JavaScript运行原理解析

Posted 2020-09-23 甲乙丙丁少

写在前面的话：

发现使用了那么长时间的JavaScript，但是对其运行原理还是不清晰，今天特意总结一下，把大神们的理论和自己的总结都记录到下面；

1. 什么是javascript解析引擎？

简单地说，javascript解析引擎就是能够“读懂”JavaScript代码，并准确地给出代码运行结果的一段程序。比方说，当你写了 var a = 1 + 1; 这样一段代码，JavaScript引擎做的事情就是看懂（解析）你这段代码，并且将a的值变为2。

 

学过编译原理的人都知道，对于静态语言来说（如Java、C++、C），处理上述这些事情的叫编译器（Compiler），相应地对于JavaScript这样的动态语言则叫解释器（Interpreter）。这两者的区别用一句话来概括就是：编译器是将源代码编译为另外一种代码（比如机器码，或者字节码），而解释器是直接解析并将代码运行结果输出。 比方说，firebug的console就是一个JavaScript的解释器。

但是，现在很难去界定说，JavaScript引擎它到底算是个解释器还是个编译器，因为，比如像V8（Chrome的js引擎），它其实为了提高JS的运行性能，在运行之前会先将JS编译为本地的机器码（native machine code），然后再去执行机器码（这样速度就快很多），相信大家对JIT（Just In Time Compilation）一定不陌生吧。

我个人认为，不需要过分去强调JavaScript解析引擎到底是什么，了解它究竟做了什么事情我个人认为就可以了。对于编译器或者解释器究竟是如何看懂代码的，翻出大学编译课的教材就可以了。这里还要强调的就是，JavaScript引擎本身也是程序，代码编写而成。比如V8就是用C/C++写的。

2. JavaScript解析引擎与ECMAScript是什么关系？

JavaScript引擎是一段程序，我们写的JavaScript代码也是程序，如何让程序去读懂程序呢？这就需要定义规则。比如，之前提到的var a = 1 + 1;，它表示：

 

• 左边var代表了这是申明（declaration），它申明了a这个变量
• 右边的+表示要将1和1做加法
• 中间的等号表示了这是个赋值语句
• 最后的分号表示这句语句结束了

 

上述这些就是规则，有了它就等于有了衡量的标准，JavaScript引擎就可以根据这个标准去解析JavaScript代码了。那么这里的ECMAScript就是定义了这些规则。其中ECMAScript 262这份文档，就是对JavaScript这门语言定义了一整套完整的标准。其中包括：

• var，if，else，break，continue等是JavaScript的关键词
• abstract，int，long等是JavaScript保留词
• 怎么样算是数字、怎么样算是字符串等等
• 定义了操作符（+，-，>，<等）
• 定义了JavaScript的语法
• 定义了对表达式，语句等标准的处理算法，比如遇到==该如何处理
• ??

标准的JavaScript引擎就会根据这套文档去实现，注意这里强调了标准，因为也有不按照标准来实现的，比如IE的JS引擎。这也是为什么JavaScript会有兼容性的问题。至于为什么IE的JS引擎不按照标准来实现，就要说到浏览器大战了，这里就不赘述了，自行Google之。

所以，简单的说，ECMAScript定义了语言的标准，JavaScript引擎根据它来实现，这就是两者的关系。

 

3. JavaScript解析引擎与浏览器又是什么关系？

 

简单地说，JavaScript引擎是浏览器的组成部分之一。因为浏览器还要做很多别的事情，比如解析页面、渲染页面、Cookie管理、历史记录等等。那么，既然是组成部分，因此一般情况下JavaScript引擎都是浏览器开发商自行开发的。比如：IE9的Chakra、Firefox的TraceMonkey、Chrome的V8等等。

