第一章：什么是作用域？

# 第一章：什么是作用域？ 几乎所有语言的最基础模型之一就是在变量中存储值，并且在稍后取出或修改这些值的能力。事实上，在变量中存储值和取出值的能力，给程序赋予了 *状态*。 如果没有这样的概念，一个程序虽然可以执行一些任务，但是它们将会受到极大的限制而且不会非常有趣。 但是在我们的程序中纳入变量，引出了我们现在将要解决的最有趣的问题：这些变量 *存活* 在哪里？换句话说，它们被存储在哪儿？而且，最重要的是，我们的程序如何在需要它们的时候找到它们？ 回答这些问题需要一组明确定义的规则，它定义如何在某些位置存储变量，以及如何在稍后找到这些变量。我们称这组规则为：*作用域*。 但是，这些 *作用域* 规则是在哪里、如何被设置的？ ## 编译器理论 根据你与各种编程语言打交道的水平不同，这也许是不证自明的，或者这也许令人吃惊，尽管 JavaScript 一般被划分到“动态”或者“解释型”语言的范畴，但是其实它是一个编译型语言。它 *不是* 像许多传统意义上的编译型语言那样预先被编译好，编译的结果也不能在各种不同的分布式系统间移植。 但是无论如何，JavaScript 引擎在实施许多与传统的语言编译器相同的步骤，虽然是以一种我们不易察觉的更精巧的方式。 在传统的编译型语言处理中，一块儿源代码，你的程序，在它被执行 *之前* 通常将会经历三个步骤，大致被称为“编译”： 1. 分词/词法分析： 将一连串字符打断成（对于语言来说）有意义的片段，称为 token（记号）。举例来说，考虑这段程序：`var a = 2;`。这段程序很可能会被打断成如下 token：`var`，`a`，`=`，`2`，和 `;`。空格也许会被保留为一个 token，这要看它是否是有意义的。 注意： 分词和词法分析之间的区别是微妙和学术上的，其中心在于这些 token 是否以 *无状态* 或 *有状态* 的方式被识别。简而言之，如果分词器去调用有状态的解析规则来弄清`a`是否应当被考虑为一个不同的 token，还是只是其他 token 的一部分，那么这就是 词法分析。 2. 解析： 将一个 token 的流（数组）转换为一个嵌套元素的树，它综合地表示了程序的语法结构。这棵树称为“抽象语法树”（AST —— Abstract Syntax Tree）。 `var a = 2;` 的树也许开始于称为 `VariableDeclaration`（变量声明）顶层节点，带有一个称为 `Identifier`（标识符）的子节点（它的值为 `a`），和另一个称为 `AssignmentExpression`（赋值表达式）的子节点，而这个子节点本身带有一个称为 `NumericLiteral`（数字字面量）的子节点（它的值为`2`）。 3. 代码生成： 这个处理将抽象语法树转换为可执行的代码。这一部分将根据语言，它的目标平台等因素有很大的不同。 所以，与其深陷细节，我们不如笼统地说，有一种方法将我们上面描述的 `var a = 2;` 的抽象语法树转换为机器指令，来实际上 *创建* 一个称为 `a` 的变量（包括分配内存等等），然后在 `a` 中存入一个值。 注意： 引擎如何管理系统资源的细节远比我们要挖掘的东西深刻，所以我们将理所当然地认为引擎有能力按其需要创建和存储变量。 和大多数其他语言的编译器一样，JavaScript 引擎要比这区区三步复杂太多了。例如，在解析和代码生成的处理中，一定会存在优化执行效率的步骤，包括压缩冗余元素，等等。 所以，我在此描绘的只是大框架。但是我想你很快就会明白为什么我们涵盖的这些细节是重要的，虽然是在很高的层次上。 其一，JavaScript 引擎没有（像其他语言的编译器那样）大把的时间去优化，因为 JavaScript 的编译和其他语言不同，不是提前发生在一个构建的步骤中。 对 JavaScript 来说，在许多情况下，编译发生在代码被执行前的仅仅几微秒之内（或更少！）。