JS词法环境和执行上下文

前言

JavaScript是一门解释性动态语言，但同时它也是一门充满神秘感的语言。如果要成为一名优秀的JS开发者，那么对JavaScript程序的内部执行原理要有所了解。

本文以最新的ECMA规范中的第八章节为基础，理清JavaScript的词法环境和执行上下文的相关内容。这是理解JavaScript其他概念（let/const暂时性死区、变量提升、闭包等）的基础。

本文参考的是最新发布的第十代ECMA-262标准，即ES2019
ES2019与ES6在词法环境和执行上下文的内容上是近似的，ES2019在细节上做了部分补充，因此本文直接采用ES2019的标准。你也可以对比两个版本的标准的差异。

执行上下文(Execution Context)

执行上下文是用来跟踪记录代码运行时环境的抽象概念。每一次代码运行都至少会生成一个执行上下文。代码都是在执行上下文中运行的。

你可以将代码运行与执行上下文的关系类比为进程与内存的关系，在代码运行过程中的变量环境信息都放在执行上下文中，当代码运行结束，执行上下文也会销毁。

在执行上下文中记录了代码执行过程中的状态信息，根据不同运行场景，执行上下文会细分为如下几种类型：

全局执行上下文：当运行代码是处于全局作用域内，则会生成全局执行上下文，这也是程序最基础的执行上下文。
函数执行上下文：当调用函数时，都会为函数调用创建一个新的执行上下文。
eval执行上下文：eval函数执行时，会生成专属它的上下文，因eval很少使用，故不作讨论。

执行栈

有了执行上下文，就要有合理管理它的工具。而执行栈(Execution Context Stack)是用来管理执行期间创建的所有执行上下文的数据结构，它是一个LIFO(后进先出)的栈，它也是我们熟知的JS程序运行过程中的调用栈。
程序开始运行时，会先创建一个全局执行上下文并压入到执行栈中，之后每当有函数被调用，都会创建一个新的函数执行上下文并压入栈内。

我们从一小段代码来看下执行栈的工作过程：

<script>
    console.log('script')    function foo(){        function bar(){            console.log('bar', isNaN(undefined))        }        bar()        console.log('foo')    }    foo()
</script>

当这段JS程序开始运行时，它会创建一个全局执行上下文GlobalContext，其中会初始化一些全局对象或全局函数，如代码中的console,undefined,isNaN。将全局执行上下文压入执行栈，通常JS引擎都有一个指针running指向栈顶元素：

JS引擎会将全局范围内声明的函数(foo)初始化在全局上下文中，之后开始一行行的执行代码，运行到console就在running指向的上下文中的词法环境中找到全局对象console并调用log函数。

PS：当然，当调用log函数时，也是要新建函数上下文并压栈到调用栈中的。这里为了简单流程，忽略了log上下文的创建过程。

运行到foo()时，识别为函数调用，此时创建一个新的执行上下文FooContext并入栈，将FooContext内词法环境的outer引用指向全局执行上下文的词法环境，移动running指针指向这个新的上下文：

在完成FooContext创建后，进入到FooContext中继续执行代码，运行到bar()时，同理仍需要新建一个执行上下文BarContext，此时BarContext内词法环境的outer引用会指向FooContext的词法环境：参考前端进阶面试题详细解答

继续运行bar函数，由于函数上下文内有outer引用实现层层递进引用，因此在bar函数内仍可以获取到console对象并调用log。

之后，完成bar和foo函数调用，会依次将上下文出栈，直至全局上下文出栈，程序结束运行。

执行上下文的创建

执行上下文创建会做两件事情：

创建词法环境LexicalEnvironment；
创建变量环境VariableEnvironment；

因此一个执行上下文在概念上应该是这样子的：

ExecutionContext = {
  LexicalEnvironment = <ref. to LexicalEnvironment in memory>,
  VariableEnvironment = <ref. to VariableEnvironment in  memory>,
}

在全局执行上下文中，this指向全局对象，window in browser / global in nodejs。

词法环境(LexicalEnvironment)

词法环境是ECMA中的一个规范类型 —— 基于代码词法嵌套结构用来记录标识符和具体变量或函数的关联。
简单来说，词法环境就是建立了标识符——变量的映射表。这里的标识符指的是变量名称或函数名，而变量则是实际变量原始值或者对象/函数的引用地址。

