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JavaScript 閉包的底層運行機制

2016-9-28    藍藍設(shè)計的小編

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我研究JavaScript 閉包(closure)已經(jīng)有一段時間了。我之前只是學(xué)會了如何使用它們,而沒有透徹地了解它們具體是如何運作的。那么,究竟什么是閉包?

Wikipedia給出的解釋并沒有太大的幫助。閉包是什么時候被創(chuàng)建的,什么時候被銷毀的?具體的實現(xiàn)又是怎么樣的?

"use strict"; var myClosure = (function outerFunction() { var hidden = 1; return {
    inc: function innerFunction() { return hidden++;
    }
  };

}());

myClosure.inc(); // 返回 1 myClosure.inc(); // 返回 2 myClosure.inc(); // 返回 3 // 相信對JS熟悉的朋友都能很快理解這段代碼 // 那么在這段代碼運行的背后究竟發(fā)生了怎樣的事情呢?

現(xiàn)在,我終于知道了答案,我感到很興奮并且決定向大家解釋這個答案。至少,我一定是不會忘記這個答案的。

Tell me and I forget. Teach me and I remember. Involve me and I learn.
© Benjamin Franklin

并且,在我閱讀與閉包相關(guān)的現(xiàn)存的資料時,我很努力地嘗試著去在腦海中想想每個事物之間的聯(lián)系:對象之間是如何引用的,對象之間的繼承關(guān)系是什么,等等。我找不到關(guān)于這些負責關(guān)系的很好的圖表,于是我決定自己畫一些。

我將假設(shè)讀者對JavaScript已經(jīng)比較熟悉了,知道什么是全局對象,知道函數(shù)在JavaScript當中是“first-class objects”,等等。

作用域鏈(Scope Chain)

當JavaScript在運行的時候,它需要一些空間讓它來存儲本地變量(local variables)。我們將這些空間稱為作用域?qū)ο螅⊿cope object),有時候也稱作LexicalEnvironment。例如,當你調(diào)用函數(shù)時,函數(shù)定義了一些本地變量,這些變量就被存儲在一個作用域?qū)ο笾小D憧梢詫⒆饔糜蚝瘮?shù)想象成一個普通的JavaScript對象,但是有一個很大的區(qū)別就是你不能夠直接在JavaScript當中直接獲取這個對象。你只可以修改這個對象的屬性,但是你不能夠獲取這個對象的引用。

作用域?qū)ο蟮母拍钍沟肑avaScript和C、C++非常不同。在C、C++中,本地變量被保存在棧(stack)中。在JavaScript中,作用域?qū)ο笫窃诙阎斜粍?chuàng)建的(至少表現(xiàn)出來的行為是這樣的),所以在函數(shù)返回后它們也還是能夠被訪問到而不被銷毀。

正如你做想的,作用域?qū)ο笫强梢杂懈缸饔糜驅(qū)ο螅╬arent scope object)的。當代碼試圖訪問一個變量的時候,解釋器將在當前的作用域?qū)ο笾胁檎疫@個屬性。如果這個屬性不存在,那么解釋器就會在父作用域?qū)ο笾胁檎疫@個屬性。就這樣,一直向父作用域?qū)ο蟛檎?,直到找到該屬性或者再也沒有父作用域?qū)ο蟆N覀儗⑦@個查找變量的過程中所經(jīng)過的作用域?qū)ο蟪俗饔糜蜴湥⊿cope chain)。

在作用域鏈中查找變量的過程和原型繼承(prototypal inheritance)有著非常相似之處。但是,非常不一樣的地方在于,當你在原型鏈(prototype chain)中找不到一個屬性的時候,并不會引發(fā)一個錯誤,而是會得到undefined。但是如果你試圖訪問一個作用域鏈中不存在的屬性的話,你就會得到一個ReferenceError。

在作用域鏈的最頂層的元素就是全局對象(Global Object)了。運行在全局環(huán)境的JavaScript代碼中,作用域鏈始終只含有一個元素,那就是全局對象。所以,當你在全局環(huán)境中定義變量的時候,它們就會被定義到全局對象中。當函數(shù)被調(diào)用的時候,作用域鏈就會包含多個作用域?qū)ο蟆?

