从实现理解闭包(复盘校对版)

January 16, 2019coding翻译

来源于 现代JavaScript教程 闭包章节 中文翻译计划 本文很清晰地解释了闭包是什么,以及闭包如何产生,相信你看完也会有所收获

关键字

Closure 闭包

Lexical Environment 词法环境

Environment Record 环境记录

outer Lexical Environment 外部词法环境

global Lexical Environment 全局语法环境

闭包(Closure)

JavaScript 是一个 function-oriented(直译:面向函数)的语言,这个特性为我们带来了很大的操作自由。函数只需创建一次,赋值到一个变量,或者作为参数传入另一个函数然后在一个全新的环境调用。

函数可以访问它外部的变量,是一个常用 feature。

但是当外部变量改变时会发生什么?函数会获取最新的值,还是函数创建当时的值?

还有一个问题,当函数被传入其他地方再调用……他能访问那个地方的外部变量吗?

不同语言的表现有所不同,下面我们研究一下 JavaScript 中的表现。

两个问题

我们先思考下面两种情况,看完这篇文章你就可以回答这两个问题,更复杂的问题也不在话下。

  1. sayHi 函数使用了外部变量 name。函数运行时,会使用两个值中的哪个?

    let name = "John";
    
    function sayHi() {
     alert("Hi, " + name);
    }
    
    name = "Pete";
    
    sayHi(); // "John" 还是 "Pete"?

    这个情况不论是浏览器端还是服务器端都很常见。函数很可能在它创建一段时间后才执行,例如等待用户操作或者网络请求。

    问题是:函数是否会选择变量最新的值呢?

  1. makeWorker 函数创建并返回了另一个函数。这个新函数可以在任何地方调用。他会访问创建时的变量还是调用时的变量呢?

    function makeWorker() {
     let name = "Pete";
    
     return function() {
       alert(name);
     };
    }
    
    let name = "John";
    
    // 创建函数
    let work = makeWorker();
    
    // 调用函数
    work(); // "Pete"(创建时)还是 "John"(调用时)?

Lexical Environment(词法环境)

要理解里面发生了什么,必须先明白“变量”到底是什么。

在 JavaScript 里,任何运行的函数、代码块、整个 script 都会关联一个被称为 Lexical Environment (词法环境) 的对象。

Lexical Environment 对象包含两个部分:(译者:这里是重点)

  1. Environment Record(环境记录)是一个以全部局部变量为属性的对象(以及其他如 this 值的信息)。
  2. outer lexical environment(外部词法环境)的引用,通常关联词法上的外面一层代码(花括号外一层)。

所以,“变量”就是内部对象 Environment Record 的一个属性。要获取或改变一个对象,意味着获取改变 Lexical Environment 的属性。

例如在这段简单的代码中,只有一个 Lexical Environment:

lexical environment

这就是所谓 global Lexical Environment(全局语法环境),对应整个 script。对于浏览端,整个 <script> 标签共享一个全局环境。

(译者:这里是重点) 上图中,正方形代表 Environment Record(变量储存点),箭头代表一个外部引用。global Lexical Environment 没有外部引用,所以指向 null

下图展示 let 变量的工作机制:

lexical environment

右边的正方形描述 global Lexical Environment 在执行中如何改变:

  1. 脚本开始运行,Lexical Environment 为空。
  2. let phrase 定义出现了。因为没有赋值所以储存为 undefined
  3. phrase 被赋值。
  4. phrase 被赋新值。

看起来很简单对不对?

总结:

  • 变量是一个特殊内部对象的属性,关联于执行时的块、函数、script 。
  • 对变量的操作实际上是对这个对象属性的操作。

Function Declaration(函数声明)

Function Declaration 与 let 不同,并非处理于被执行的时候,而是(译者注:意思就是全局词法环境创建时处理函数声明)Lexical Environment 创建的时候。对于 global Lexical Environment,意味着 script 开始运行的时候。

这就是函数可以在定义前调用的原因。

以下代码 Lexical Environment 开始时非空。因为有 say 函数声明,之后又有了 let 声明的 phrase

lexical environment

Inner and outer Lexical Environment(内部词法环境和外部词法环境)

调用 say() 的过程中,它使用了外部变量,一起看看这里面发生了什么。

(译者:这里是重点) 函数运行时会自动创建一个新的函数 Lexical Environment。这是所有函数的通用规则。这个新的 Lexical Environment 用于当前运行函数的存放局部变量和形参。

箭头标记的是执行 say("John") 时的 Lexical Environment :

lexical environment

函数调用过程中,可以看到两个 Lexical Environment(译者注:就是两个长方形):里面的是函数调用产生的,外面的是全局的:

  • 内层 Lexical Environment 对应当前执行的 say。它只有一个变量:函数实参 name。我们调用了 say("John"),所以 name 的值是 "John"
  • 外层 Lexical Environment 是 global Lexical Environment。

