JavaScript变量作用域和内存问题

Posted 2020-09-16 Marvel__Dead

接下来博客的内容

• 理解基本类型和引用类型的值
• 理解执行环境
• 理解垃圾收集

按照 ECMA-262 的定义，javascript 的变量与其他语言的变量有很大区别。JavaScript 变量松散类型的本质，决定了它只是在特定时间用于保存特定值的一个名字而已。由于不存在定义某个变量必须要保存何种数据类型值的规则，变量的值及其数据类型可以在脚本的生命周期内改变。尽管从某种角度看，这可能是一个既有趣又强大，同时又容易出问题的特性，但 JavaScript 变量实际的复杂程度还远不止如此。

基本类型和引用类型的值

ECMAScript 变量可能包含两种不同数据类型的值：基本类型值和引用类型值。基本类型值指的是简单的数据段，而引用类型值指那些可能由多个值构成的对象。

在将一个值赋给变量时，解析器必须确定这个值是基本类型值还是引用类型值。前面博客已经讨论了 5 种基本数据类型： Undefined 、 Null 、 Boolean 、 Number 和 String 。这 5 种基本数据类型是按值访问的，因为可以操作保存在变量中的实际的值。

引用类型的值是保存在内存中的对象。与其他语言不同，JavaScript 不允许直接访问内存中的位置，也就是说不能直接操作对象的内存空间。在操作对象时，实际上是在操作对象的引用而不是实际的对象。为此，引用类型的值是按引用访问的。

提示：在很多语言中，字符串以对象的形式来表示，因此被认为是引用类型的。ECMAScript 放弃了这一传统。

动态的属性

定义基本类型值和引用类型值的方式是类似的：创建一个变量并为该变量赋值。但是，当这个值保存到变量中以后，对不同类型值可以执行的操作则大相径庭。对于引用类型的值，我们可以为其添加属性和方法，也可以改变和删除其属性和方法。请看下面的例子：

var person = new Object();
person.name = "Nicholas";
alert(person.name); //"Nicholas"

以上代码创建了一个对象并将其保存在了变量 person 中。然后，我们为该对象添加了一个名为name 的属性，并将字符串值 “Nicholas” 赋给了这个属性。紧接着，又通过 alert() 函数访问了这个新属性。如果对象不被销毁或者这个属性不被删除，则这个属性将一直存在。

但是，我们不能给基本类型的值添加属性，尽管这样做不会导致任何错误。比如：

var name = "Nicholas";
name.age = 27;
alert(name.age); //undefined

在这个例子中，我们为字符串 name 定义了一个名为 age 的属性，并为该属性赋值 27。但在下一行访问这个属性时，发现该属性不见了。这说明只能给引用类型值动态地添加属性，以便将来使用。

复制变量值

除了保存的方式不同之外，在从一个变量向另一个变量复制基本类型值和引用类型值时，也存在不同。如果从一个变量向另一个变量复制基本类型的值，会在变量对象上创建一个新值，然后把该值复制到为新变量分配的位置上。来看一个例子：

var num1 = 5;
var num2 = num1;

在此， num1 中保存的值是 5。当使用 num1 的值来初始化 num2 时， num2 中也保存了值 5。但 num2中的 5 与 num1 中的 5 是完全独立的，该值只是 num1 中 5 的一个副本。此后，这两个变量可以参与任何操作而不会相互影响。下图形象地展示了复制基本类型值的过程。

当从一个变量向另一个变量复制引用类型的值时，同样也会将存储在变量对象中的值复制一份放到为新变量分配的空间中。不同的是，这个值的副本实际上是一个指针，而这个指针指向存储在堆中的一个对象。复制操作结束后，两个变量实际上将引用同一个对象。因此，改变其中一个变量，就会影响另一个变量，如下面的例子所示：

var obj1 = new Object();
var obj2 = obj1;
obj1.name = "Nicholas";
alert(obj2.name); //"Nicholas"

