深入理解JavaScript堆栈、事件循环、执行上下文和作用域以及闭包

2024-01-10 19:11 由 easylee 发表于 #前端开发

1. 堆栈

在JavaScript中，内存堆是内存分配的地方，调用栈是代码执行的地方。

原始类型的保存方式：在变量中保存的是值本身，所以原始类型也被称之为值类型。

对象类型的保存方式：在变量中保存的是对象的“引用”，所以对象类型也被称之为引用类型。
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调用栈理解非常简单，当遇见一个方法时推入调用栈中，执行一个方法弹出栈，每一个方法称为一个调用帧。

2. 事件循环

理解了堆栈之后，接着来看一下与之相关的事件循环。

首先需要明确的是JavaScript是单线程语言，所有代码都执行在一个线程中，这通常会导致一个问题，当一个方法耗时过长，整个页面随之卡住，所以为了避免这种情况发生，JavaScript中存在事件循环的机制(并非JavaScript创造)，来循环执行事件，堵塞的事件通过循环在后期再来判断是否执行完成，比如读取接口，后期再来看接口是否请求完成，请求完成之后再执行对应的回调函数（接口请求是浏览器提供的能力，不占用单线程）。

事件循环也就是将任务分为同步任务和异步任务，任务按照顺序进行执行。

事件循环中一个重要概念是宏任务和微任务，宏任务也就是线程中首先一轮执行的函数，微任务也就是宏任务里面的任务，类似进程和线程的关系，宏任务是进程，微任务是线程，下面来看一下三者之间的关系：

事件循环，其实循环的就是宏任务和微任务，当宏任务中有微任务时，执行里面的微任务。

下面来看一下在JavaScript中具体哪些函数是宏任务，哪些是微任务：

macro-task(宏任务)：包括整体代码script，setTimeout，setInterval
micro-task(微任务)：Promise，process.nextTick(node代码, 类似vue中this.$nextTick)

具体来看一下执行流程：

整体script作为第一个宏任务进入主线程；
遇到setTimeout 、 setInterval，其回调函数被分发到宏任务事件队列中；
遇到process.nextTick()，其回调函数被分发到微任务事件队列中；
遇到Promise，new Promise函数体内容直接执行。then等回调部分被分发到微任务事件队列中；
微任务在宏任务执行后开始执行，比如微任务属于第一个宏任务，那么第一个宏任务执行完，就执行第一个宏任务里面的微任务，也就是说 script 里面要是包含微任务，那么是先于 setTimeout 等第二轮执行的宏任务的；
第一轮执行完成后，开始第二轮，也就是setTimeout 、 setInterval 回调函数里面的内容，属于第二轮宏任务，如果里面包含微任务，那么紧接着回调函数里面内容执行完之后开始执行；
如果微任务里面还包含微任务，那么是紧接着外层的微任务开始执行的。

注意在node有一些不同，存在下面的优先级顺序：process.nextTick() > Promise.then() > setTimeout > setImmediate

下面来看一个具体的例子：

console.log('1');

setTimeout(function() {
    console.log('2');
    process.nextTick(function() {
        console.log('3');
    })
    new Promise(function(resolve) {
        console.log('4');
        resolve();
    }).then(function() {
        console.log('5')
    })
})
process.nextTick(function() {
    console.log('6');
})
new Promise(function(resolve) {
    console.log('7');
    resolve();
}).then(function() {
    console.log('8')
})

setTimeout(function() {
    console.log('9');
    process.nextTick(function() {
        console.log('10');
    })
    new Promise(function(resolve) {
        console.log('11');
        resolve();
    }).then(function() {
        console.log('12')
    })
})

第一轮事件循环流程分析如下：

整体script作为第一个宏任务进入主线程，遇到console.log，输出1。
遇到setTimeout，其回调函数被分发到宏任务Event Queue中。我们暂且记为setTimeout1。
遇到process.nextTick()，其回调函数被分发到微任务Event Queue中。我们记为process1。
遇到Promise，new Promise直接执行，输出7。then被分发到微任务Event Queue中。我们记为then1。
又遇到了setTimeout，其回调函数被分发到宏任务Event Queue中，我们记为setTimeout2。

宏任务Event Queue	微任务Event Queue
setTimeout1	process1
setTimeout2	then1

上表是第一轮事件循环宏任务结束时各Event Queue的情况，此时已经输出了1和7。
我们发现了process1和then1两个微任务。
执行process1,输出6。
执行then1，输出8。

好了，第一轮事件循环正式结束，这一轮的结果是输出1，7，6，8。那么第二轮时间循环从setTimeout1宏任务开始：

首先输出2。接下来遇到了process.nextTick()，同样将其分发到微任务Event Queue中，记为process2。new Promise立即执行输出4，then也分发到微任务Event Queue中，记为then2。

宏任务Event Queue	微任务Event Queue
setTimeout2	process2
	then2

第二轮事件循环宏任务结束，我们发现有process2和then2两个微任务可以执行。
输出3。
输出5。
第二轮事件循环结束，第二轮输出2，4，3，5。
第三轮事件循环开始，此时只剩setTimeout2了，执行。
直接输出9。
将process.nextTick()分发到微任务Event Queue中。记为process3。
直接执行new Promise，输出11。
将then分发到微任务Event Queue中，记为then3。

宏任务Event Queue	微任务Event Queue
	process3
	then3

第三轮事件循环宏任务执行结束，执行两个微任务process3和then3。
输出10。
输出12。
第三轮事件循环结束，第三轮输出9，11，10，12。

整段代码，共进行了三次事件循环，完整的输出为1，7，6，8，2，4，3，5，9，11，10，12。 (请注意，node环境下的事件监听依赖libuv与前端环境不完全相同，输出顺序可能会有误差)。

