五年前端三年面试

执行上下文与调用栈

前言

在说一个概念前，我们需要确定它的前提，此文以 ECMAScript5 为基础撰写

一句话解释

执行上下文就是一段代码执行时所带的所有信息

执行上下文是什么

《重学前端》的作者 winter 曾经对什么是执行上下文做过这样的解释：

JavaScript 标准把一段代码（包括函数），执行所需的所有信息定义为：“执行上下文

并且他整理出在不同 ECMAScript 版本中执行上下文所代表的含义：

执行上下文在 ES3 中，包含三个部分。

  • scope：作用域，也常常被叫做作用域链
  • variable object：变量对象，用来存储变量的对象
  • this value： this 值

在 ES5 中，我们改进了命名方式，把执行上下文最初的三个部分改成下面这个样子

  • lexical environment：词法环境，当获取变量时使用
  • variable environment：变量环境，当声明变量时使用
  • this value： this 值

在 ES2018 中，执行上下文又变成了这个样子，this 值被归入 lexical environment，但是增加了不少内容

  • lexical environment：词法环境，当获取变量或者 this 值时使用
  • variable environment：变量环境，当声明变量时使用
  • code evaluation state: 用于恢复代码执行位置
  • Function：执行的任务是函数时使用，表示正在被执行的函数
  • ScriptOrModule：执行的任务是脚本或者模块时使用，表示正在被执行的代码
  • Realm：使用的基础库和内置对象实力
  • Generator：仅生成器上下文有这个属性，表示当前生成器

总结的很完整，按照 选新不选旧 原则，本文应该以 ES2022 为切入点展开，最次也要 ES2018，但主流的解释执行上下文都以 ES3/ES5 为例，权衡之后，笔者将以 ES5 为基础撰写执行上下文，并在后续补充说明 ES3 中的执行上下文

执行生命周期

我们在讲 词法环境 时，曾经画过一张执行生命周期图，当时所讲的词法环境是在**（预）编译阶段产生，现在讲的执行上下文是在引擎执行阶段**进行

一段代码如果要执行，首先会往调用栈（call stack）中压入全局执行上下文；再创建词法环境，此时变量该提升提升，函数该提升提升，并将这些变量登记到词法环境中（编译阶段）；接着进入执行阶段，执行可执行代码，该赋值赋值，遇到函数，就创建一个函数执行上下文，并往调用栈中压入该函数的执行上下文；而后创建该函数的词法环境，当该函数执行完后，从调用栈中弹出；反复循环，到最后调用栈中只剩一个全局执行上下文，除非你关闭浏览器，不然全局执行上下文不会弹出

我们要往调用栈中压入执行上下文，调用栈的数据结构为 栈 。特点为先进后出

如果我们的代码是这样的

var a = 1;

function foo() {
    function bar() {
        console.log(a);
    }

    bar();
}

function baz() {
    foo();
}

baz();

那么执行过程应该是这样：

执行上下文-example

图中的蓝色方块为 执行上下文 ，外面黑框白底的区域就是模拟 调用栈。整个过程遵循先进后出的原则

  • 在任何代码执行之前，先创建全局执行上下文，并往调用栈中压栈（编译阶段）
  • 创建词法环境，登记函数声明和变量声明（编译阶段）
  • 引擎执行到 baz() ，创建 baz() 的函数执行上下文，并往调用栈中压栈
  • 函数 baz() 调用 foo() ，创建 foo() 执行上下文，并将其压入调用栈中，
  • 函数 foo() 调用 bar() ，创建 bar() 执行上下文，并将其压入调用栈，
  • 函数 bar() 执行 console.log() ，同理将其压入调用栈，
  • 执行完 console.log() 后，被弹出
  • 函数 bar() 执行完毕，弹出调用栈
  • 函数 foo() 也执行完毕，弹出调用栈
  • 函数 baz() 同样执行完毕，弹出调用栈

