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前言

在说一个概念前,我们需要确定它的前提,此文以 ECMAScript5 为基础撰写

一句话解释

执行上下文就是一段代码执行时所带的所有信息

执行上下文是什么

《重学前端》的作者 winter 曾经对什么是执行上下文做过这样的解释:

JavaScript 标准把一段代码(包括函数),执行所需的所有信息定义为:“执行上下文

并且他整理出在不同 ECMAScript 版本中执行上下文所代表的含义:

执行上下文在 ES3 中,包含三个部分。

  • scope:作用域,也常常被叫做作用域链
  • variable object:变量对象,用来存储变量的对象
  • this value: this 值

在 ES5 中,我们改进了命名方式,把执行上下文最初的三个部分改成下面这个样子

  • lexical environment:词法环境,当获取变量时使用
  • variable environment:变量环境,当声明变量时使用
  • this value: this 值

在 ES2018 中,执行上下文又变成了这个样子,this 值被归入 lexical environment,但是增加了不少内容

  • lexical environment:词法环境,当获取变量或者 this 值时使用
  • variable environment:变量环境,当声明变量时使用
  • code evaluation state: 用于恢复代码执行位置
  • Function:执行的任务是函数时使用,表示正在被执行的函数
  • ScriptOrModule:执行的任务是脚本或者模块时使用,表示正在被执行的代码
  • Realm:使用的基础库和内置对象实力
  • Generator:仅生成器上下文有这个属性,表示当前生成器

总结的很完整,按照 选新不选旧 原则,本文应该以 ES2022 为切入点展开,最次也要 ES2018,但主流的解释执行上下文都以 ES3/ES5 为例,权衡之后,笔者将以 ES5 为基础撰写执行上下文,并在后续补充说明 ES3 中的执行上下文

执行生命周期

我们在讲 词法环境 时,曾经画过一张执行生命周期图,当时所讲的词法环境是在(预)编译阶段产生,现在讲的执行上下文是在引擎执行阶段进行

一段代码如果要执行,首先会往调用栈(call stack)中压入全局执行上下文;再创建词法环境,此时变量该提升提升,函数该提升提升,并将这些变量登记到词法环境中(编译阶段);接着进入执行阶段,执行可执行代码,该赋值赋值,遇到函数,就创建一个函数执行上下文,并往调用栈中压入该函数的执行上下文;而后创建该函数的词法环境,当该函数执行完后,从调用栈中弹出;反复循环,到最后调用栈中只剩一个全局执行上下文,除非你关闭浏览器,不然全局执行上下文不会弹出

我们要往调用栈中压入执行上下文,调用栈的数据结构为 。特点为先进后出

如果我们的代码是这样的

var a = 1;

function foo() {
    function bar() {
        console.log(a);
    }

    bar();
}

function baz() {
    foo();
}

baz();

那么执行过程应该是这样:

执行上下文-example

图中的蓝色方块为 执行上下文 ,外面黑框白底的区域就是模拟 调用栈。整个过程遵循先进后出的原则

  • 在任何代码执行之前,先创建全局执行上下文,并往调用栈中压栈(编译阶段)
  • 创建词法环境,登记函数声明和变量声明(编译阶段)
  • 引擎执行到 baz() ,创建 baz() 的函数执行上下文,并往调用栈中压栈
  • 函数 baz() 调用 foo() ,创建 foo() 执行上下文,并将其压入调用栈中,
  • 函数 foo() 调用 bar() ,创建 bar() 执行上下文,并将其压入调用栈,
  • 函数 bar() 执行 console.log() ,同理将其压入调用栈,
  • 执行完 console.log() 后,被弹出
  • 函数 bar() 执行完毕,弹出调用栈
  • 函数 foo() 也执行完毕,弹出调用栈
  • 函数 baz() 同样执行完毕,弹出调用栈

只剩下全局执行上下文,留在栈底

在这里,我们看到 console.log() 也被压入到执行栈中,不禁有个思考,哪些代码元素会被执行到调用栈中呢?

