: Maximum call stack size exceeded ,而在此之前,这位程序员才刚刚讲完什么是“variable hoisting”。

    本文旨在教会大家进阶级程序员的第一课,即不再从表面的人的角度去看代码,而是从内在的机器的角度去看代码。而从机器的角度出发,Javascript代码的开始相当于一个全局function的调用,而function在调用后并不是马上一行行地运行下去,而是分为两个阶段:初始设定阶段以及正式运行阶段。
    ### 设定阶段 ###
    例1:

    console.log( a,b() )
    var a = 1
    function b() { return 2 }

    首先在执行前,浏览器会先把这些连着的“字符串”(string)分成一个个“字词”(token),期间会自动在有需要的行尾加上分号,然后再把这些字词组织成一个更方便操作的树状结构(AST),最后才开始执行(execution)。

    在设定阶段,会建立一个空的当前代码段(function)的变量表,它可以理解为一个变量名字(identifier)及其内存地址的对照表。

    然后会找到 function 这个字词,把它后面的那个字词(b)作为这个function的名字,再把 { 和 } 这两个字词之间的所有字词(这里为 return 2) 和一些相关属性(property)生成一个javascript里的Function object,作为这个function的值。并把这个值的内存地址和名字作为一个binding(绑定)存到变量表里。假如名字重复,则覆盖掉之前的值。(在最开始的例子中,后面的foo就覆盖掉了前面的foo,导致foo/oldFoo老在调用它自己,结果超出了call stack的大小)

    这之后会找到 var 这个字词,把它后面的那个字词(a)作为这个variable(变量)的名字,这里会先检查这个名字是否已在变量表中,如果在则直接跳过,因此不会覆盖之前的值,如果不在则分配一个内存地址给它,这个内存地址的值为undefined。最后把它们作为又一个binding存到变量表。

    到此设定阶段结束,开始调用 console.log( a,b() ) ,得到的结果为 undefined,2 。

    例2:

    var a = 1
    b(a)
    function b(c) { console.log(c) }

    一开始的设定阶段和例1一样,然后先是执行 a = 1,把1赋值给a的内存地址,于是a的值从undefined变为了1。
    之后调用 b(a) ,这里会暂停 全局代码 的执行,转而开始执行b。

    在b的设定阶段,会先把a的值(1)作为c的值,并存到变量表里,然后由于没有function和var这两个字词,设定阶段结束,开始调用 console.log(c) ,得到的结果为 1 。

    例3:

    var a = 1
    b(2)
    function b(c) {
    var d = 3
    console.log(d,c,a,this)
    }

    首先还是先声名b和a。而且在b的声名阶段,会把一个b的一个内部变量(无法直接在Javascript里访问),名字叫[[scope]],设为指向它声名时所在的变量表,在这里即全局的变量表,a和b以及它们的内存地址就是被存在这里。

    前面提到的function、var还有{ }等符号都属于浏览器认识的关键字词(keyword),当浏览器读到不认识的字词(名字)时,会首先到当前所在的变量表里找,如果没找到,就会去这个[[scope]],即上一层的变量表里面找,直到[[scope]]为空(null)时,浏览器就会提示 xxx is not defined 。

    这里声名完了后开始执行a=1,之后调用b(2),,这里会先把把Window,也就是global object(全局对象)的内存地址作为this的值。然后把2赋值给c,之后声名d,于是这一层的变量表即只有c和d。

    这时b的设定阶段结束,开始执行 d=3 和 console.log(d,c,a,this ) ,得到的结果为 3,2,1,Window{ ... } 。

    [总结]
    在function声名时,会设置它的[[scope]],即它的上一层的变量表,以及[[FormalParameters]],即所有形式参数的名字,最后是FunctionBody,即 { 和 } 之间的树形结构化了的代码(AST),并用它生成一个Function object作为以后的调用对象。

    而代码/function的设定阶段为:
    1.设置this,不同情况下它的地址也会不同。
    a.对一般function来说,它被设置成global/Window。
    b.当以objectXX.methodXX() 形式调用时,它被设置成objectXX。
    c.当以new XX() 形式时,它被设置成一个新的空object。
    d.当以XX.call()或XX.apply()形式时,它被设置成第一个参数。

    2.设定一个内存地址,它指向这个function声名时的[[scope]]。

    3.设定这一层的变量表。这一步又依次分为a.分配function的内存地址并赋值;b.如果[[FormalParameters]]里的参数名没有重复,则分配它一个内存地址并赋值;c.如果变量名没重复,则分配它一个内存地址但不赋值。

    以上这些共同构成了一个术语叫execution context的东西(代码执行上下文),而设定阶段其实就是把它创建起来的过程。

    [ES5]
    Ecmascript是Javascript的标准规范,以上的讲解主要是基于它的第3版(ES3),而当前的版本为ES5。(第4版是个失败所以直接到了第5版)