内层 Lexical Environment 的 outer 属性指向外层 Lexical Environment。

代码要访问一个变量,首先搜索内层 Lexical Environment ,接着是外层,再外层,直到链的结束。

如果走完整条链变量都找不到,在 strict mode 就会报错了。不使用 use strict 的情况下,对未定义变量的赋值,会创造一个新的全局变量。

下面一起看看变量搜索如何处理:

  • say 里的 alert 想要访问 name,立即就能在当前函数的 Lexical Environment 找到。
  • 而局部变量不存在 phrase,所以要循着 outer 在全局变量里找到。

lexical environment lookup

现在我们可以回答本章开头的第一个问题了。

函数获取外部变量当前值

旧变量值不储存在任何地方,函数需要他们的时候,它取得来源于自身或外部 Lexical Environment 的当前值。(译者注:就是引用值)

所以第一个问题的答案是 Pete

let name = "John";

function sayHi() {
 alert("Hi, " + name);
}

name = "Pete"; // (*)

sayHi(); // Pete

上述代码的执行流:

  1. global Lexical Environment 存在 name: "John"
  2. (*) 行中,全局变量修改了,现在成了这样 name: "Pete"
  3. say() 执行的时候,取外部 name。此时在 global Lexical Environment 中已经是 "Pete"

一次调用,一个 Lexical Environment 请注意,每当一个函数运行,就会创建一个新的 function Lexical Environment。 如果一个函数被多次调用,那么每次调用都会生成一个属于当前调用的全新 Lexical Environment,里面装载着当前调用的变量和实参。

Lexical Environment 是一个标准对象(specification object) “Lexical Environment” 是一个标准对象(specification object),不能直接获取或设置它,JavaScript 引擎也可能优化它,抛弃未使用的变量来节省内存或者作其他优化,但是可见行为应该如上面所述。

嵌套函数

在一个函数中创建另一个函数,称为“嵌套”。这在 JavaScript 很容易实现:

function sayHiBye(firstName, lastName) {

 // helper nested function to use below
 function getFullName() {
   return firstName + " " + lastName;
 }

 alert( "Hello, " + getFullName() );
 alert( "Bye, " + getFullName() );

}

嵌套函数 getFullName() 可以访问外部变量,帮助我们很方便地返回组合后的全名。

更有趣的是,嵌套函数可以作为一个新对象的属性或者自己本身被 return。这样它们就能在其他地方使用,无论在哪里,它都能访问同样的外部变量。

一个构造函数的例子:

// 构造函数返回一个新对象
function User(name) {

 // 嵌套函数创造对象方法
 this.sayHi = function() {
   alert(name);
 };
}

let user = new User("John");
user.sayHi(); // 方法返回外部 "name"

一个 return 函数的例子:

function makeCounter() {
 let count = 0;

 return function() {
   return count++; // has access to the outer counter
 };
}

let counter = makeCounter();

alert( counter() ); // 0
alert( counter() ); // 1
alert( counter() ); // 2

我们接着研究 makeCounter。counter 函数每调用一次就会返回下一个数。这段代码很简单,但只要稍微修改,就能具有一定的实用性,例如伪随机数生成器

counter 内部如何工作?

内部函数运行, count++ 中的变量由内到外搜索:

lookup

  1. 嵌套函数局部变量……
  2. 外层函数……
  3. 直到全局变量。

第 2 步我们找到了 count。外部变量会直接在其所在的地方被修改。所以 count++ 检索外部变量,并在该变量自己的 Lexical Environment 进行 +1 操作。就像操作了 let count = 1 一样。

这里需要思考两个问题:

  1. 我们能通过 makeCounter 以外的方法重置 counter 吗?
  2. 如果我们可以多次调用 makeCounter() ,返回了很多 counter 函数,他们的 count 是独立的还是共享的?

继续阅读前可以先尝试思考一下。

ok ?

那我们开始揭晓谜底:

  1. 没门。counter 是局部变量,不可能在外部直接访问。
  2. 每次调用 makeCounter() 都会新建 Lexical Environment,每一个环境都有自己的 counter。所以不同 counter 里的 count 是独立的。

一个 demo :

function makeCounter() {
 let count = 0;
 return function() {
   return count++;
 };
}

let counter1 = makeCounter();
let counter2 = makeCounter();

alert( counter1() ); // 0
alert( counter1() ); // 1

alert( counter2() ); // 0 (独立)

现在你清楚明白了外部变量的情况,但是面对更复杂的情况仍然需要更深入地理解,让我们进入下一步吧。

Environment 细节

对 closure(闭包)有了初步了解之后,可以开始深入细节了。

下面是 makeCounter 例子的动作分解,跟着看你就能理解一切了。注意,[[Environment]] 属性我们之前尚未介绍。

  1. 脚本开始运行,此时只存在 global Lexical Environment :