全局環(huán)境中運行的代碼

好了,理論就說到這里。接下來我們來從實際的代碼入手。

// my_script.js "use strict"; var foo = 1; var bar = 2;

我們在全局環(huán)境中創(chuàng)建了兩個變量。正如我剛才所說,此時的作用域?qū)ο缶褪侨謱ο蟆?

1.png

在上面的代碼中,我們有一個執(zhí)行的上下文(myscript.js自身的代碼),以及它所引用的作用域?qū)ο?。全局對象里面還含有很多不同的屬性,在這里我們就忽略掉了。

沒有被嵌套的函數(shù)(Non-nested functions)

接下來,我們看這段代碼

"use strict"; var foo = 1; var bar = 2; function myFunc() { //-- define local-to-function variables var a = 1; var b = 2; var foo = 3; console.log("inside myFunc");
} console.log("outside"); //-- and then, call it: myFunc();

myFunc被定義的時候,myFunc的標識符(identifier)就被加到了當前的作用域?qū)ο笾校ㄔ谶@里就是全局對象),并且這個標識符所引用的是一個函數(shù)對象(function object)。函數(shù)對象中所包含的是函數(shù)的源代碼以及其他的屬性。其中一個我們所關(guān)心的屬性就是內(nèi)部屬性[[scope]]。[[scope]]所指向的就是當前的作用域?qū)ο蟆R簿褪侵傅木褪呛瘮?shù)的標識符被創(chuàng)建的時候,我們所能夠直接訪問的那個作用域?qū)ο螅ㄔ谶@里就是全局對象)。

“直接訪問”的意思就是,在當前作用域鏈中,該作用域?qū)ο筇幱谧畹讓?,沒有子作用域?qū)ο蟆?

所以,在console.log("outside")被運行之前,對象之間的關(guān)系是如下圖所示。

2.png

溫習(xí)一下。myFunc所引用的函數(shù)對象其本身不僅僅含有函數(shù)的代碼,并且還含有指向其被創(chuàng)建的時候的作用域?qū)ο?/strong>。這一點非常重要!

myFunc函數(shù)被調(diào)用的時候,一個新的作用域?qū)ο蟊粍?chuàng)建了。新的作用域?qū)ο笾邪?code style="font-size:12px;font-family:'courier new';color:#777777;padding-bottom:1px;padding-top:1px;padding-left:4px;margin:0px 4px;padding-right:4px;background-color:#eeeeee;border-radius:2px;">myFunc函數(shù)所定義的本地變量,以及其參數(shù)(arguments)。這個新的作用域?qū)ο蟮母缸饔糜驅(qū)ο缶褪窃谶\行myFunc時我們所能直接訪問的那個作用域?qū)ο蟆?

所以,當myFunc被執(zhí)行的時候,對象之間的關(guān)系如下圖所示。

3.png

現(xiàn)在我們就擁有了一個作用域鏈。當我們試圖在myFunc當中訪問某些變量的時候,JavaScript會先在其能直接訪問的作用域?qū)ο螅ㄟ@里就是myFunc() scope)當中查找這個屬性。如果找不到,那么就在它的父作用域?qū)ο螽斨胁檎遥ㄔ谶@里就是Global Object)。如果一直往上找,找到?jīng)]有父作用域?qū)ο鬄橹惯€沒有找到的話,那么就會拋出一個ReferenceError。

例如,如果我們在myFunc中要訪問a這個變量,那么在myFunc scope當中就可以找到它,得到值為1。

如果我們嘗試訪問foo,我們就會在myFunc() scope中得到3。只有在myFunc() scope里面找不到foo的時候,JavaScript才會往Global Object去查找。所以,這里我們不會訪問到Global Object里面的foo。

如果我們嘗試訪問bar,我們在myFunc() scope當中找不到它,于是就會在Global Object當中查找,因此查找到2。

很重要的是,只要這些作用域?qū)ο笠廊槐灰?,它們就不會被垃圾回收器(garbage collector)銷毀,我們就一直能訪問它們。當然,當引用一個作用域?qū)ο蟮淖詈笠粋€引用被解除的時候,并不代表垃圾回收器會立刻回收它,只是它現(xiàn)在可以被回收了。

所以,當myFunc()返回的時候,再也沒有人引用myFunc() scope了。當垃圾回收結(jié)束后,對象之間的關(guān)系變成回了調(diào)用前的關(guān)系。

4.png

接下來,為了圖表直觀起見,我將不再將函數(shù)對象畫出來。但是,請永遠記著,函數(shù)對象里面的[[scope]]屬性,保存著該函數(shù)被定義的時候所能夠直接訪問的作用域?qū)ο蟆?