在LexicalEnvironment中由两个部分构成：

环境记录EnvironmentRecord：存放变量和函数声明的地方；
外层引用outer：提供了访问父词法环境的引用，可能为null；

this绑定ThisBinding：确定当前环境中this的指向，this binding存储在EnvironmentRecord中；

词法环境的类型

全局环境(GlobalEnvironment)：在JavaScript代码运行伊始，宿主(浏览器、NodeJs等)会事先初始化全局环境，在全局环境的EnvironmentRecord中会绑定内置的全局对象(Infinity等)或全局函数(eval、parseInt等)，其他声明的全局变量或函数也会存储在全局词法环境中。全局环境的outer引用为null。

这里提及的全局对象就有我们熟悉的所有内置对象，如Math、Object、Array等构造函数，以及Infinity等全局变量。全局函数则包含了eval、parseInt等函数。

模块环境(ModuleEnvironment)：你若写过NodeJs程序就会很熟悉这个环境，在模块环境中你可以读取到export、module等变量，这些变量都是记录在模块环境的ER中。模块环境的outer引用指向全局环境。
函数环境(FunctionEnvironment)：每一次调用函数时都会产生函数环境，在函数环境中会涉及this的绑定或super的调用。在ER中也会记录该函数的length和arguments属性。函数环境的outer引用指向调起该函数的父环境。在函数体内声明的变量或函数则记录在函数环境中。

环境记录ER

代码中声明的变量和函数都会存放在EnvironmentRecord中等待执行时访问。
环境记录EnvironmentRecord也有两个不同类型，分别为declarative和object。declarative是较为常见的类型，通常函数声明、变量声明都会生成这种类型的ER。object类型可以由with语句触发的，而with使用场景很少，一般开发者很少用到。

如果你在函数体中遇到诸如var const let class module import 函数声明，那么环境记录就是declarative类型的。

值得一提的是全局上下文的ER有一点特殊，因为它是object ER与declarative ER的混合体。在object ER中存放的是全局对象函数、function函数声明、async、generator、var关键词变量。在declarative ER则存放其他方式声明的变量，如let const class等。由于标准中将object类型的ER视作基准ER，因此这里我们仍将全局ER的类型视作object。

GlobalExecutionContext = {
    LexicalEnvironment: {
        EnvironmentRecord: {
            type: 'object',  // 混合 object + declarative
            this: <globalObject>,
            NaN,
            parseInt,
            Object,
            myFunc,
            a,
            b,
            ...
        },
        outer: null,
    }
}

LexicalEnvironment只存储函数声明和let/const声明的变量，与下文的VariableEnvironment有所区别。

比如，我们有如下代码：

let a = 10;
function foo(){
    let b = 20
    console.log(a, b)
}
foo()

// 它们的词法环境伪码如下：
GlobalEnvironment: {
    EnvironmentRecord: {
        type: 'object',
        this: <globalObject>,
        a: <uninitialized>,
        foo: <func>
    },
    outer: <null>
}

FunctionEnvironment: {
    EnvironmentRecord: {
        type: 'declarative',
        this: <globalObject>,  // 严格模式下为undefined
        arguments: {length: 0},
        b: <uninitialized>
    },
    outer: <GlobalEnvironment>
}