    1

    这时候只有 makeCounter 一个函数,这是函数声明,还未被调用

    所有函数都带着一个隐藏属性 [[Environment]] “诞生”。[[Environment]] 指向它们创建者的 Lexical Environment。是[[Environment]] 让函数知道它“诞生”于什么环境。

    makeCounter 创建于 global Lexical Environment,所以 [[Environment]] 指向它。

    换句话说,Lexical Environment 在函数诞生时就“铭刻”在这个函数中。[[Environment]] 是指向 Lexical Environment 的隐藏函数属性。

  2. 代码继续执行,makeCounter() 登场。这是代码运行到 makeCounter() 瞬间的快照:

    2

    makeCounter() 调用时,保存当前变量和实参的 Lexical Environment 已经被创建。

    Lexical Environment 储存 2 个东西:

    1. 带有局部变量的 Environment Record。例子中 count 是唯一的局部变量(let count 被执行的时候记录)。
    2. 被绑定到函数 [[Environment]] 的外部词法引用。例子里 makeCounter[[Environment]] 指向 global Lexical Environment。

    所以这里有两个 Lexical Environment:全局,和 makeCounter(它的 outer 指向全局)。

  3. makeCounter() 执行的过程中,创建了一个嵌套函数。

    这无关于函数创建使用的是 Function Declaration(函数声明)还是 Function Expression(函数表达式)。所有函数都会得到一个指向他们创建时 Lexical Environment 的 [[Environment]] 属性。

    这个嵌套函数的 [[Environment]]makeCounter()(它的诞生地)的 Lexical Environment:

    3

    同样注意,这一步是函数声明而非调用。

  4. 代码继续执行,makeCounter() 调用结束,内嵌函数被赋值到全局变量 counter

    4

    这个函数只有一行:return count++

  5. counter() 被调用,自动创建一个空的 Lexical Environment。此函数无局部变量,但是 [[Environment]] 引用了外面一层,所以它可以访问 makeCounter() 的变量。

    5

    要访问变量,先检索自己的 Lexical Environment(空),然后是 makeCounter() 的,最后是全局的。例子中在外层一层 Lexical Environment makeCounter 中发现了 count

    重点来了,内存在这里是怎么管理的?尽管 makeCounter() 调用结束了,它的 Lexical Environment 依然保存在内存中,这是因为嵌套函数的 [[Environment]] 引用了它。

    通常,Lexical Environment 对象随着使用它的函数的存在而存在。没有函数引用它的时候,它才会被清除。

  6. counter() 函数不只是返回 count,还会对其 +1 操作。这个修改已经在“适当的位置”完成了。count 的值在它的当前环境中被修改。

    6

    这一步再次调用 count,原理完全相同。

    (译者:总结一下,声明时记录环境 [[Environment]](函数所在环境),执行时创建词法环境(局部+ outer 就是引用 [[Environment]]),而闭包就是函数 + 它的词法环境,所以定义上来说所有函数都是闭包,但是之后被返回出来可以使用的闭包才是“实用意义”上的闭包

  7. 下一个 counter() 调用操作同上。

本章开头第二个问题的答案现在显而易见了。

以下代码的 work() 函数通过外层 lexical environment 引用了它原地点的 name

2019 04 04 15 31 55

所以这里的答案是 "Pete"

但是如果 makeWorker() 没了 let name ,如我们所见,作用域搜索会到达外层,获取全局变量。这个情况下答案会是 "John"

闭包(Closure) 开发者们都应该知道编程领域的通用名词闭包(closure)。 闭包是一个记录并可访问外层变量的函数。在一些编程语言中是不存在的,或者要以一种特殊的方式书写以实现这个功能。但是如上面解释的,JavaScript 的所有函数都个闭包。 这就是闭包:它们使用 [[Environment]] 属性自动记录各自的创建地点,然后由此访问外部变量。 在前端面试中,如果面试官问你什么是闭包,正确答案应该包括闭包的定义,以及解释为何 JavaScript 的所有函数都是闭包,最好可以再简单说说里面的技术细节:[[Environment]] 属性和 Lexical Environments 的原理。

代码块、循环、 IIFE

上面的例子都着重于函数,但是 Lexical Environment 也存在于代码块 {...}

它们在代码块运行时创建,包含块局部变量。这里有一些例子。

If

下例中,当执行到 if 块,会为这个块创建新的 “if-only” Lexical Environment :