    ES3中的变量表就是一个对象叫做VariableObject,这种实现更容易理解,但在访问多层以上的变量时速度会越来越慢,后来的浏览器进行了优化,不再使用VariableObject,优化后的速度基本不会受层数影响。于是ES5里把VariableObject改为了一种抽象的标准,名字为lexical environment(词语环境)。

    实际这个lexical environment就是由原来指向[[scope]]的内存地址和VariableObject组成,只不过这个内存地址现在叫outer lexical environment(外部词语环境),而VariableObject现在叫environment record(环境记录),而this在ES5标准里也改名叫thisBinding,并与lexical environment共同构成ES5里的execution context。

    ES3和ES5的概念之间的差别其实不大,但却都有一个差别很大的名字,而ES5里还添加了一些这样的东西,因为我认为它们对本文的帮助不大却会大大增加理解难度,所以被我去掉了,想要彻底了解的话可以参考:

    http://dmitrysoshnikov.com/ecmascript/es5-chapter-3-1-lexical-environments-common-theory/
    http://ecma262-5.com/ELS5_HTML_with_CorrectionNotes.htm#Section_10.2

    ### 运行阶段 ###
    在function后面 { 和 } 之间的源代码在浏览器转换过后会变成一个 语句列表(StatementList),而它的每一行都是一条语句(Statement),function的运行其实就是对这一条条语句依次evaluate(求值)的过程。

    之所以取名叫evaluate,可能是因为计算机实质上只会做两件事:对值进行 转换(运算)和 传输(载入/保存)。

    [转换]
    转换通常是通过操作符(operator)实现的,最常见的是+和-等,比较特殊的是==和!等,比较少见的是>>和typeof等。

    而因为Javascript源代码是以UTF-16为格式的一长串字母和符号(string),比如"123"其实是3个16位的"字母" 连成的,所以它在运算前会先转成IEEE 754格式的64位浮点数。(而它最小可以转成一个8位的整数)
    undefined、true、false、数字(45092,1.345等)、string("abc", "a bc defg"等)还有“{ ... }”和“[ ... ]”,这种UTF-16格式的值可以直接转换为它真正的值的“词语”被术语称为literal(字面的)。

    除了literal以外,还有两种“词语”会在运算前作转换:

    [a.变量]
    变量,其实就是一个named value(命名了的值),对变量的转换就是把它的名字变成它的值,方法是去查当前变量表,如果查到,则它的值为绑定的内存地址里的那个值;如果没查到,就去查上层变量表([[scope]]),如果[[scope]]为空(null)则值它is not defined。

    最近新出版了一本书花了90多页专门讲解scope和closure,(不禁让我回想起那些整本都在讲C语言指针的书)在这里我只用2段话:

    scope即变量表,包括当前的和所有上层的。(scope中文可以翻译为 一眼可以看到的景物,对于function来说,scope就是 一眼可以看到的变量)

    closure,宽泛地说,是function这个概念的一种实现,属于变量的function就是closure,即像其它变量一样可传递和返回的function;(在静态语言的实现中,function无法传递和返回,因为它们的function只有在执行时才得到它需要的变量,执行完后这些变量就消除,而Javascript中function在声名时便生成了一个上层变量表([[scope]]),只要function不消除这个[[scope]]就不会消除)而具体地说,为了与Javascript中的普通function区分,closure特指那些访问了 [[scope]] 中的变量 的function。

    [b.property]
    当浏览器看到 a.b 的时候,它不会去变量表里查b的值,因为b是a的一个property。property英文意思除了属性外,更主要的意思是财产,或者说附属品,因此在编程里它的意思可以理解为“附属变量”。

    要理解property,首先要理解object。如果说property对应的是文件,那么object对应的就是文件夹,所谓的“一切皆object”,就是把所有的变量都放到一个object里。虽然智商正常的人应该都不会说:“硬盘里的一切皆文件夹”。

    正确一点的说法是:“一切皆由object组织“。因为object可以理解为一种结构,从图像思维上看,多个object就会形成一个树状的结构,而这种结构可以用来组织任意数量的人或物,比如现实里的物种/图书/商品的分类,军队/公司/政府的编制等等。

    计算机里的数据假如不这么组织,那么一个纯粹的string/array/function就只有它自己,没有property,这样虽然占用的空间少,但像array.length或array.foreach(...)这样方便的操作就无法实现,更不用说 a.b.c.d 这样的链式调用了。

    object,这里暂称它为“变量夹”,特殊的地方在于它里面的变量可以“继承”,使得在子变量夹里可以获取到父变量夹里的变量,但通常一个父变量夹里既有需要被继承的变量,也有不需要被继承的,因此Javascript可以在父变量夹里建一个叫prototype的变量夹,用来存放那些需要被继承的变量。之后子变量夹里会自动建一个叫[[proto]]的内部变量,它的值便是它父变量夹的prototype。(的内存地址)