先，变量 obj1 保存了一个对象的新实例。然后，这个值被复制到了 obj2 中；换句话说， obj1和 obj2 都指向同一个对象。这样，当为 obj1 添加 name 属性后，可以通过 obj2 来访问这个属性，因为这两个变量引用的都是同一个对象。下图展示了保存在变量对象中的变量和保存在堆中的对象之间的这种关系。

传递参数

ECMAScript 中所有函数的参数都是按值传递的。也就是说，把函数外部的值复制给函数内部的参数，就和把值从一个变量复制到另一个变量一样。基本类型值的传递如同基本类型变量的复制一样，而引用类型值的传递，则如同引用类型变量的复制一样。

检测类型

要检测一个变量是不是基本数据类型？前面博客介绍的 typeof 操作符是最佳的工具。说得更具体一点， typeof 操作符是确定一个变量是字符串、数值、布尔值，还是 undefined 的最佳工具。如果变量的值是一个对象或 null ，则 typeof 操作符会像下面例子中所示的那样返回 “object” ：

/**
 * 描述：六大数据类型测试。
 * 包括：
 *     五大基本数据类型：Null,Undefined,String,Number,Boolean
 *     一大复杂类型：Object
 */
var s = "Nicholas";
var b = true;
var i = 22;
var u;
var n = null;
var o = new Object();

alert(typeof s); //string
alert(typeof i); //number
alert(typeof b); //boolean
alert(typeof u); //undefined
alert(typeof n); //object
alert(typeof o); //object

虽然在检测基本数据类型时 typeof 是非常得力的助手，但在检测引用类型的值时，这个操作符的用处不大。通常，我们并不是想知道某个值是对象，而是想知道它是什么类型的对象。为此，ECMAScript提供了 instanceof 操作符，其语法如下所示：

result = variable instanceof constructor

如果变量是给定引用类型（根据它的原型链来识别；后续博客将介绍原型链）的实例，那么instanceof 操作符就会返回 true 。请看下面的例子：

alert(person instanceof Object);  // 变量 person 是 Object 吗？
alert(colors instanceof Array); // 变量 colors 是 Array 吗？
alert(pattern instanceof RegExp); // 变量 pattern 是 RegExp 吗

根据规定，所有引用类型的值都是 Object 的实例。因此，在检测一个引用类型值和 Object 构造函数时， instanceof 操作符始终会返回 true 。当然，如果使用 instanceof 操作符检测基本类型的值，则该操作符始终会返回 false ，因为基本类型不是对象。

提示：使用 typeof 操作符检测函数时，该操作符会返回 "function" 。在 Safari 5 及之前版本和 Chrome 7 及之前版本中使用 typeof 检测正则表达式时，由于规范的原因，这个操作符也返回 "function" 。ECMA-262 规定任何在内部实现 [[Call]] 方法的对象都应该在应用 typeof 操作符时返回 "function" 。由于上述浏览器中的正则表达式也实现了这个方法，因此对正则表达式应用 typeof 会返回 "function" 。在IE 和 Firefox中，对正则表达式应用 typeof 会返回 "object" 。

执行环境及作用域

执行环境（execution context，为简单起见，有时也称为“环境”）是 JavaScript 中最为重要的一个概念。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。虽然我们编写的代码无法访问这个对象，但解析器在处理数据时会在后台使用它。

全局执行环境是最外围的一个执行环境。根据 ECMAScript 实现所在的宿主环境不同，表示执行环境的对象也不一样。在 Web 浏览器中，全局执行环境被认为是 window 对象（后续博客将详细讨论），因此所有全局变量和函数都是作为 window 对象的属性和方法创建的。某个执行环境中的所有代码执行完毕后，该环境被销毁，保存在其中的所有变量和函数定义也随之销毁（全局执行环境直到应用程序退出——例如关闭网页或浏览器——时才会被销毁）。

每个函数都有自己的执行环境。当执行流进入一个函数时，函数的环境就会被推入一个环境栈中。而在函数执行之后，栈将其环境弹出，**把控制权返回给之前的执行环境。**ECMAScript 程序中的执行流正是由这个方便的机制控制着。