2019 04 04 15 33 35

与函数同样原理,块内可以找到 phrase,但是块外不能使用块内的变量和函数。如果执意在 if 外面用 user,那只能得到一个报错了。

For, while

对于循环,每一次迭代都会有自己的 Lexical Environment,在 for 里定义的变量,也是块的局部变量,也属于块的 Lexical Environment :

for (let i = 0; i < 10; i++) {
 // Each loop has its own Lexical Environment
 // {i: value}
}

alert(i); // Error, no such variable

let i 只在块内可用,每次循环都有它自己的 Lexical Environment,每次循环都会带着当前的 i,最后循环结束,i 不可用。

代码块

我们也可以直接用 {…} 把变量隔离到一个“局部作用域”(local scope)。

在浏览器中所有 script 共享全局变量,这就很容易造成变量的重名、覆盖。

为了避免这种情况我们可以使用代码块隔离自己的代码:

{
 // do some job with local variables that should not be seen outside

 let message = "Hello";

 alert(message); // Hello
}

alert(message); // Error: message is not defined

代码块有自己的 Lexical Environment ,块外无法访问块内变量。

IIFE

以前没有代码块,要实现上述效果要依靠所谓的“立即执行函数表达式”(immediately-invoked function expressions ,缩写 IIFE):

(function() {

 let message = "Hello";

 alert(message); // Hello

})();

这个函数表达式创建后立即执行,代码立即执行并有自己的私有变量。

函数表达式需要被括号包裹。JavaScript 执行时遇到 "function" 会理解为一个函数声明,函数声明必须有名称,没有就会报错:

// Error: Unexpected token (
function() { // <-- JavaScript cannot find function name, meets ( and gives error

 let message = "Hello";

 alert(message); // Hello

}();

你可能会说:“那我给他加个名字咯”,但这依然行不通,JavaScript 不允许函数声明立刻被执行:

// syntax error because of brackets below
function go() {

}(); // <-- can't call Function Declaration immediately

圆括号告诉 JavaScript 这个函数创建于其他表达式的上下文,因此这是个函数表达式。不需要名称,也可以立即执行。

也有其他方法告诉 JavaScript 我们需要的是函数表达式:

// 创建 IIFE 的方法

(function() {
 alert("Brackets around the function");
})();

(function() {
 alert("Brackets around the whole thing");
}());

!function() {
 alert("Bitwise NOT operator starts the expression");
}();

+function() {
 alert("Unary plus starts the expression");
}();

垃圾回收

Lexical Environment 对象与普通的值的内存管理规则是一样的。

  • 通常 Lexical Environment 在函数运行完毕就会被清理:

    function f() {
     let value1 = 123;
     let value2 = 456;
    }
    
    f();

    这两个值是 Lexical Environment 的属性,但是 f() 执行完后,这个 Lexical Environment 无任何变量引用(unreachable),所以它会从内存删除。

  • …但是如果有内嵌函数,它的 [[Environment]] 会引用 f 的 Lexical Environment(reachable):

    function f() {
     let value = 123;
    
     function g() { alert(value); }
    
     return g;
    }
    
    let g = f(); // g is reachable, and keeps the outer lexical environment in memory
  • 注意,f() 如果被多次调用,返回的函数都被保存,相应的 Lexical Environment 会分别保存在内存:

    function f() {
     let value = Math.random();
    
     return function() { alert(value); };
    }
    
    // 3 functions in array, every one of them links to Lexical Environment
    // from the corresponding f() run
    //         LE   LE   LE
    let arr = [f(), f(), f()];
  • Lexical Environment 对象在不可触及(unreachable)后被清除:无嵌套函数引用它。下例中, g 自身不被引用后, value 也会被清除:

    function f() {
     let value = 123;
    
     function g() { alert(value); }
    
     return g;
    }
    
    let g = f(); // while g is alive
    // there corresponding Lexical Environment lives
    
    g = null; // ...and now the memory is cleaned up

实践中的优化

理论上,函数还在,它的所有外部变量都会被保留。

但在实践中,JavaScript 引擎可能会对此作出优化,引擎在分析变量的使用情况后,把没有使用的外部变量删除。

在 V8 (Chrome, Opera)有个问题,这些被删除的变量不能在 debugger 观察了。

尝试在 Chrome Developer Tools 运行以下代码:

function f() {
 let value = Math.random();

 function g() {
   debugger; // 在 console 输入 alert( value ); 发现无此变量!
 }

 return g;
}

let g = f();
g();

你可以看到,这里没有保存 value 变量!理论上它应该是可访问的,但是引擎优化移除了这个变量。

还有一个有趣的 debug 问题。下面的代码 alert 出外面的同名变量而不是里面的:

let value = "Surprise!";

function f() {
 let value = "the closest value";

 function g() {
   debugger; // in console: type alert( value ); Surprise!
 }

 return g;
}

let g = f();
g();

再会!
如果你用 Chrome/Opera 来debug ,很快就能发现这个 V8 feature。 这不是 bug 而是 V8 feature,或许将来会被修改。至于改没改,运行一下上面的例子就能判断啦。


暂时没有留言,要抢沙发吗?
留言