为了确保最快的性能，JS 引擎将使用所有的招数（比如 JIT，它可以懒编译甚至是热编译，等等），而这远超出了我们关于“作用域”的讨论。 为了简单起见，我们可以说，任何 JavaScript 代码段在它执行之前（通常是 *刚好* 在它执行之前！）都必须被编译。所以，JS 编译器将把程序 `var a = 2;` 拿过来，并首先编译它，然后准备运行它，通常是立即的。 ## 理解作用域 我们将采用的学习作用域的方法，是将这个处理过程想象为一场对话。但是，*谁* 在进行这场对话呢？ ### 演员 让我们见一见处理程序 `var a = 2;` 时进行互动的演员吧，这样我们就能理解稍后将要听到的它们的对话： 1. *引擎*：负责从始至终的编译和执行我们的 JavaScript 程序。 2. *编译器*：*引擎* 的朋友之一；处理所有的解析和代码生成的重活儿（见前一节）。 3. *作用域*：*引擎* 的另一个朋友；收集并维护一张所有被声明的标识符（变量）的列表，并对当前执行中的代码如何访问这些变量强制实施一组严格的规则。 为了 *全面理解* JavaScript 是如何工作的，你需要开始像 *引擎*（和它的朋友们）那样 *思考*，问它们问的问题，并像它们一样回答。 ### 反复 当你看到程序 `var a = 2;` 时，你很可能认为它是一个语句。但这不是我们的新朋友 *引擎* 所看到的。事实上，*引擎* 看到两个不同的语句，一个是 *编译器* 将在编译期间处理的，一个是 *引擎* 将在执行期间处理的。 那么，让我们来分析 *引擎* 和它的朋友们将如何处理程序 `var a = 2;`。 *编译器* 将对这个程序做的第一件事情，是进行词法分析来将它分解为一系列 token，然后这些 token 被解析为一棵树。但是当 *编译器* 到了代码生成阶段时，它会以一种与我们可能想象的不同的方式来对待这段程序。 一个合理的假设是，*编译器* 将产生的代码可以用这种假想代码概括：“为一个变量分配内存，将它标记为 `a`，然后将值 `2` 贴在这个变量里”。不幸的是，这不是十分准确。 *编译器* 将会这样处理： 1. 遇到 `var a`，*编译器* 让 *作用域* 去查看对于这个特定的作用域集合，变量 `a` 是否已经存在了。如果是，*编译器* 就忽略这个声明并继续前进。否则，*编译器* 就让 *作用域* 去为这个作用域集合声明一个称为 `a` 的新变量。 2. 然后 *编译器* 为 *引擎* 生成稍后要执行的代码，来处理赋值 `a = 2`。*引擎* 运行的代码首先让 *作用域* 去查看在当前的作用域集合中是否有一个称为 `a` 的变量可以访问。如果有，*引擎* 就使用这个变量。如果没有，*引擎* 就查看 *其他地方*（参见下面的嵌套 *作用域* 一节）。 如果 *引擎* 最终找到一个变量，它就将值 `2` 赋予它。如果没有，*引擎* 将会举起它的手并喊出一个错误！ 总结来说：对于一个变量赋值，发生了两个不同的动作：第一，*编译器* 声明一个变量（如果先前没有在当前作用域中声明过），第二，当执行时，*引擎* 在 *作用域* 中查询这个变量并给它赋值，如果找到的话。 ### 编译器术语 为了继续更深入地理解，我们需要一点儿更多的编译器术语。 当 *引擎* 执行 *编译器* 在第二步为它产生的代码时，它必须查询变量 `a` 来看它是否已经被声明过了，而且这个查询是咨询 *作用域* 的。但是 *引擎* 所实施的查询的类型会影响查询的结果。 在我们这个例子中，*引擎* 将会对变量 `a` 实施一个“LHS”查询。另一种类型的查询称为“RHS”。 我打赌你能猜出“L”和“R”是什么意思。这两个术语表示“Left-hand Side（左手边）”和“Right-hand Side（右手边）” 什么的……边？赋值操作的。 换言之，当一个变量出现在赋值操作的左手边时，会进行 LHS 查询，当一个变量出现在赋值操作的右手边时，会进行 RHS 查询。 实际上，我们可以表述得更准确一点儿。