JavaScript闭包其二:闭包的实现

ECMAScript只使用静态(词法)作用域
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讨论完理论部分,接下来让我们来介绍下ECMAScript中闭包究竟是如何实现的。这里还是有必要再次强调下:ECMAScript只使用静态(词法)作用域(而诸如Perl这样的语言,既可以使用静态作用域也可以使用动态作用域进行变量声明)。

var x = 10;

function foo() {
  alert(x);
}

(function (funArg) {

  var x = 20;

  // 变量"x"在(lexical)上下文中静态保存的,在该函数创建的时候就保存了
  funArg(); // 10, 而不是20

})(foo);

技术上说,创建该函数的父级上下文的数据是保存在函数的内部属性 [[Scope]]中的。如果你还不了解什么是[[Scope]],建议你先阅读前面的章节,该章节对[[Scope]]作了非常详细的介绍。如果你对[[Scope]]和作用域链的知识完全理解了的话,那对闭包也就完全理解了。

根据函数创建的算法,我们看到在ECMAScript中,所有的函数都是闭包,因为它们都是在创建的时候就保存了上层上下文的作用域链(除开异常的情况) (不管这个函数后续是否会激活 —— [[Scope]]在函数创建的时候就有了):

var x = 10;

function foo() {
  alert(x);
}

// foo是闭包
foo: <FunctionObject> = {
  [[Call]]: <code block of foo>,
  [[Scope]]: [
    global: {
      x: 10
    }
  ],
  ... // 其它属性
};

如我们所说,为了优化目的,当一个函数没有使用自由变量的话,实现可能不保存在副作用域链里。不过,在ECMA-262-3规范里任何都没说。因此,正常来说,所有的参数都是在创建阶段保存在[[Scope]]属性里的。

有些实现中,允许对闭包作用域直接进行访问。比如Rhino,针对函数的[[Scope]]属性,对应有一个非标准的 __parent__属性:

var global = this;
var x = 10;

var foo = (function () {

  var y = 20;

  return function () {
    alert(y);
  };

})();

foo(); // 20
alert(foo.__parent__.y); // 20

foo.__parent__.y = 30;
foo(); // 30

// 可以通过作用域链移动到顶部
alert(foo.__parent__.__parent__ === global); // true
alert(foo.__parent__.__parent__.x); // 10

所有对象都引用一个[[Scope]]

这里还要注意的是:在ECMAScript中,同一个父上下文中创建的闭包是共用一个[[Scope]]属性的。也就是说,某个闭包对其中[[Scope]]的变量做修改会影响到其他闭包对其变量的读取:

var firstClosure;
var secondClosure;

function foo() {

  var x = 1;

  firstClosure = function () { return ++x; };
  secondClosure = function () { return --x; };

  x = 2; // 影响 AO["x"], 在2个闭包公有的[[Scope]]中

  alert(firstClosure()); // 3, 通过第一个闭包的[[Scope]]
}

foo();

alert(firstClosure()); // 4
alert(secondClosure()); // 3

这就是说:所有的内部函数都共享同一个父作用域

关于这个功能有一个非常普遍的错误认识,开发人员在循环语句里创建函数(内部进行计数)的时候经常得不到预期的结果,而期望是每个函数都有自己的值。

var data = [];

for (var k = 0; k < 3; k++) {
  data[k] = function () {
    alert(k);
  };
}

data[0](); // 3, 而不是0
data[1](); // 3, 而不是1
data[2](); // 3, 而不是2

上述例子就证明了 —— 同一个上下文中创建的闭包是共用一个[[Scope]]属性的。因此上层上下文中的变量“k”是可以很容易就被改变的。

activeContext.Scope = [
  ... // 其它变量对象
  {data: [...], k: 3} // 活动对象
];

data[0].[[Scope]] === Scope;
data[1].[[Scope]] === Scope;
data[2].[[Scope]] === Scope;

这样一来,在函数激活的时候,最终使用到的k就已经变成了3了。如下所示,创建一个闭包就可以解决这个问题了:

var data = [];

for (var k = 0; k < 3; k++) {
  data[k] = (function _helper(x) {
    return function () {
      alert(x);
    };
  })(k); // 传入"k"值
}

// 现在结果是正确的了
data[0](); // 0
data[1](); // 1
data[2](); // 2

让我们来看看上述代码都发生了什么?函数“_helper”创建出来之后,通过传入参数“k”激活。其返回值也是个函数,该函数保存在对应的数组元素中。这种技术产生了如下效果: 在函数激活时,每次“_helper”都会创建一个新的变量对象,其中含有参数“x”,“x”的值就是传递进来的“k”的值。这样一来,返回的函数的[[Scope]]就成了如下所示:

data[0].[[Scope]] === [
  ... // 其它变量对象
  父级上下文中的活动对象AO: {data: [...], k: 3},
  _helper上下文中的活动对象AO: {x: 0}
];

data[1].[[Scope]] === [
  ... // 其它变量对象
  父级上下文中的活动对象AO: {data: [...], k: 3},
  _helper上下文中的活动对象AO: {x: 1}
];

data[2].[[Scope]] === [
  ... // 其它变量对象
  父级上下文中的活动对象AO: {data: [...], k: 3},
  _helper上下文中的活动对象AO: {x: 2}
];