嵌套的函數(shù)(Nested functions)

正如前面所說,當一個函數(shù)返回后,沒有其他對象會保存對其的引用。所以,它就可能被垃圾回收器回收。但是如果我們在函數(shù)當中定義嵌套的函數(shù)并且返回,被調(diào)用函數(shù)的一方所存儲呢?(如下面的代碼)

function myFunc() { return innerFunc() { // ... }
} var innerFunc = myFunc();

你已經(jīng)知道的是,函數(shù)對象中總是有一個[[scope]]屬性,保存著該函數(shù)被定義的時候所能夠直接訪問的作用域?qū)ο?。所以,當我們在定義嵌套的函數(shù)的時候,這個嵌套的函數(shù)的[[scope]]就會引用外圍函數(shù)(Outer function)的當前作用域?qū)ο蟆?

如果我們將這個嵌套函數(shù)返回,并被另外一個地方的標識符所引用的話,那么這個嵌套函數(shù)及其[[scope]]所引用的作用域?qū)ο缶筒粫焕厥账N毀。

"use strict"; function createCounter(initial) { var counter = initial; function increment(value) {
    counter += value;
  } function get() { return counter;
  } return {
    increment: increment,
    get: get
  };
} var myCounter = createCounter(100); console.log(myCounter.get()); // 返回 100 myCounter.increment(5); console.log(myCounter.get()); // 返回 105

當我們調(diào)用createCounter(100)的那一瞬間,對象之間的關(guān)系如下圖

5.png

注意incrementget函數(shù)都存有指向createCounter(100) scope的引用。如果createCounter(100)沒有任何返回值,那么createCounter(100) scope不再被引用,于是就可以被垃圾回收。但是因為createCounter(100)實際上是有返回值的,并且返回值被存儲在了myCounter中,所以對象之間的引用關(guān)系變成了如下圖所示

6.png

所以,createCounter(100)雖然已經(jīng)返回了,但是它的作用域?qū)ο笠廊淮嬖?,可?strong style="padding-bottom:0px;padding-top:0px;padding-left:0px;margin:0px;padding-right:0px;">且僅只能被嵌套的函數(shù)(incrementget)所訪問。

讓我們試著運行myCounter.get()。剛才說過,函數(shù)被調(diào)用的時候會創(chuàng)建一個新的作用域?qū)ο?,并且該作用域?qū)ο蟮母缸饔糜驅(qū)ο髸钱斍翱梢灾苯釉L問的作用域?qū)ο蟆K?,?code style="font-size:12px;font-family:'courier new';color:#777777;padding-bottom:1px;padding-top:1px;padding-left:4px;margin:0px 4px;padding-right:4px;background-color:#eeeeee;border-radius:2px;">myCounter.get()被調(diào)用時的一瞬間,對象之間的關(guān)系如下。

7.png

myCounter.get()運行的過程中,作用域鏈最底層的對象就是get() scope,這是一個空對象。所以,當myCounter.get()訪問counter變量時,JavaScript在get() scope中找不到這個屬性,于是就向上到createCounter(100) scope當中查找。然后,myCounter.get()將這個值返回。

調(diào)用myCounter.increment(5)的時候,事情變得更有趣了,因為這個時候函數(shù)調(diào)用的時候傳入了參數(shù)。

8.png

正如你所見,increment(5)的調(diào)用創(chuàng)建了一個新的作用域?qū)ο螅⑶移渲泻袀魅氲膮?shù)value。當這個函數(shù)嘗試訪問value的時候,JavaScript立刻就能在當前的作用域?qū)ο笳业剿?。然而,這個函數(shù)試圖訪問counter的時候,JavaScript無法在當前的作用域?qū)ο笳业剿?,于是就會在其父作用?code style="font-size:12px;font-family:'courier new';color:#777777;padding-bottom:1px;padding-top:1px;padding-left:4px;margin:0px 4px;padding-right:4px;background-color:#eeeeee;border-radius:2px;">createCounter(100) scope中查找。

