理解 JavaScript 作用域

简介

JavaScript 有个特性称为作用域。尽管对于很多开发新手来说,作用域的概念不容易理解,我会尽可能地从最简单的角度向你解释它们。理解作用域能让你编写更优雅、错误更少的代码,并能帮助你实现强大的设计模式。

什么是作用域?

作用域是你的代码在运行时,各个变量、函数和对象的可访问性。换句话说,作用域决定了你的代码里的变量和其他资源各个区域中的可见性。

为什么需要作用域?最小访问原则

那么,限制变量的可见性,不允许你代码中所有的东西在任意地方都可用的好处是什么?其中一个优势,是作用域为你的代码提供了一个安全层级。计算机安全中,有个常规的原则是:用户只能访问他们当前需要的东西。

想想计算机管理员吧。他们在公司各个系统上拥有很多控制权,看起来甚至可以给予他们拥有全部权限的账号。假设你有一家公司,拥有三个管理员,他们都有系统的全部访问权限,并且一切运转正常。但是突然发生了一点意外,你的一个系统遭到恶意病毒攻击。现在你不知道这谁出的问题了吧?你这才意识到你应该只给他们基本用户的账号,并且只在需要时赋予他们完全的访问权。这能帮助你跟踪变化并记录每个人的操作。这叫做最小访问原则。眼熟吗?这个原则也应用于编程语言设计,在大多数编程语言(包括 JavaScript)中称为作用域,接下来我们就要学习它。

在你的编程旅途中,你会意识到作用域在你的代码中可以提升性能,跟踪 bug 并减少 bug。作用域还解决不同范围的同名变量命名问题。记住不要弄混作用域和上下文。它们是不同的特性。

JavaScript中的作用域

在 JavaScript 中有两种作用域

  • 全局作用域
  • 局部作用域

当变量定义在一个函数中时,变量就在局部作用域中,而定义在函数之外的变量则从属于全局作用域。每个函数在调用的时候会创建一个新的作用域。

全局作用域

当你在文档中(document)编写 JavaScript 时,你就已经在全局作用域中了。JavaScript 文档中(document)只有一个全局作用域。定义在函数之外的变量会被保存在全局作用域中。

全局作用域里的变量能够在其他作用域中被访问和修改。

局部作用域

定义在函数中的变量就在局部作用域中。并且函数在每次调用时都有一个不同的作用域。这意味着同名变量可以用在不同的函数中。因为这些变量绑定在不同的函数中,拥有不同作用域,彼此之间不能访问。

块语句

块级声明包括if和switch,以及for和while循环,和函数不同,它们不会创建新的作用域。在块级声明中定义的变量从属于该块所在的作用域。

ECMAScript 6 引入了let和const关键字。这些关键字可以代替var。

和var关键字不同,let和const关键字支持在块级声明中创建使用局部作用域。

一个应用中全局作用域的生存周期与该应用相同。局部作用域只在该函数调用执行期间存在。

上下文

很多开发者经常弄混作用域和上下文,似乎两者是一个概念。但并非如此。作用域是我们上面讲到的那些,而上下文通常涉及到你代码某些特殊部分中的this值。作用域指的是变量的可见性,而上下文指的是在相同的作用域中的this的值。我们当然也可以使用函数方法改变上下文,这个之后我们再讨论。在全局作用域中,上下文总是 Window 对象。

如果作用域定义在一个对象的方法中,上下文就是这个方法所在的那个对象

(new User).logName()是创建对象关联到变量并调用logName方法的一种简便形式。通过这种方式你并不需要创建一个新的变量。

你可能注意到一点,就是如果你使用new关键字调用函数时上下文的值会有差异。上下文会设置为被调用的函数的实例。考虑一下上面的这个例子,用new关键字调用的函数。

当在严格模式(strict mode)中调用函数时,上下文默认是 undefined。

执行环境

为了解决掉我们从上面学习中会出现的各种困惑,“执行环境(context)”这个词中的“环境(context)”指的是作用域而并非上下文。这是一个怪异的命名约定,但由于 JavaScript 的文档如此,我们只好也这样约定。

JavaScript 是一种单线程语言,所以它同一时间只能执行单个任务。其他任务排列在执行环境中。当 JavaScript 解析器开始执行你的代码,环境(作用域)默认设为全局。全局环境添加到你的执行环境中,事实上这是执行环境里的第一个环境。

之后,每个函数调用都会添加它的环境到执行环境中。无论是函数内部还是其他地方调用函数,都会是相同的过程。

每个函数都会创建它自己的执行环境。

当浏览器执行完环境中的代码,这个环境会从执行环境中弹出,执行环境中当前环境的状态会转移到父级环境。浏览器总是先执行在执行栈顶的执行环境(事实上就是你代码最里层的作用域)。

全局环境只能有一个,函数环境可以有任意多个。
执行环境有两个阶段:创建和执行。

创建阶段

第一阶段是创建阶段,是函数刚被调用但代码并未执行的时候。创建阶段主要发生了 3 件事。

  • 创建变量对象
  • 创建作用域链
  • 设置上下文(this)的值

变量对象

变量对象(Variable Object)也称为活动对象(activation object),包含所有变量、函数和其他在执行环境中定义的声明。当函数调用时,解析器扫描所有资源,包括函数参数、变量和其他声明。当所有东西装填进一个对象,这个对象就是变量对象。