3. 执行上下文

接着来看一下执行上下文，简而言之，执行上下文是评估和执行 JavaScript 代码的环境的抽象概念。每当 Javascript 代码在运行的时候，它都是在执行上下文中运行。

JavaScript 中有三种执行上下文类型：

全局执行上下文 — 这是默认或者说基础的上下文，任何不在函数内部的代码都在全局上下文中。它会执行两件事：创建一个全局的 window 对象（浏览器的情况下），并且设置 this 的值等于这个全局对象。一个程序中只会有一个全局执行上下文。
函数执行上下文 — 每当一个函数被调用时, 都会为该函数创建一个新的上下文。每个函数都有它自己的执行上下文，不过是在函数被调用时创建的。函数上下文可以有任意多个。每当一个新的执行上下文被创建，它会按定义的顺序（将在后文讨论）执行一系列步骤。
Eval 函数执行上下文 — 执行在 eval 函数内部的代码也会有它属于自己的执行上下文，但由于 JavaScript 开发者并不经常使用 eval，所以在这里不会讨论。

总结一下，执行上下文大体分为全局和函数执行上下文，也就是执行环境，函数可以读取外部函数的变量，通常也称为闭包，通过这个原理，相比静态语言，可以更灵活的获取外部的参数。

执行上下文的不同，直接导致 this 值内容的不同。

同时一个执行上下文将会创建一个上面的执行栈，而不是所有的执行上下文的所有方法共用一个执行栈。

4. 作用域

作用域这个内容非常简单，基本上所有语言都存在作用域，在JavaScript中，需要注意一点，函数中创建的值是在创建的时候获得的，而不是调用，通过代码来看一下：

let x = 10
function fn() {
  x = 20
  console.log(x)
}
function foo() {
  x = 30
  fn()  // 20
}
foo()

上面代码打印的值仍然是20，因为创建 fn 函数时，对应的作用域里面的值为20，而不是调用 fn 时，foo函数作用域里面的值。

这里有一个注意点，我们来看下面的代码：

let x = 10
function fn() {
  console.log(x)
}
function foo() {
  x = 30
  fn()  // 30
}
foo()

上面的代码会打印30，这是怎么回事，不是说再创建的位置取值吗？

答案是，确实是在创建的位置，但是先执行的foo函数，把外层的x的值变更了，下面的代码能解释这个问题：

let x = 10
function fn() {
  console.log(x)
}
function foo() {
  let x = 30
  fn()  // 10
}
foo()

可以看到，打印的其实并不是foo函数里的值，而是创建函数时的值。

接着我们要理一下，什么是创建时的值，这里要引出一个概念，作用域链，也就是取值的链条：

现在当前作用域查找a，如果有则获取并结束，如果没有则继续；
如果当前作用域是全局作用域，则证明a未定义，结束，否则继续；
（不是全局作用域，那就是函数作用域）将创建该函数的作用域作为当前作用域；
跳转到第一步。

var a = 10
function fn() {
  var b = 20
  function bar() {
    console.log(a)	// 10
    console.log(b) // 20
  }
  return bar
}
var x = fn()
var b = 200
x()

总结一下

函数上下文环境是在函数执行时创建的，同时在上下文中生成了对应的变量，同一个函数根据传递进来的参数不同，里面的变量也会不同；

而作用域是函数创建时就产生了，作用域作用域，说白了就是这个函数自己的地盘，无论是否调用，反正这个函数都拥有这个地盘了；

只有当调用时才会创建上下文环境，并且可能不止一个，比如通过传递不同参数，可能会创建多个上下文环境，上下文环境说白了就是在这个环境中变量的值是什么，以便使用。

5. 闭包

前面铺垫了那么多内容，主要是用于引出闭包，闭包就是能够读取其他函数内部变量的函数。在javascript中，只有函数内部的子函数才能读取局部变量，所以闭包可以理解成“定义在一个函数内部的函数“。在本质上，闭包是将函数内部和函数外部连接起来的桥梁。

下面我们来看看闭包运用的两种形式：

第一，函数作为返回值：

function fn() {
  var max = 100
  return function bar(x) {
    if (x > max) {
      console.log(x)
    }
  }
}
var f1 = fn()
f1(115)

上面返回的内部函数就是一个闭包，它可以读取其外部fn函数的max值，从这种情况来说，下面的情况也是闭包：

var max = 100
function fn() {
  console.log(max)
}
fn()

从上面两段代码可以看出，所有的函数其实只要函数内部能够读取了其外部的变量，都可以称为闭包，也就是说，所有函数都是闭包，因为一个函数最少也是可以读取全局环境下的变量的，只是第二段代码通常不是闭包的常见使用形式，常见的使用形式还是将函数作为返回值

第二，函数作为参数传递：

var max = 10
var fn = function (x) {
  if (x > 100) {
    console.log(x) // 不打印任何东西
  }
}
;(function (f) {
  var max = 100
  f(15)
})(fn)

函数作为参数传递，进入另一个函数作为另一个函数的内容，此时传递的这个函数就是一个闭包，注意一下，这里的max根据前面的作用域原则，是读取函数定义时的max，而不是调用时。

参考文章

阮一峰《JavaScript 运行机制详解：再谈Event Loop》：https://www.ruanyifeng.com/blog/2014/10/event-loop.html
异步和 event-loop：https://github.com/wangfupeng1988/js-async-tutorial/blob/master/part1-basic/02-event-loop.md