只剩下全局执行上下文，留在栈底

在这里，我们看到 console.log() 也被压入到执行栈中，不禁有个思考，哪些代码元素会被执行到调用栈中呢？

可执行代码

事实上，不仅仅是 function 可以作为执行上下文在执行栈中运行，在 JavaScript 里定义了四种可执行代码：

  • global code：整个 js 文件
  • function code：函数代码
  • module：模块代码
  • eval code：放在 eval 的代码

所以才会看到 console.log() 被压入调用栈中，因为它属于 global code

执行步骤

JavaScript 引擎是按照可执行代码来执行代码的，每次执行步骤如下：

  1. 创建一个新的执行上下文（Execution Context）
  2. 创建一个新的词法环境（Lexical Environment）
  3. 把 LexicalEnvironment 和 VariableEnvironment 指向新创建的词法环境
  4. 把这个执行上下文压入执行栈并成为正在运行的执行上下文
  5. 执行代码
  6. 执行结束后，把这个执行上下文弹出执行栈

如何创建执行上下文

到现在，我们已经知道 JavaScript 是如何管理执行上下文的，现在让我们了解一下 JavaScript 引擎是怎样创建执行上下文的

创建执行上下文有两个阶段：1) 创建阶段 和 2) 执行阶段

创建阶段

在 JavaScript 代码执行前，执行上下文将经历创建阶段。在创建阶段会发生以下三件事：

  • this 值的确定，即我们所熟知的 this 绑定。

  • 创建词法环境组件（LexicalEnvironment component ）

  • 创建变量环境组件（VariableEnvironment component ）

所以执行上下文在概念上表示如下：

ExecutionContext = {
    ThisBinding = <this value>,
    LexicalEnvironment = { ... },
    VariableEnvironment = { ... },
}

这里需要再多嘴一句：

在很多文章中我们看到执行上下文只有 LexicalEnvironment 和 VariableEnvironment ，并没有 this。那是因为在 ES2018 后，this 就归纳到 LexicalEnvironment （如上文 winter 所说），但本文是以 ES5 为基础撰写，故此版本的执行上下文中是有 this 的

this 绑定

this 的指向很简单，谁调用我，我只想谁

在执行上下文中，this 就指向那个调用者

词法环境组件 和 变量环境组件

这两”姐妹“有点像，只是分工不同。

变量环境组件（VariableEnvironment component ） 用来登记 var 、function 等变量声明

词法环境组件（LexicalEnvironment component ） 用来登记 let 、const 、class 等变量声明

按上例可以这么画图：

执行上下文-example

LexicalEnvironment 和 VariableEnvironment 则都是词法环境（Lexical Environment）。很多文章中常把 LexicalEnvironment 理解成 词法环境，这是不对的，LexicalEnvironment 是一个单词，表示执行上下文中的是标识 let 、const 、class 等变量声明，而 VariableEnvironment 则是标识 var 、function 等变量声明

如果非要用中文来表示 LexicalEnvironment 的话，我更愿意用 词法环境组件 来表示；同理，VariableEnvironment 则用 变量环境组件 来表示

对我而言，变量环境组件和词法环境组件就好比”装黄豆瓶“和”装绿豆瓶“，一个负责装黄豆（var，function），一个负责装绿豆（let，const，class），它们指向词法环境，本质是从词法环境中拿数据

所以无论是词法环境组件还是变量环境组件，都有一个环境记录器和一个 outer 对象，其中环境记录器记录变量，outer 指向父级作用域

具体可以看 ECMAScript 6 标准中的第八节open in new window 详细了解一下

回头看上述例子：

执行上下文-example

bar() 函数中的 console.log(a) ，本环境记录器中找不到，就引着 outer 找，在 window 中找到变量 a ，赋值后，弹出，foo() 执行完后也弹出，baz() 执行完弹出，留下全局执行上下文在栈底