可执行代码

事实上,不仅仅是 function 可以作为执行上下文在执行栈中运行,在 JavaScript 里定义了四种可执行代码:

  • global code:整个 js 文件
  • function code:函数代码
  • module:模块代码
  • eval code:放在 eval 的代码

所以才会看到 console.log() 被压入调用栈中,因为它属于 global code

执行步骤

JavaScript 引擎是按照可执行代码来执行代码的,每次执行步骤如下:

  1. 创建一个新的执行上下文(Execution Context)
  2. 创建一个新的词法环境(Lexical Environment)
  3. 把 LexicalEnvironment 和 VariableEnvironment 指向新创建的词法环境
  4. 把这个执行上下文压入执行栈并成为正在运行的执行上下文
  5. 执行代码
  6. 执行结束后,把这个执行上下文弹出执行栈

如何创建执行上下文

到现在,我们已经知道 JavaScript 是如何管理执行上下文的,现在让我们了解一下 JavaScript 引擎是怎样创建执行上下文的

创建执行上下文有两个阶段:1) 创建阶段2) 执行阶段

创建阶段

在 JavaScript 代码执行前,执行上下文将经历创建阶段。在创建阶段会发生以下三件事:

  • this 值的确定,即我们所熟知的 this 绑定
  • 创建词法环境组件(LexicalEnvironment component )
  • 创建变量环境组件(VariableEnvironment component )

所以执行上下文在概念上表示如下:

ExecutionContext = {
    ThisBinding = <this value>,
    LexicalEnvironment = { ... },
    VariableEnvironment = { ... },
}

这里需要再多嘴一句:

在很多文章中我们看到执行上下文只有 LexicalEnvironment 和 VariableEnvironment ,并没有 this。那是因为在 ES2018 后,this 就归纳到 LexicalEnvironment (如上文 winter 所说),但本文是以 ES5 为基础撰写,故此版本的执行上下文中是有 this 的

this 绑定

this 的指向很简单,谁调用我,我只想谁

在执行上下文中,this 就指向那个调用者

词法环境组件 和 变量环境组件

这两”姐妹“有点像,只是分工不同。

变量环境组件(VariableEnvironment component ) 用来登记 varfunction 等变量声明

词法环境组件(LexicalEnvironment component ) 用来登记 letconstclass 等变量声明

按上例可以这么画图:

执行上下文-example

LexicalEnvironmentVariableEnvironment 则都是词法环境(Lexical Environment)。很多文章中常把 LexicalEnvironment 理解成 词法环境,这是不对的,LexicalEnvironment 是一个单词,表示执行上下文中的是标识 letconstclass 等变量声明,而 VariableEnvironment 则是标识 varfunction 等变量声明

如果非要用中文来表示 LexicalEnvironment 的话,我更愿意用 词法环境组件 来表示;同理,VariableEnvironment 则用 变量环境组件 来表示

对我而言,变量环境组件和词法环境组件就好比”装黄豆瓶“和”装绿豆瓶“,一个负责装黄豆(var,function),一个负责装绿豆(let,const,class),它们指向词法环境,本质是从词法环境中拿数据

所以无论是词法环境组件还是变量环境组件,都有一个环境记录器和一个 outer 对象,其中环境记录器记录变量,outer 指向父级作用域

具体可以看 ECMAScript 6 标准中的第八节 详细了解一下

回头看上述例子:

执行上下文-example

bar() 函数中的 console.log(a) ,本环境记录器中找不到,就引着 outer 找,在 window 中找到变量 a ,赋值后,弹出,foo() 执行完后也弹出,baz() 执行完弹出,留下全局执行上下文在栈底

之前在说 词法环境 时,我们曾下过这样的定义:outer 就是指向词法环境的父级词法环境(作用域)

但是这里就有个疑惑了,outer 既然指词法环境的父级作用域,那作用域链从那里来?