我們可以注意到,在createCounter函數(shù)之外,除了被返回的getincrement兩個方法,沒有其他的地方可以訪問到value這個變量了。這就是用閉包實現(xiàn)“私有變量”的方法。

我們注意到initial變量也被存儲在createCounter()所創(chuàng)建的作用域?qū)ο笾?,盡管它沒有被用到。所以,我們實際上可以去掉var counter = initial;,將initial改名為counter。但是為了代碼的可讀性起見,我們保留原有的代碼不做變化。

需要注意的是作用域鏈是不會被復(fù)制的。每次函數(shù)調(diào)用只會往作用域鏈下面新增一個作用域?qū)ο蟆K?,如果在函?shù)調(diào)用的過程當中對作用域鏈中的任何一個作用域?qū)ο蟮淖兞窟M行修改的話,那么同時作用域鏈中也擁有該作用域?qū)ο蟮暮瘮?shù)對象也是能夠訪問到這個變化后的變量的。

這也就是為什么下面這個大家都很熟悉的例子會不能產(chǎn)出我們想要的結(jié)果。

"use strict"; var elems = document.getElementsByClassName("myClass"), i; for (i = 0; i < elems.length; i++) {
  elems[i].addEventListener("click", function () { this.innerHTML = i;
  });
}

在上面的循環(huán)中創(chuàng)建了多個函數(shù)對象,所有的函數(shù)對象的[[scope]]都保存著對當前作用域?qū)ο蟮囊?。而變?code style="font-size:12px;font-family:'courier new';color:#777777;padding-bottom:1px;padding-top:1px;padding-left:4px;margin:0px 4px;padding-right:4px;background-color:#eeeeee;border-radius:2px;">i正好就在當前作用域鏈中,所以循環(huán)每次對i的修改,對于每個函數(shù)對象都是能夠看到的。

“看起來一樣的”函數(shù),不一樣的作用域?qū)ο?

現(xiàn)在我們來看一個更有趣的例子。

"use strict"; function createCounter(initial) { // ... } var myCounter1 = createCounter(100); var myCounter2 = createCounter(200);

myCounter1myCounter2被創(chuàng)建后,對象之間的關(guān)系為

9.png

在上面的例子中,myCounter1.incrementmyCounter2.increment的函數(shù)對象擁有著一樣的代碼以及一樣的屬性值(name,length等等),但是它們的[[scope]]指向的是不一樣的作用域?qū)ο?/strong>。

這才有了下面的結(jié)果

var a, b;
a = myCounter1.get(); // a 等于 100 b = myCounter2.get(); // b 等于 200 myCounter1.increment(1);
myCounter1.increment(2);

myCounter2.increment(5);

a = myCounter1.get(); // a 等于 103 b = myCounter2.get(); // b 等于 205

作用域鏈和this

this的值不會被保存在作用域鏈中,this的值取決于函數(shù)被調(diào)用的時候的情景。

譯者注:對這部分,譯者自己曾經(jīng)寫過一篇更加詳盡的文章,請參考《用自然語言的角度理解JavaScript中的this關(guān)鍵字》。原文的這一部分以及“this在嵌套的函數(shù)中的使用”譯者便不再翻譯。

總結(jié)

讓我們來回想我們在本文開頭提到的一些問題。

  • 什么是閉包?閉包就是同時含有對函數(shù)對象以及作用域?qū)ο笠玫淖钕?。實際上,所有JavaScript對象都是閉包。
  • 閉包是什么時候被創(chuàng)建的?因為所有JavaScript對象都是閉包,因此,當你定義一個函數(shù)的時候,你就定義了一個閉包。
  • 閉包是什么時候被銷毀的?當它不被任何其他的對象引用的時候。

專有名詞翻譯表

本文采用下面的專有名詞翻譯表,如有更好的翻譯請告知,尤其是加*的翻譯

  • *全局環(huán)境中運行的代碼:top-level code
  • 參數(shù):arguments
  • 作用域?qū)ο螅篠cope object
  • 作用域鏈:Scope Chain
  • 棧:stack
  • 原型繼承:prototypal inheritance
  • 原型鏈:prototype chain
  • 全局對象:Global Object
  • 標識符:identifier
  • 垃圾回收器:garbage collector

 

 

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