从而也看出，不同浏览器都采用了不同的JavaScript引擎。因此，我们只能说要深入了解哪个JavaScript引擎。

4.为什么JavaScript是单线程？

JavaScript语言的一大特点就是单线程，也就是说，同一个时间只能做一件事。那么，为什么JavaScript不能有多个线程呢？这样能提高效率啊。

JavaScript的单线程，与它的用途有关。作为浏览器脚本语言，JavaScript的主要用途是与用户互动，以及操作DOM。这决定了它只能是单线程，否则会带来很复杂的同步问题。比如，假定JavaScript同时有两个线程，一个线程在某个DOM节点上添加内容，另一个线程删除了这个节点，这时浏览器应该以哪个线程为准？

 

所以，为了避免复杂性，从一诞生，JavaScript就是单线程，这已经成了这门语言的核心特征，将来也不会改变。

为了利用多核CPU的计算能力，HTML5提出Web Worker标准，允许JavaScript脚本创建多个线程，但是子线程完全受主线程控制，且不得操作DOM。所以，这个新标准并没有改变JavaScript单线程的本质。

二、任务队列

 

单线程就意味着，所有任务需要排队，前一个任务结束，才会执行后一个任务。如果前一个任务耗时很长，后一个任务就不得不一直等着。

如果排队是因为计算量大，CPU忙不过来，倒也算了，但是很多时候CPU是闲着的，因为IO设备（输入输出设备）很慢（比如Ajax操作从网络读取数据），不得不等着结果出来，再往下执行。

JavaScript语言的设计者意识到，这时主线程完全可以不管IO设备，挂起处于等待中的任务，先运行排在后面的任务。等到IO设备返回了结果，再回过头，把挂起的任务继续执行下去。

于是，所有任务可以分成两种，一种是同步任务（synchronous），另一种是异步任务（asynchronous）。同步任务指的是，在主线程上排队执行的任务，只有前一个任务执行完毕，才能执行后一个任务；异步任务指的是，不进入主线程、而进入"任务队列"（task queue）的任务，只有"任务队列"通知主线程，某个异步任务可以执行了，该任务才会进入主线程执行。

具体来说，异步执行的运行机制如下。（同步执行也是如此，因为它可以被视为没有异步任务的异步执行。）

 

（1）所有同步任务都在主线程上执行，形成一个执行栈（execution context stack）。

（2）主线程之外，还存在一个"任务队列"（task queue）。只要异步任务有了运行结果，就在"任务队列"之中放置一个事件。

（3）一旦"执行栈"中的所有同步任务执行完毕，系统就会读取"任务队列"，看看里面有哪些事件。那些对应的异步任务，于是结束等待状态，进入执行栈，开始执行。

（4）主线程不断重复上面的第三步。

 

三、事件和回调函数

"任务队列"是一个事件的队列（也可以理解成消息的队列），IO设备完成一项任务，就在"任务队列"中添加一个事件，表示相关的异步任务可以进入"执行栈"了。主线程读取"任务队列"，就是读取里面有哪些事件。

"任务队列"中的事件，除了IO设备的事件以外，还包括一些用户产生的事件（比如鼠标点击、页面滚动等等）。只要指定过回调函数，这些事件发生时就会进入"任务队列"，等待主线程读取。

所谓"回调函数"（callback），就是那些会被主线程挂起来的代码。异步任务必须指定回调函数，当主线程开始执行异步任务，就是执行对应的回调函数。

"任务队列"是一个先进先出的数据结构，排在前面的事件，优先被主线程读取。主线程的读取过程基本上是自动的，只要执行栈一清空，"任务队列"上第一位的事件就自动进入主线程。但是，由于存在后文提到的"定时器"功能，主线程首先要检查一下执行时间，某些事件只有到了规定的时间，才能返回主线程。