我们看到,这时函数的[[Scope]]属性就有了真正想要的值了,为了达到这样的目的,我们不得不在[[Scope]]中创建额外的变量对象。要注意的是,在返回的函数中,如果要获取“k”的值,那么该值还是会是3。

顺便提下,大量介绍JavaScript的文章都认为只有额外创建的函数才是闭包,这种说法是错误的。实践得出,这种方式是最有效的,然而,从理论角度来说,在ECMAScript中所有的函数都是闭包。

然而,上述提到的方法并不是唯一的方法。通过其他方式也可以获得正确的“k”的值,如下所示:

var data = [];

for (var k = 0; k < 3; k++) {
  (data[k] = function () {
    alert(arguments.callee.x);
  }).x = k; // 将k作为函数的一个属性
}

// 结果也是对的
data[0](); // 0
data[1](); // 1
data[2](); // 2

Funarg和return

另外一个特性是从闭包中返回。在ECMAScript中,闭包中的返回语句会将控制流返回给调用上下文(调用者)。而在其他语言中,比如,Ruby,有很多中形式的闭包,相应的处理闭包返回也都不同,下面几种方式都是可能的:可能直接返回给调用者,或者在某些情况下——直接从上下文退出。

ECMAScript标准的退出行为如下:

function getElement() {

  [1, 2, 3].forEach(function (element) {

    if (element % 2 == 0) {
      // 返回给函数"forEach"函数
      // 而不是返回给getElement函数
      alert('found: ' + element); // found: 2
      return element;
    }

  });

  return null;
}

然而,在ECMAScript中通过try catch可以实现如下效果:

var $break = {};

function getElement() {

  try {

    [1, 2, 3].forEach(function (element) {

      if (element % 2 == 0) {
        // // 从getElement中"返回"
        alert('found: ' + element); // found: 2
        $break.data = element;
        throw $break;
      }

    });

  } catch (e) {
    if (e == $break) {
      return $break.data;
    }
  }

  return null;
}

alert(getElement()); // 2

理论版本

这里说明一下,开发人员经常错误将闭包简化理解成从父上下文中返回内部函数,甚至理解成只有匿名函数才能是闭包。

再说一下,因为作用域链,使得所有的函数都是闭包(与函数类型无关: 匿名函数,FE,NFE,FD都是闭包)。

这里只有一类函数除外,那就是通过Function构造器创建的函数,因为其[[Scope]]只包含全局对象。为了更好的澄清该问题,我们对ECMAScript中的闭包给出2个正确的版本定义:

ECMAScript中,闭包指的是:

  1. 从理论角度:所有的函数。因为它们都在创建的时候就将上层上下文的数据保存起来了。哪怕是简单的全局变量也是如此,因为函数中访问全局变量就相当于是在访问自由变量,这个时候使用最外层的作用域。
  2. 从实践角度:以下函数才算是闭包:
    • 即使创建它的上下文已经销毁,它仍然存在(比如,内部函数从父函数中返回)
    • 在代码中引用了自由变量

延伸阅读

此文章所在专题列表如下:

  1. 我们应该如何去了解JavaScript引擎的工作原理
  2. JavaScript探秘:编写可维护的代码的重要性
  3. JavaScript探秘:谨慎使用全局变量
  4. JavaScript探秘:var预解析与副作用
  5. JavaScript探秘:for循环(for Loops)
  6. JavaScript探秘:for-in循环(for-in Loops)
  7. JavaScript探秘:Prototypes强大过头了
  8. JavaScript探秘:eval()是“魔鬼”
  9. JavaScript探秘:用parseInt()进行数值转换
  10. JavaScript探秘:基本编码规范
  11. JavaScript探秘:函数声明与函数表达式
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  17. JavaScript探秘:命名函数表达式替代方案
  18. JavaScript探秘:对象Object
  19. JavaScript探秘:原型链 Prototype chain
  20. JavaScript探秘:构造函数 Constructor
  21. JavaScript探秘:可执行的上下文堆栈
  22. 执行上下文其一:变量对象与活动对象
  23. 执行上下文其二:作用域链 Scope Chains
  24. 执行上下文其三:闭包 Closures
  25. 执行上下文其四:This指针
  26. JavaScript探秘:强大的原型和原型链
  27. JavaScript函数其一:函数声明
  28. JavaScript函数其二:函数表达式
  29. JavaScript函数其三:分组中的函数表达式
  30. JavaScript函数其四:函数构造器
  31. JavaScript变量对象其一:VO的声明
  32. JavaScript变量对象其二:VO在不同的执行上下文中
  33. JavaScript变量对象其三:执行上下文的两个阶段
  34. JavaScript变量对象其四:关于变量
  35. JavaScript变量对象其五:__parent__ 属性
  36. JavaScript作用域链其一:作用域链定义
  37. JavaScript作用域链其二:函数的生命周期
  38. JavaScript作用域链其三:作用域链特征
  39. JavaScript闭包其一:闭包概论
  40. JavaScript闭包其二:闭包的实现
  41. JavaScript闭包其三:闭包的用法

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