以上面的 demo 为例,bar 的执行上下文的伪代码:

BarExecutionContext = {
    ThisBinding = <Global Object>,
    LexicalEnvironment = {
           EnvironmentRecord: { ... },
        outer: <FooLexicalEnvironment>
    },
    VariableEnvironment = {
        EnvironmentRecord: { ... },
        outer: <FooLexicalEnvironment>
    },
}

bar 的 outer 指向 foo 执行上下文, foo 的 outer 指向 window,变量先从当前执行作用域查找变量,如果找不到,就引着 outer 继续查找。这一过程中,bar 作用域—foo 作用域—window 作用域。

当代码要访问一个变量时——首先会搜索当前词法环境,然后搜索外部环境,然后搜索更外部的环境,以此类推,直到全局词法环境

而我们潜意识中的”作用域链“是在 ES3 中的才有的,因为那个时候的执行上下文中有 scope(作用域),当前作用域找不到变量,就往外层作用域中找,然后再到更外层的作用域找,知道全局作用域,作用域与作用域之间以链表的形式连接着,这就是作用域链

执行上下文有几种

分三种

  • 全局执行上下文
  • 函数执行上下文
  • eval 执行上下文

ECMAScript3 中的执行上下文

如果你喜欢看有关执行上下文的文章,应该常看到这样的描述,执行上下文由变量对象(Variable object,VO)、作用域链(Scope chain) 、this 构成。

其实我们可以把变量对象(VO) 看成是 ES5 中的词法环境,scope 为词法环境中的 outer

如何追踪执行上下文栈

例如:

function foo1() {
    foo2();
}
function foo2() {
    foo3();
}
function foo3() {
    foo4();
}
function foo4() {
    console.lg('foo4');
}
foo1();

得到错误提示如图:

执行上下文-example

或者在 Chrome 中执行代码,打断点得到:

执行上下文-example

关于变量对象与活动对象

笔者最开始了解执行上下文、执行上下文栈以及闭包时,大家是用变量对象和活动对象来解释的,这是 ES3 时的词汇,而本文是以 ES5 为标准展开

其两者的涵义简单来说,变量对象(Variable object)是与执行上下文相关的对象,存储了在上下文中定义的变量和函数声明。而在函数上下文中,我们用活动对象(activation object,AO)来表示变量对象

作用域在(预)编译阶段确定,但是作用域链是在执行上下文的创建阶段完成生产的。因为函数在调用时,才会开始创建对应的执行上下文。执行上下文包括了:变量对象、作用域链以及 this 的指向

总结

执行上下文可以理解为函数的执行环境,当函数执行时,都会创建一个执行环境

每次只能有一个执行上下文处于运行状态,因为 JavaScript 是单线程语言,它由执行栈或(叫)调用栈来管理

创建一个函数,就生成了一个作用域;调用一个函数,就生成一个作用域链

执行上下文创建阶段分为绑定 this,创建词法环境,变量环境三步

调用函数时,创建一个新的词法环境

词法环境这个说法,是 ES5 规范中的内容,可以理解为 ES3 中的变量对象,scope 为 词法环境中的 outer

在 ES5 中,词法环境变量环境 的一个不同就是前者被用来存储函数声明和变量(letconst)绑定,而后者只用来存储 var 变量绑定

在 ES3 时,执行上下文包括了变量对象、作用域链以及 this

在 ES5 时,执行上下文则包括词法环境、变量环境、this。其中词法环境或者变量环境都是由用于环境记录器和 outer 对象组成,其中 outer 指向父级作用域,环境记录器记录自由变量

ES3与ES5执行上下文

Q&A

Q:是不是说在定义时确认了作用域,在调用时确认了作用域链?

A: yes,这里需要注意的是每一个执行上下文都会进行提升操作

Q: ES5 中的执行上下文的词法环境和编译阶段的词法环境有什么不同?

A:一段 JavaScript 代码在执行之前需要被 JavaScript 引擎编译,编译完成之后,才会进行执行阶段,大致流程如下:
JavaScript 的执行流程图

参考资料

系列文章


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