四、Event Loop

主线程从"任务队列"中读取事件，这个过程是循环不断的，所以整个的这种运行机制又称为Event Loop（事件循环）。

为了更好地理解Event Loop，请看下图（转引自Philip Roberts的演讲《Help, I‘m stuck in an event-loop》）。

上图中，主线程运行的时候，产生堆（heap）和栈（stack），栈中的代码调用各种外部API，它们在"任务队列"中加入各种事件（click，load，done）。只要栈中的代码执行完毕，主线程就会去读取"任务队列"，依次执行那些事件所对应的回调函数。

执行栈中的代码（同步任务），总是在读取"任务队列"（异步任务）之前执行。请看下面这个例子。

 

上图中，主线程运行的时候，产生堆（heap）和栈（stack），栈中的代码调用各种外部API，它们在"任务队列"中加入各种事件（click，load，done）。只要栈中的代码执行完毕，主线程就会去读取"任务队列"，依次执行那些事件所对应的回调函数。

执行栈中的代码（同步任务），总是在读取"任务队列"（异步任务）之前执行。请看下面这个例子。

    var req = new XMLHttpRequest();
    req.open(‘GET‘, url);    
    req.onload = function (){};    
    req.onerror = function (){};    
    req.send();

上面代码中的req.send方法是Ajax操作向服务器发送数据，它是一个异步任务，意味着只有当前脚本的所有代码执行完，系统才会去读取"任务队列"。所以，它与下面的写法等价。

    var req = new XMLHttpRequest();
    req.open(‘GET‘, url);
    req.send();
    req.onload = function (){};    
    req.onerror = function (){};   

也就是说，指定回调函数的部分（onload和onerror），在send()方法的前面或后面无关紧要，因为它们属于执行栈的一部分，系统总是执行完它们，才会去读取"任务队列"。

五、定时器

除了放置异步任务的事件，"任务队列"还可以放置定时事件，即指定某些代码在多少时间之后执行。这叫做"定时器"（timer）功能，也就是定时执行的代码。

定时器功能主要由setTimeout()和setInterval()这两个函数来完成，它们的内部运行机制完全一样，区别在于前者指定的代码是一次性执行，后者则为反复执行。以下主要讨论setTimeout()。

setTimeout()接受两个参数，第一个是回调函数，第二个是推迟执行的毫秒数。

console.log(1);
setTimeout(function(){console.log(2);},1000);
console.log(3);

上面代码的执行结果是1，3，2，因为setTimeout()将第二行推迟到1000毫秒之后执行。

如果将setTimeout()的第二个参数设为0，就表示当前代码执行完（执行栈清空）以后，立即执行（0毫秒间隔）指定的回调函数。

setTimeout(function(){console.log(1);}, 0);
console.log(2);

上面代码的执行结果总是2，1，因为只有在执行完第二行以后，系统才会去执行"任务队列"中的回调函数。

总之，setTimeout(fn,0)的含义是，指定某个任务在主线程最早可得的空闲时间执行，也就是说，尽可能早得执行。它在"任务队列"的尾部添加一个事件，因此要等到同步任务和"任务队列"现有的事件都处理完，才会得到执行。

html5标准规定了setTimeout()的第二个参数的最小值（最短间隔），不得低于4毫秒，如果低于这个值，就会自动增加。在此之前，老版本的浏览器都将最短间隔设为10毫秒。另外，对于那些DOM的变动（尤其是涉及页面重新渲染的部分），通常不会立即执行，而是每16毫秒执行一次。这时使用requestAnimationFrame()的效果要好于setTimeout()。

需要注意的是，setTimeout()只是将事件插入了"任务队列"，必须等到当前代码（执行栈）执行完，主线程才会去执行它指定的回调函数。要是当前代码耗时很长，有可能要等很久，所以并没有办法保证，回调函数一定会在setTimeout()指定的时间执行。

总结：

以前只是认为javaScript只是一种简单的脚本语言而已，但是随着深入之后慢慢的发现，javaScript还是很复杂的，知识点还是挺多的，JS执行原理大致上已经了解了，但是如果想要深入的话，还需要多努力，多看点书，高效能的javaScript和javaScript高级程序设计都还不错