函数环境记录

由于函数环境是我们日常开发过程最常见的词法环境，因此需要更加深入的研究一下函数环境的运行机制，帮助我们更好理解一些语言特性。

当我们调用一个函数时，会生成函数执行上下文，这个函数执行上下文的词法环境的环境记录就是函数类型的，有点拗口，用树形图代表一下：

FunctionContext
    |LexicalEnvironment
        |EnvironmentRecord  //--> 函数类型

为什么要强调这个类型呢？因为ECMA针对函数式环境记录会额外增加一些内部属性：

内部属性	Value	说明	补充
`[[ThisValue]]`	`Any`	函数内调用`this`时引用的地址，我们常说的函数`this`绑定就是给这个内部属性赋值
`[[ThisBindingStatus]]`	`"lexical" / "initialized" / "uninitialized"`	若等于`lexical`，则为箭头函数，意味着`this`是空的；	强行`new`箭头函数会报错`TypeError`错误
`FunctionObject`	`Object`	在这个对象中有两个属性`[[Call]]`和`[[Construct]]`，它们都是函数，如何赋值取决于如何调用函数	正常的函数调用赋值`[[Call]]`，而通过`new`或`super`调用函数则赋值`[[Construct]]`
`[[HomeObject]]`	`Object / undefined`	如果该函数(非箭头函数)有`super`属性(子类)，则`[[HomeObject]]`指向父类构造函数	若你写过`extends`就知道我在说什么
`[[NewTarget]]`	`Object / undefined`	如果是通过`[[Construct]]`方式调用的函数，那么`[[NewTarget]]`非空	在函数中可以通过`new.target`读取到这个内部属性。以此来判断函数是否通过`new`来调用的

此外，函数环境记录中还存有一个arguments对象，记录了函数的入参信息。

ThisBinding

this绑定是一个老生常谈的问题，由于存在多种分析场景，这里不便展开，this绑定的目的是在执行上下文创建之时就明确this的指向，在函数执行过程中读取到正确的this引用的对象。

小结

概念类型太多，有一些凌乱了。简单速记一下：

词法环境分类 = 全局 / 函数 / 模块
词法环境 = ER + outer + this
ER分类 = declarative(DER) + object(OER)
全局ER = DER + OER

VariableEnvironment 变量环境

在ES6前，声明变量都是通过var关键词声明的，在ES6中则提倡使用let和const来声明变量，为了兼容var的写法，于是使用变量环境来存储var声明的变量。

var关键词有个特性，会让变量提升，而通过let/const声明的变量则不会提升。为了区分这两种情况，就用不同的词法环境去区分。

变量环境本质上仍是词法环境，但它只存储var声明的变量，这样在初始化变量时可以赋值为undefined。

有了这些概念，一个完整的执行上下文应该是什么样子的呢？来点例子🌰：

let a = 10;
const b = 20;
var sum;

function add(e, f){
    var d = 40;
    return d + e + f 
}

let utils = {
    add
}

sum = utils.add(a, b)

完整的执行上下文如下所示：

GlobalExecutionContext = {
    LexicalEnvironment: {
        EnvironmentRecord: {
            type: 'object',
            this: <globalObject>,
            add: <function>,
            a: <uninitialized>,
            b: <uninitialized>,
            utils: <uninitialized>
        },
        outer: null
    },
    VariableEnvironment: {
        EnvironmentRecord: {
            type: 'object',
            this: <globalObject>
            sum: undefined
        },
        outer: null
    },
}

// 当运行到函数add时才会创建函数执行上下文
FunctionExecutionContext = {
    LexicalEnvironment: {
        EnvironmentRecord: {
            type: 'declarative',
            this: <utils>,
            arguments: {0: 10, 1: 20, length: 2},
            [[NewTarget]]: undefined,
            e: 10,
            f: 20,
            ...
        },
        outer: <GlobalLexicalEnvironment>
    },
    VariableEnvironment: {
        EnvironmentRecord: {
            type: 'declarative',
            this: <utils>
            d: undefined,
        },
        outer: <GlobalLexicalEnvironment>
    },
}

执行上下文创建后，进入到执行环节，变量在执行过程中赋值、读取、再赋值等。直至程序运行结束。
我们注意到，在执行上下文创建时，变量a``b都是<uninitialized>的，而sum则被初始化为undefined。这就是为什么你可以在声明之前访问var定义的变量(变量提升)，而访问let/const定义的变量就会报引用错误的原因。

let/const 与 var

简单聊聊同是变量声明，两者有何区别？

let 与 const 的区别这里不再赘述

存放位置
从上一结中，我们知道了let/const声明的变量是归属于LexicalEnvironment，而var声明的变量归属于VariableEnvironment。

初始化(词法阶段)
let/const在初始化时会被置为<uninitialized>标志位，在没有执行到let xxx 或 let xxx = ???（赋值行）的具体行时，提前读取变量会报ReferenceError的错误。（这个特性又叫暂时性死区） var在初始化时先被赋值为undefined，即使没有执行到赋值行，仍可以读取var变量(undefined)。