作用域链

在执行环境创建阶段,作用域链在变量对象之后创建。作用域链包含变量对象。作用域链用于解析变量。当解析一个变量时,JavaScript 开始从最内层沿着父级寻找所需的变量或其他资源。作用域链包含自己执行环境以及所有父级环境中包含的变量对象。

执行环境对象

执行环境可以用下面抽象对象表示:

代码执行阶段

执行环境的第二个阶段就是代码执行阶段,进行其他赋值操作并且代码最终被执行。

词法作用域

词法作用域的意思是在函数嵌套中,内层函数可以访问父级作用域的变量等资源。这意味着子函数词法绑定到了父级执行环境。词法作用域有时和静态作用域有关。

你可能注意到了词法作用域是向前的,意思是子执行环境可以访问name。但不是由父级向后的,意味着父级不能访问likes。这也告诉了我们,在不同执行环境中同名变量优先级在执行栈由上到下增加。一个变量和另一个变量同名,内层函数(执行栈顶的环境)有更高的优先级。

闭包

闭包的概念和我们刚学习的词法作用域紧密相关。当内部函数试着访问外部函数的作用域链(词法作用域之外的变量)时产生闭包。闭包包括它们自己的作用域链、父级作用域链和全局作用域。

闭包不仅能访问外部函数的变量,也能访问外部函数的参数。

即使函数已经return,闭包仍然能访问外部函数的变量。这意味着return的函数允许持续访问外部函数的所有资源。

当你的外部函数return一个内部函数,调用外部函数时return的函数并不会被调用。你必须先用一个单独的变量保存外部函数的调用,然后将这个变量当做函数来调用。看下面这个例子:

值得注意的是,即使在greet函数return后,greetLetter函数仍可以访问greet函数的name变量。如果不使用变量赋值来调用greet函数return的函数,一种方法是使用()两次()(),如下所示:

共有作用域和私有作用域

在许多其他编程语言中,你可以通过 public、private 和 protected 作用域来设置类中变量和方法的可见性。看下面这个 PHP 的例子

将函数从公有(全局)作用域中封装,使它们免受攻击。但在 JavaScript 中,没有 共有作用域和私有作用域。然而我们可以用闭包实现这一特性。为了使每个函数从全局中分离出去,我们要将它们封装进如下所示的函数中:

函数结尾的括号告诉解析器立即执行此函数。我们可以在其中加入变量和函数,外部无法访问。但如果我们想在外部访问它们,也就是说我们希望它们一部分是公开的,一部分是私有的。我们可以使用闭包的一种形式,称为模块模式(Module Pattern),它允许我们用一个对象中的公有作用域和私有作用域来划分函数。

模块模式

模块模式如下所示:

Module 的return语句包含了我们的公共函数。私有函数并没有被return。函数没有被return确保了它们在 Module 命名空间无法访问。但我们的共有函数可以访问我们的私有函数,方便它们使用有用的函数、AJAX 调用或其他东西。

一种习惯是以下划线作为开始命名私有函数,并返回包含共有函数的匿名对象。这使它们在很长的对象中很容易被管理。向下面这样:

立即执行函数表达式(IIFE)

另一种形式的闭包是立即执行函数表达式(Immediately-Invoked Function Expression,IIFE)。这是一种在 window 上下文中自调用的匿名函数,也就是说this的值是window。它暴露了一个单一全局接口用来交互。如下所示:

使用 .call(), .apply() 和 .bind() 改变上下文

Call 和 Apply 函数来改变函数调用时的上下文。这带给你神奇的编程能力(和终极统治世界的能力)。你只需要使用 call 和 apply 函数并把上下文当做第一个参数传入,而不是使用括号来调用函数。函数自己的参数可以在上下文后面传入。

.call()和.apply()的区别是 Call 中其他参数用逗号分隔传入,而 Apply 允许你传入一个参数数组。

Call 比 Apply 的效率高一点。

下面这个例子列举文档中所有项目,然后依次在控制台打印出来。

HTML文档中仅包含一个无序列表。JavaScript 从 DOM 中选取它们。列表项会被从头到尾循环一遍。在循环时,我们把列表项的内容输出到控制台。

输出语句包含在由括号包裹的函数中,然后调用call函数。相应的列表项传入 call 函数,确保控制台输出正确对象的 innerHTML。

对象可以有方法,同样函数对象也可以有方法。事实上,JavaScript 函数有 4 个内置方法:

  • Function.prototype.apply()
  • Function.prototype.bind() (Introduced in ECMAScript 5 (ES5))
  • Function.prototype.call()
  • Function.prototype.toString()

Function.prototype.toString()返回函数代码的字符串表示。

到现在为止,我们讨论了.call()、.apply()和toString()。与 Call 和 Apply 不同,Bind 并不是自己调用函数,它只是在函数调用之前绑定上下文和其他参数。在上面提到的例子中使用 Bind:

Bind 像call函数一样用逗号分隔其他传入参数,不像apply那样用数组传入参数。

结论

这些概念是 JavaScript 的基础,如果你想钻研更深的话,理解这些很重要。我希望你对 JavaScript 作用域及相关概念有了更好地理解。如果有东西不清楚,可以在评论区提问。

作用域常伴你的代码左右,享受编码!

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关于作者:一杯哈希不加盐「孙腾浩」

毕业于郑州大学软件工程专业,身为 Java 程序猿却同样热爱着 JavaScript 。为了兴趣而写代码,做自己喜欢做的事。Keep coding ... Stay Cool ... 个人主页 · 我的文章 · 30 ·    

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