当代码在一个环境中执行时，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。 作用域链的前端，始终都是当前执行的代码所在环境的变量对象。如果这个环境是函数，则将其活动对象（activation object）作为变量对象。 活动对象在最开始时只包含一个变量(当然能够包含多个变量，比如形式参数，在函数内部定义的变量)，即 arguments 对象（这个对象在全局环境中是不存在的）。作用域链中的下一个变量对象来自包含（外部）环境，而再下一个变量对象则来自下一个包含环境。这样，一直延续到全局执行环境；全局执行环境的变量对象始终都是作用域链中的最后一个对象。（即作用域链中，每一个执行环境对应一个变量对象。变量对象里面能够包含多个变量。）

标识符解析是沿着作用域链一级一级地搜索标识符的过程。搜索过程始终从作用域链的前端开始，然后逐级地向后回溯，直至找到标识符为止（如果找不到标识符，通常会导致错误发生）。请看下面的示例代码：

var color = "blue";
function changeColor(){
    if (color === "blue"){
        color = "red";
    } else {
        color = "blue";
    }
}
changeColor();
alert("Color is now " + color);

在这个简单的例子中，函数 changeColor() 的作用域链包含两个对象：它自己的变量对象（其中定义着 arguments 对象）和全局环境的变量对象。可以在函数内部访问变量 color ，就是因为可以在这个作用域链中找到它。

此外，在局部作用域中定义的变量可以在局部环境中与全局变量互换使用，如下面这个例子所示：

var color = "blue";
function changeColor(){
    var anotherColor = "red";
    function swapColors(){
        var tempColor = anotherColor;
        anotherColor = color;
        color = tempColor;
        // 这里可以访问 color、anotherColor 和 tempColor
    }
    // 这里可以访问 color 和 anotherColor，但不能访问 tempColor
    swapColors();
}
// 这里只能访问 color
changeColor();

以上代码共涉及 3 个执行环境：全局环境、 changeColor() 的局部环境和 swapColors() 的局部环境。全局环境中有一个变量 color 和一个函数 changeColor() 。 changeColor() 的局部环境中有一个名为 anotherColor 的变量和一个名为 swapColors() 的函数，但它也可以访问全局环境中的变量 color 。 swapColors() 的局部环境中有一个变量 tempColor ，该变量只能在这个环境中访问到。无论全局环境还是 changeColor() 的局部环境都无权访问 tempColor 。然而，在 swapColors() 内部则可以访问其他两个环境中的所有变量，因为那两个环境是它的父执行环境。下图形象地展示了前面这个例子的作用域链。

上图中的矩形表示特定的执行环境。其中，内部环境可以通过作用域链访问所有的外部环境，但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。每个环境都可以向上搜索作用域链，以查询变量和函数名；但任何环境都不能通过向下搜索作用域链而进入另一个执行环境。对于这个例子中的 swapColors() 而言，其作用域链中包含 3 个对象： swapColors() 的变量对象、 changeColor() 的变量对象和全局变量对象。 swapColors() 的局部环境开始时会先在自己的变量对象中搜索变量和函数名，如果搜索不到则再搜索上一级作用域链。 changeColor() 的作用域链中只包含两个对象：它自己的变量对象和全局变量对象。这也就是说，它不能访问swapColors() 的环境。

提示：函数参数也被当作变量来对待，因此其访问规则与执行环境中的其他变量相同。

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。在两种情况下会发生这种现象。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：

• 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。对 with 语句来说，会将指定的对象添加到作用域链中。对 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。下面看一个例子。

function buildUrl() {
    var qs = "?debug=true";
    with(location){
        var url = href + qs;
    }
    return url;
}

在此， with 语句接收的是 location 对象，因此其变量对象中就包含了 location 对象的所有属性和方法，而这个变量对象被添加到了作用域链的前端。 buildUrl() 函数中定义了一个变量 qs 。当在with 语句中引用变量 href 时（实际引用的是 location.href ），可以在当前执行环境的变量对象中找到。当引用变量 qs 时，引用的则是在 buildUrl() 中定义的那个变量，而该变量位于函数环境的变量对象中。至于 with 语句内部，则定义了一个名为 url 的变量，因而 url 就成了函数执行环境的一部分，所以可以作为函数的值被返回。