对于我们的目的来说，一个 RHS 是难以察觉的，因为它简单地查询某个变量的值，而 LHS 查询是试着找到变量容器本身，以便它可以赋值。从这种意义上说，RHS 的含义实质上不是 *真正的* “一个赋值的右手边”，更准确地说，它只是意味着“不是左手边”。 在这一番油腔滑调之后，你也可以认为“RHS”意味着“取得他/她的源（值）”，暗示着 RHS 的意思是“去取……的值”。 让我们挖掘得更深一些。 当我说： ```source-js console.log( a ); ``` 这个指向 `a` 的引用是一个 RHS 引用，因为这里没有东西被赋值给 `a`。而是我们在查询 `a` 并取得它的值，这样这个值可以被传递进 `console.log(..)`。 作为对比： ```source-js a = 2; ``` 这里指向 `a` 的引用是一个 LHS 引用，因为我们实际上不关心当前的值是什么，我们只是想找到这个变量，将它作为 `= 2` 赋值操作的目标。 注意： LHS 和 RHS 意味着“赋值的左/右手边”未必像字面上那样意味着“ `=` 赋值操作符的左/右边”。赋值有几种其他的发生形式，所以最好在概念上将它考虑为：“赋值的目标（LHS）”和“赋值的源（RHS）”。 考虑这段程序，它既有 LHS 引用又有 RHS 引用： ```source-js function foo(a) { console.log( a ); // 2 } foo( 2 ); ``` 调用 `foo(..)` 的最后一行作为一个函数调用要求一个指向 `foo` 的 RHS 引用，意味着，“去查询 `foo` 的值，并把它交给我”。另外，`(..)` 意味着 `foo` 的值应当被执行，所以它最好实际上是一个函数！ 这里有一个微妙但重要的赋值。你发现了吗？ 你可能错过了这个代码段隐含的 `a = 2`。它发生在当值 `2` 作为参数值传递给 `foo(..)` 函数时，值 `2` 被赋值 给了参数 `a`。为了（隐含地）给参数 `a` 赋值，进行了一个 LHS 查询。 这里还有一个 `a` 的值的 RHS 引用，它的结果值被传入 `console.log(..)`。`console.log(..)` 需要一个引用来执行。它为 `console` 对象进行一个 RHS 查询，然后发生一个属性解析来看它是否拥有一个称为 `log` 的方法。 最后，我们可以将这一过程概念化为，在将值 `2`（通过变量 `a` 的 RHS 查询得到的）传入 `log(..)` 时发生了一次 LHS/RHS 的交换。在 `log(..)` 的原生实现内部，我们可以假定它拥有参数，其中的第一个（也许被称为 `arg1`）在 `2` 被赋值给它之前，进行了一次 LHS 引用查询。 注意： 你可能会试图将函数声明 `function foo(a) {...` 概念化为一个普通的变量声明和赋值，比如 `var foo` 和 `foo = function(a){...`。这样做会诱使你认为函数声明涉及了一次 LHS 查询。 然而，一个微妙但重要的不同是，在这种情况下 *编译器* 在代码生成期间同时处理声明和值的定义，如此当 *引擎* 执行代码时，没有必要将一个函数值“赋予” `foo`。因此，将函数声明考虑为一个我们在这里讨论的 LHS 查询赋值是不太合适的。 ### 引擎/作用域对话 ```source-js function foo(a) { console.log( a ); // 2 } foo( 2 ); ``` 让我们将上面的（处理这个代码段的）交互想象为一场对话。这场对话将会有点儿像这样进行： > *引擎*：嘿 *作用域*，我有一个 `foo` 的 RHS 引用。听说过它吗？ > *作用域*；啊，是的，听说过。*编译器* 刚在一秒钟之前声明了它。它是一个函数。给你。 > *引擎*：太棒了，谢谢！好的，我要执行 `foo` 了。 > *引擎*：嘿，*作用域*，我得到了一个 `a` 的 LHS 引用，听说过它吗？ > *作用域*：啊，是的，听说过。*编译器* 刚才将它声明为 `foo` 的一个正式参数了。给你。 > *引擎*：一如既往的给力，*作用域*。再次感谢你。现在，该把 `2` 赋值给 `a` 了。 > *引擎*：嘿，*作用域*，很抱歉又一次打扰你。我需要 RHS 查询 `console`。听说过它吗？ > *作用域*：没关系，*引擎*，这是我一天到晚的工作。是的，我得到 `console` 了。它是一个内建对象。给你。 > *引擎*：完美。查找 `log(..)`。好的，很好，它是一个函数。 > *引擎*：嘿，*作用域*。你能帮我查一下 `a` 的 RHS 引用吗？我想我记得它，但只是想再次确认一下。 > *作用域*：你是对的，*引擎*。同一个家伙，没变。给你。 > *引擎*：酷。传递 `a` 的值，也就是 `2`，给 `log(..)`。 > ... ### 小测验 检查你到目前为止的理解。确保你扮演 *引擎*，并与 *作用域* “对话”： ```source-js function foo(a) { var b = a; return a + b; } var c = foo( 2 ); ``` 1. 找到所有的 LHS 查询（有3处！）。 2. 找到所有的 RHS 查询（有4处！）。 注意： 小测验答案参见本章的复习部分！ ## 嵌套的作用域 我们说过 *作用域* 是通过标识符名称查询变量的一组规则。但是，通常会有多于一个的 *作用域* 需要考虑。 就像一个代码块儿或函数被嵌套在另一个代码块儿或函数中一样，作用域被嵌套在其他的作用域中。所以，如果在直接作用域中找不到一个变量的话，*引擎* 就会咨询下一个外层作用域，如此继续直到找到这个变量或者到达最外层作用域（也就是全局作用域）。 考虑这段代码： ```source-js function foo(a) { console.log( a + b ); } var b = 2; foo( 2 ); // 4 ``` `b` 的 RHS 引用不能在函数 `foo` 的内部被解析，但是可以在它的外围 *作用域*（这个例子中是全局作用域）中解析。 所以，重返 *引擎* 和 *作用域* 的对话，我们会听到： > *引擎*：“嘿，`foo` 的 *作用域*，听说过 `b` 吗？我得到一个它的 RHS 引用。” > *作用域*：“没有，从没听说过。问问别人吧。” > *引擎*：“嘿，`foo` 外面的 *作用域*，哦，你是全局 *作用域*，好吧，酷。听说过 `b` 吗？我得到一个它的 RHS 引用。” > *作用域*：“是的，当然有。给你。” 遍历嵌套 *作用域* 的简单规则：*引擎* 从当前执行的 *作用域* 开始，在那里查找变量，如果没有找到，就向上走一级继续查找，如此类推。如果到了最外层的全局作用域，那么查找就会停止，无论它是否找到了变量。 ### 建筑的隐喻 为了将嵌套 *作用域* 解析的过程可视化，我想让你考虑一下这个高层建筑。 [](https://github.com/getify/You-Dont-Know-JS/blob/1ed-zh-CN/scope%20%26%20closures/fig1.png) 这个建筑物表示我们程序的嵌套 *作用域* 规则集合。无论你在哪里，建筑的第一层表示你当前执行的 *作用域*。建筑的顶层表示全局 *作用域*。 你通过在你当前的楼层中查找来解析 LHS 和 RHS 引用，如果你没有找到它，就坐电梯到上一层楼，在那里寻找，然后再上一层，如此类推。一旦你到了顶层（全局 *作用域*），你要么找到了你想要的东西，要么没有。但是不管怎样你都不得不停止了。 ## 错误 为什么我们区别 LHS 和 RHS 那么重要？ 因为在变量还没有被声明（在所有被查询的 *作用域* 中都没找到）的情况下，这两种类型的查询的行为不同。 考虑如下代码： ```source-js function foo(a) { console.log( a + b ); b = a; } foo( 2 ); ``` 当 `b` 的 RHS 查询第一次发生时，它是找不到的。