    任何object的prototype都可以赋值或更改,但[[proto]]是内置的无法直接更改,它取决于object的创建方式:

    var o = { ... }
    o.[[proto]]指向Object.prototype,而Object.prototype默认是一个空的object({}),所以没继承任何变量。(这个Object是Javascript里一个全局object变量的名字,所有Javascript里的object都默认以它为原型)

    var o = new Xxx( ... )
    o.[[proto]]指向Xxx.prototype。

    var o = Object.create( Xxx, { ... } )
    o.[[proto]]指向Xxx,Xxx可以是null也可以是任意object。

    所谓的继承,就是当浏览器在当前变量夹找不到某个property时,会自动去它的[[proto]]里面找,依此类推,直到[[proto]]为null为止(property与变量的查找原理一模一样,这就是为什么ES3里会用VariableObject来表示变量表)

    比如浏览器在evaluate a.b 时,会先去变量表找a的内存地址,而它值就是一个变量夹,然后再到这个变量夹里找b。而如果是 a[b] 这种形式,则是会先转换b的值(evaluate),这个值如果不是字符串(string)会强制转换为字符串,然后再到a变量夹里找这个字符串对应的变量。

    [传递]
    计算机语言中最误导人的运算符无疑是 =,它其实不是在表达一种相等的关系,而是把右边求得的值传递到左边求得的 内存地址 上。我想一个更恰当的符号应该是 ←,比如a ← b,a ← 3+5。

    而值传递在Javascript中具体还分为两种,直接和间接传递。直接传递通常用于数字或可以用数字表示的值,比如true/false和内存地址(假如CPU是32位则内存地址就是一个32位的2进制数,64位CPU则是64位,依此类推),而比较大的、无法用一个数表示的值,则不会被直接传递,而是只传递这个值所在的内存地址。比如

    a = { a:1,b:2,c:3 }

    这里浏览器在把 { a:1,b:2,c:3 } 转换成对应的值后,会返回这个值所在的内存地址,亦即一个数字,然后把这个数字传递给a在变量表里对应的内存地址。

    内存地址之所以是个数字,是因为某种程度上说内存里的每一个字节(byte)都有一个编号,一个1GB(giga byte)的内存就有10亿以上(2的20次方)个编号,而在硬件底层有一个类似于 getMem(编号,大小) 的机器指令,假如编号是123,大小是20,那么这个指令就会把编号123到142里的20个字节取出来。(一台电脑主要有3块内存:CPU内存,显卡内存,声卡内存;想运行软件就要往CPU内存传递数据,想播放声音就要往声卡内存传递数据,想显示图像就要往显卡内存传递数据)

    Javascript中除了 =,还有一些其它的值传递,它们理论上说都应该改为用←来表示:
    { a: 1,b: 'abc' } :{ a← 1,b← 'abc' } </td>
    a(1,'abc') :a← 1,'abc'
    return 1 :1 →

    CPU里有一个寄存器(功能与内存一样,但更快也更贵,只用来存放最经常转换/传递的值),它的值是当前正在执行的机器指令的内存地址,当浏览器往这里传递一个 代表内存地址的数字 时,程序就会跳转到那个地址开始继续执行里面的指令,所以if、while、switch等语句实质上也是在传递值。

    具体Javascript里共有多少种操作符和语句,可以参考 [Expressions][2] 和 [Statements][3]。

    [理论与实践]
    这篇文章里总结了我认为Javascript中最重要的理论知识,应该说理解之后除了EMCA标准外就不用再看理论相关的书或文章了,这时应把时间花在动手实践上,去熟悉和掌握 原生的DOM API、第3方的库/框架/插件、代码的组织与测试等等。

    ----------


    [1]: http://blog.buymeasoda.com/advanced-javascript-fundamentals/
    [2]: http://es5.github.io/#x11
    [3]: http://es5.github.io/#x12
    4 回复  |  直到 2014-05-10 20:32:48 +08:00
        1
    ql9075   2014-05-10 00:39:10 +08:00
    先收藏。
        2
    tongxunlu   2014-05-10 11:32:57 +08:00
    貌似通篇只是用了一个例子来否定
    “变量提升”(variable hoisting),而我觉得这个例子好像和“变量提升”没什么关系。。。
    后面的都是大路货
    不过总结的还是不错
        3
    Daroson   2014-05-10 13:30:13 +08:00
    @tongxunlu 哪里还能看到这种“大路货”?
        4
    fwee   2014-05-10 20:32:48 +08:00
    @tongxunlu @Daroson 这连大路货的等级都不够,生造概念,言语晦涩,漏洞百出,自以为是。随便个大路货比这强多了
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