JavaScript 中的作用域链(scope chain)和闭包

JavaScript 中有一个很重要很重要很重要的概念就是闭包。重要的事情要说三遍!敲敲黑板,打瞌睡的同学醒醒,下面讲的是重点!

据说有很多老司机都有可能在这个地方翻车。在这里,年轻的司机要重新开车啦,有需要的乘客赶紧刷卡上车。

笔者之前写有一篇有关变量提升和作用域的文章,配合食用口味更佳,本文不再过多赘述作用域有关的知识了。

执行环境(execution context)及作用域链(scope chain)

执行环境(execution context)是 JavaScript 中最为重要的一个概念。注意,没有之一。执行环境定义了变量或函数有权访问的其他数据,决定了它们各自的行为。每个执行环境都有一个与之关联的变量对象(variable object),环境中定义的所有变量和函数都保存在这个对象中。我们自己编写的代码无法访问这个对象,但是解析器在处理数据时会在后台使用它。

全局执行环境

全局执行环境就是最外围的执行环境。根据 JavaScript 实现所在的宿主环境的不一样,表示执行环境的对象也不一样,在 Web 浏览器中,全局的执行环境就是 window 对象,所以我们说,一旦在最外围声明了一个变量或者函数,都会自动成为 window 对象下的一个属性或方法。某个执行环境的代码要在执行完毕之后都应该会被销毁,其中的所有变量和方法都会被销毁。但是全局执行环境会等到程序结束(关闭网页或者浏览器)时才会被销毁。

执行环境

虽然笔者也很疑惑为什么函数的执行环境不叫局部执行环境或者叫函数执行环境,只分全局执行环境和函数的执行环境。那大家还是按照规范称呼吧。

每个函数都有自己的执行环境。当执行流进入了一个函数时,函数的环境就会被推入一个环境栈之中。而在函数执行后,栈将环境弹出,把控制权返回给之前的执行环境。JavaScript 程序中的执行流正是由这个机制控制着。这里有一点点像栈方法,大家可以在脑海里脑补一下栈方法,后进先出。

作用域链

当代码在一个环境中执行的时候,会创建变量对象的一个作用域链(scope chain)。作用域链的用途,是保证对执行环境有权访问的所有变量和函数的有序访问。作用域的前端,始终都是当前执行的代码所在环境的变量对象。如果这个环境势函数,则将其活动对象(activation object)作为变量对象。活动对象最开始就只包含一个内部的变量,即 arguments 对象(注意在全局环境中不存在这个对象)。而作用域中下一个变量对象来自于包含(外部)环境,再下一个变量则来自再下一个包含环境,一直延伸到全局的执行环境。全局执行环境永远是作用域链中的最后一个对象。

就好像,假设我们要找一家旅店(变量)下榻,我们最开始肯定是找方圆一百米的旅店(函数的执行环境),但是一旦方圆一百米内我们没有找到旅店,那我们只能扩大搜索范围,去找方圆一公里以内的所有旅店(下一个包含环境),直到找遍整个城市,最终找到我们所要找的旅店。

话说的再多不如上代码来的实在:

var first = "first";
function first() {
    var second = "second";
    function second() {
        var third = "third";
        //在这可以访问到 first 、second、third
    }
    //在这里可以访问到 first、second
}
//在这里只能访问到 first

以上的代码就有三个环境,一个是全局环境,另外是 first() 局部环境和 second() 局部环境。而它们的访问权限我已经在注释中标出来了。内部环境可以通过作用域链访问所有的外部环境,但是外部环境不能访问内部环境中的任何变量和函数。这些环境之间的联系是线性、有次序的。

不过这里面有一个小坑,既然说到这,我就顺便提一下,新手上路估计没踩过,但是老司机估计已经遇到过了。我们在写上面的代码时候,假设我们忘记给变量 third 前面加 var,我们都知道,如果函数内变量前如果没有 var,那这个变量就会自动变成全局变量,这个说法并没有错,但是有一个情况,我们看下面的代码:

var name = "first";
function first() {
    var name = "second";
    function second() {
        name = "third";
        console.log(name);
    }
    second();
    console.log(name);
}
first();
console.log(name);

上面的代码,有3个名字叫 name 的变量,分别在三个环境中,我们都知道,变量有作用域,如果是正常的三个同名变量,在局部中覆盖全局的值,正常应该就是输出 third、second、first,但是我们如果在最里面的 name中忘了加 var,按照资料所说,是不是推测输出的结果是:third、second、third?因为声明了全局变量呀?

既然我这么说了当然结果不是这样,输出结果 third、 third、first 。什么?全局变量 name 居然没有改变?当然其实在日常使用中,遇到这种情况几乎不可能,声明不加 var 这本来就不符合规范。那我们就先用不符合规范的眼光来看待这个情况吧。

当我们在函数的作用域中声明变量没有使用 var 的时候,会去外部环境去寻找同名变量,直到找到全局变量,如果都找不到这个属性,就会声明成全局变量。但是一旦找到同名变量,就会将值赋给同名变量。上面的情况也是一样,当找到了函数 First 发现有同名变量,将值赋给 First 中的 name ,同时就停止查找了,所以并没有影响到全局变量中的 name

延长作用域链

虽然执行环境的类型总共只有两种——全局和局部(函数),但是还是有其他办法来延长作用域链。这么说是因为有些语句可以在作用域链的前端临时增加一个变量对象,该变量对象会在代码执行后被移除。具体来说,就是当执行流进入下列任何一个语句时,作用域链就会得到加长。

下面两种情况都会发生这种现象:

  • try-catch 语句的 catch 块
  • with 语句

这两个语句都会在作用域链的前端添加一个变量对象。

  • with 语句来说,会将制定的对象添加到作用域链中。
  • catch 语句来说,会创建一个新的变量对象,其中包含的是被抛出的错误对象的声明。

这边不多加赘述了。

闭包

听说很多老司机总是搞不清匿名函数闭包这两个概念。其实闭包是指有权访问另一个函数作用域中变量的函数。创建闭包的最简单的方式,就是在一个函数的内部创建另一个函数。

不过我们更多时候的形容是:一个函数调用了另一个函数的变量的函数,我们称为闭包。毕竟,一个函数内部的函数,如果没有用到外部函数的值,那跟它外部究竟有没有函数这又有什么关系呢,都自力更生了。

闭包与变量

作用域链的配置机制引出了一个值得注意的副作用,即闭包只能取得包含函数中任何变量的最后一个值。

<body>
    <button>我是第0个按钮</button>
    <button>我是第1个按钮</button>
    <button>我是第2个按钮</button>
    <script type="text/javascript">
        var btns = document.getElementsByTagName("button");
        for(var i = 0; i < btns.length; i++){
            btns[i].onclick = function() {
                alert("我是第" + i + "个按钮");
            }
        }
    </script>
</body>

这是一个很经典的利用循环来给按钮赋值的一个例子。我们的设想是我们点击按钮的时候,点击第一个按钮提示 “我是第0个按钮”,点击第二个按钮提示 “我是第1个按钮”,以此类推。但是事实上,当我们运行的时候就会发现,无论点击哪个按钮,都会提示:“我是第3个按钮”。此时每个函数都引用着保存变量 i 的同一个变量对象,所以在每个函数内部 i 的值都是 3 。我们可以通过创建另一个匿名函数强制让闭包的行为符合预期。

var btns = document.getElementsByTagName("button");
for(var i = 0; i < btns.length; i++){
    btns[i].onclick = (function(num){
        return function() {
            alert("我是第" + num + "个按钮");
        }
    })(i);
}

参考文献:JavaScript 高级程序设计(第三版)

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