它被说成是一个“未声明”的变量，因为它在作用域中找不到。 如果 RHS 查询在嵌套的 *作用域* 的任何地方都找不到一个值，这会导致 *引擎* 抛出一个 `ReferenceError`。必须要注意的是这个错误的类型是 `ReferenceError`。 相比之下，如果 *引擎* 在进行一个 LHS 查询，但到达了顶层（全局 *作用域*）都没有找到它，而且如果程序没有运行在“Strict模式”[^note-strictmode]下，那么这个全局 *作用域* 将会在 全局作用域中 创建一个同名的新变量，并把它交还给 *引擎*。 *“不，之前没有这样的东西，但是我可以帮忙给你创建一个。”* 在 ES5 中被加入的“Strict模式”[^note-strictmode]，有许多与一般/宽松/懒惰模式不同的行为。其中之一就是不允许自动/隐含的全局变量创建。在这种情况下，将不会有全局 *作用域* 的变量交回给 LHS 查询，并且类似于 RHS 的情况, *引擎* 将抛出一个 `ReferenceError`。 现在，如果一个 RHS 查询的变量被找到了，但是你试着去做一些这个值不可能做到的事，比如将一个非函数的值作为函数运行，或者引用 `null` 或者 `undefined` 值的属性，那么 *引擎* 就会抛出一个不同种类的错误，称为 `TypeError`。 `ReferenceError` 是关于 *作用域* 解析失败的，而 `TypeError` 暗示着 *作用域* 解析成功了，但是试图对这个结果进行了一个非法/不可能的动作。 ## 复习 作用域是一组规则，它决定了一个变量（标识符）在哪里和如何被查找。这种查询也许是为了向这个变量赋值，这时变量是一个 LHS（左手边）引用，或者是为取得它的值，这时变量是一个 RHS（右手边）引用。 LHS 引用得自赋值操作。*作用域* 相关的赋值可以通过 `=` 操作符发生，也可以通过向函数参数传递（赋予）参数值发生。 JavaScript *引擎* 在执行代码之前首先会编译它，因此，它将 `var a = 2;` 这样的语句分割为两个分离的步骤： 1. 首先，`var a` 在当前 *作用域* 中声明。这是在最开始，代码执行之前实施的。 2. 稍后，`a = 2` 查找这个变量（LHS 引用），并且如果找到就向它赋值。 LHS 和 RHS 引用查询都从当前执行中的 *作用域* 开始，如果有需要（也就是，它们在这里没能找到它们要找的东西），它们会在嵌套的 *作用域* 中一路向上，一次一个作用域（层）地查找这个标识符，直到它们到达全局作用域（顶层）并停止，既可能找到也可能没找到。 未被满足的 RHS 引用会导致 `ReferenceError` 被抛出。未被满足的 LHS 引用会导致一个自动的，隐含地创建的同名全局变量（如果不是“Strict模式”[^note-strictmode]），或者一个 `ReferenceError`（如果是“Strict模式”[^note-strictmode]）。 ### 小测验答案 ```source-js function foo(a) { var b = a; return a + b; } var c = foo( 2 ); ``` 1. 找出所有的 LHS 查询（有3处！）。 `c = ..`, `a = 2`（隐含的参数赋值）和 `b = ..` 2. 找出所有的 RHS 查询（有4处！）。 `foo(2..`, `= a;`, `a + ..` 和 `.. + b` [^note-strictmode]: MDN: [Strict Mode](https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/JavaScript/Reference/Functions_and_function_scope/Strict_mode)