提示：在 IE8 及之前版本的 JavaScript 实现中，存在一个与标准不一致的地方，即在catch 语句中捕获的错误对象会被添加到执行环境的变量对象，而不是 catch 语句的变量对象中。换句话说，即使是在 catch 块的外部也可以访问到错误对象。IE9 修复了这个问题。

没有块级作用域

JavaScript 没有块级作用域经常会导致理解上的困惑。在其他类 C 的语言中，由花括号封闭的代码块都有自己的作用域（如果用 ECMAScript 的话来讲，就是它们自己的执行环境），因而支持根据条件来定义变量。例如，下面的代码在 JavaScript 中并不会得到想象中的结果：

if (true) {
    var color = "blue";
}
alert(color); //"blue"

这里是在一个 if 语句中定义了变量 color 。如果是在 C、C++或 Java中， color 会在 if 语句执行完毕后被销毁。但在 JavaScript 中， if 语句中的变量声明会将变量添加到当前的执行环境（在这里是全局环境）中。在使用 for 语句时尤其要牢记这一差异，例如：

for (var i=0; i < 10; i++){
    doSomething(i);
}
alert(i); //10

对于有块级作用域的语言来说， for 语句初始化变量的表达式所定义的变量，只会存在于循环的环境之中。而对于 JavaScript 来说，由 for 语句创建的变量 i 即使在 for 循环执行结束后，也依旧会存在于循环外部的执行环境中。

声明变量

使用 var 声明的变量会自动被添加到最接近的环境中。在函数内部，最接近的环境就是函数的局部环境；在 with 语句中，最接近的环境是函数环境。如果初始化变量时没有使用 var 声明，该变量会自动被添加到全局环境。如下所示：

function add(num1, num2) {
    var sum = num1 + num2;
    return sum;
}
var result = add(10, 20); //30
alert(sum); //由于 sum 不是有效的变量，因此会导致错误

以上代码中的函数 add() 定义了一个名为 sum 的局部变量，该变量包含加法操作的结果。虽然结果值从函数中返回了，但变量 sum 在函数外部是访问不到的。如果省略这个例子中的 var 关键字，那么当 add() 执行完毕后， sum 也将可以访问到：

function add(num1, num2) {
    sum = num1 + num2;
    return sum;
}
var result = add(10, 20); //30
alert(sum); //30

这个例子中的变量 sum 在被初始化赋值时没有使用 var 关键字。于是，当调用完 add() 之后，添加到全局环境中的变量 sum 将继续存在；即使函数已经执行完毕，后面的代码依旧可以访问它。

提示：在编写 JavaScript 代码的过程中，不声明而直接初始化变量是一个常见的错误做法，因为这样可能会导致意外。我们建议在初始化变量之前，一定要先声明，这样就可以避免类似问题。在严格模式下，初始化未经声明的变量会导致错误。

查询标识符

当在某个环境中为了读取或写入而引用一个标识符时，必须通过搜索来确定该标识符实际代表什么。搜索过程从作用域链的前端开始，向上逐级查询与给定名字匹配的标识符。如果在局部环境中找到了该标识符，搜索过程停止，变量就绪。如果在局部环境中没有找到该变量名，则继续沿作用域链向上搜索。搜索过程将一直追溯到全局环境的变量对象。如果在全局环境中也没有找到这个标识符，则意味着该变量尚未声明。

通过下面这个示例，可以理解查询标识符的过程：

var color = "blue";

function getColor(){
    return color;
}
alert(getColor()); //"blue"

调用本例中的函数 getColor() 时会引用变量 color 。为了确定变量 color 的值，将开始一个两步的搜索过程。首先，搜索 getColor() 的变量对象，查找其中是否包含一个名为 color 的标识符。在没有找到的情况下，搜索继续到下一个变量对象（全局环境的变量对象），然后在那里找到了名为color 的标识符。因为搜索到了定义这个变量的变量对象，搜索过程宣告结束。图 4-4 形象地展示了上述搜索过程。