之前在说 词法环境 时，我们曾下过这样的定义：outer 就是指向词法环境的父级词法环境（作用域）

但是这里就有个疑惑了，outer 既然指词法环境的父级作用域，那作用域链从那里来？

以上面的 demo 为例，bar 的执行上下文的伪代码：

BarExecutionContext = {
    ThisBinding = <Global Object>,
    LexicalEnvironment = {
   		EnvironmentRecord: { ... },
        outer: <FooLexicalEnvironment>
	},
    VariableEnvironment = {
        EnvironmentRecord: { ... },
        outer: <FooLexicalEnvironment>
    },
}

bar 的 outer 指向 foo 执行上下文， foo 的 outer 指向 window，变量先从当前执行作用域查找变量，如果找不到，就引着 outer 继续查找。这一过程中，bar 作用域—foo 作用域—window 作用域。

当代码要访问一个变量时——首先会搜索当前词法环境，然后搜索外部环境，然后搜索更外部的环境，以此类推，直到全局词法环境

而我们潜意识中的”作用域链“是在 ES3 中的才有的，因为那个时候的执行上下文中有 scope（作用域），当前作用域找不到变量，就往外层作用域中找，然后再到更外层的作用域找，知道全局作用域，作用域与作用域之间以链表的形式连接着，这就是作用域链

执行上下文有几种

分三种

  • 全局执行上下文

  • 函数执行上下文

  • eval 执行上下文

ECMAScript3 中的执行上下文

如果你喜欢看有关执行上下文的文章，应该常看到这样的描述，执行上下文由变量对象（Variable object，VO）、作用域链（Scope chain） 、this 构成。

其实我们可以把变量对象（VO） 看成是 ES5 中的词法环境，scope 为词法环境中的 outer

如何追踪执行上下文栈

例如：

function foo1() {
    foo2();
}
function foo2() {
    foo3();
}
function foo3() {
    foo4();
}
function foo4() {
    console.lg('foo4');
}
foo1();

得到错误提示如图：

执行上下文-example

或者在 Chrome 中执行代码，打断点得到：

执行上下文-example

关于变量对象与活动对象

笔者最开始了解执行上下文、执行上下文栈以及闭包时，大家是用变量对象和活动对象来解释的，这是 ES3 时的词汇，而本文是以 ES5 为标准展开

其两者的涵义简单来说，变量对象（Variable object）是与执行上下文相关的对象，存储了在上下文中定义的变量和函数声明。而在函数上下文中，我们用活动对象（activation object，AO）来表示变量对象

作用域在（预）编译阶段确定，但是作用域链是在执行上下文的创建阶段完成生产的。因为函数在调用时，才会开始创建对应的执行上下文。执行上下文包括了：变量对象、作用域链以及 this 的指向

总结

执行上下文可以理解为函数的执行环境，当函数执行时，都会创建一个执行环境

每次只能有一个执行上下文处于运行状态，因为 JavaScript 是单线程语言，它由执行栈或（叫）调用栈来管理

创建一个函数，就生成了一个作用域；调用一个函数，就生成一个作用域链

执行上下文创建阶段分为绑定 this，创建词法环境，变量环境三步

调用函数时，创建一个新的词法环境

词法环境这个说法，是 ES5 规范中的内容，可以理解为 ES3 中的变量对象，scope 为 词法环境中的 outer

在 ES5 中，词法环境 和 变量环境 的一个不同就是前者被用来存储函数声明和变量（let 和 const）绑定，而后者只用来存储 var 变量绑定

在 ES3 时，执行上下文包括了变量对象、作用域链以及 this

在 ES5 时，执行上下文则包括词法环境、变量环境、this。其中词法环境或者变量环境都是由用于环境记录器和 outer 对象组成，其中 outer 指向父级作用域，环境记录器记录自由变量

ES3与ES5执行上下文

Q&A

Q：是不是说在定义时确认了作用域，在调用时确认了作用域链？

A： yes，这里需要注意的是每一个执行上下文都会进行提升操作

Q： ES5 中的执行上下文的词法环境和编译阶段的词法环境有什么不同？

A：一段 JavaScript 代码在执行之前需要被 JavaScript 引擎编译，编译完成之后，才会进行执行阶段，大致流程如下： JavaScript 的执行流程图

参考资料

Last Updated:
Contributors: johan