在这个搜索过程中，如果存在一个局部的变量的定义，则搜索会自动停止，不再进入另一个变量对象。换句话说，如果局部环境中存在着同名标识符，就不会使用位于父环境中的标识符，如下面的例子所示：

var color = "blue";
function getColor(){
    var color = "red";
    return color;
}
alert(getColor()); //"red"

修改后的代码在 getColor() 函数中声明了一个名为 color 的局部变量。调用函数时，该变量就会被声明。而当函数中的第二行代码执行时，意味着必须找到并返回变量 color 的值。搜索过程首先从局部环境中开始，而且在这里发现了一个名为 color 的变量，其值为 “red” 。因为变量已经找到了，所以搜索即行停止， return 语句就使用这个局部变量，并为函数会返回 “red” 。也就是说，任何位于局部变量 color 的声明之后的代码，如果不使用 window.color 都无法访问全局 color变量。

为什么能够通过window.color访问？？

答：全局执行环境是最外围的一个执行环境。根据 ECMAScript 实现所在的宿主环境不同，表示执行环境的对象也不一样。在 Web 浏览器中，全局执行环境被认为是 window 对象（后续博客将详细讨论），因此所有全局变量和函数都是作为 window 对象的属性和方法创建的。某个执行环境中的所有代码执行完毕后，该环境被销毁，保存在其中的所有变量和函数定义也随之销毁（全局执行环境直到应用程序退出——例如关闭网页或浏览器——时才会被销毁）。

提示：变量查询也不是没有代价的。很明显，访问局部变量要比访问全局变量更快，因为不用向上搜索作用域链。JavaScript 引擎在优化标识符查询方面做得不错，因此这个差别在将来恐怕就可以忽略不计了。

总结：

• 当代码在一个环境中执行时，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。 作用域链的前端，始终都是当前执行的代码所在环境的变量对象。如果这个环境是函数，则将其活动对象（activation object）作为变量对象。 活动对象在最开始时只包含一个变量(当然能够包含多个变量，比如形式参数，在函数内部定义的变量)，即 arguments 对象（这个对象在全局环境中是不存在的）。作用域链中的下一个变量对象来自包含（外部）环境，而再下一个变量对象则来自下一个包含环境。这样，一直延续到全局执行环境；全局执行环境的变量对象始终都是作用域链中的最后一个对象。（即作用域链中，每一个执行环境对应一个变量对象。变量对象里面能够包含多个变量。）
• 存在执行环境的代码有函数和script标签（不同的script标签算作同一个执行环境，即全局环境），所以if、for、switch。。。等等剩下所有的语句都没有执行环境，所以在它们中定义的变量都存在当前执行环境中即函数执行环境或者全局执行环境中。而函数执行环境可以嵌套（多层执行环境就是由函数叠加起来的，而全局执行环境总是在叠加执行环境的最外层）。对于try-catch、with只是扩展作用域（从外面引入一个对象的属性和方法，叫做扩展作用域），try-catch、with并没有执行环境。
• 如果在函数中多层嵌套了执行环境，那么在非严格模式下有一种办法能够将变量直接申明在全局环境中，即申明变量不用var申明，注意不用var申明时必须要赋值（初始化），否则会报错！！！
• 全局执行环境是最外围的一个执行环境。根据 ECMAScript 实现所在的宿主环境不同，表示执行环境的对象也不一样。在 Web 浏览器中，全局执行环境被认为是 window 对象（后续博客将详细讨论），因此所有全局变量和函数都是作为 window 对象的属性和方法创建的。某个执行环境中的所有代码执行完毕后，该环境被销毁，保存在其中的所有变量和函数定义也随之销毁（全局执行环境直到应用程序退出——例如关闭网页或浏览器——时才会被销毁）。*
• 这样也就很好理解JavaScript的申明变量存放的位置和查找变量的查找顺序了。

同时函数的申明也满足执行环境这个说法：

    /**
     * 创建两个show方法。
     */
    function show(){
        alert('外部show');
    }

    function controler() {
        function show() {
            alert('内部show')
        }

        show();
    }
    /**
     * 调用方法开始测试。
     */
    controler(); //内部show
    show(); //外部show