JavaScript核心原理解析
周爱民
《JavaScript语言精髓与编程实践》作者,南潮科技(Ruff)首席架构师
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开篇词 (1讲)
开篇词 | 如何解决语言问题?
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从零开始:JavaScript语言是如何构建起来的 (5讲)
01 | delete 0:JavaScript中到底有什么是可以销毁的
02 | var x = y = 100:声明语句与语法改变了JavaScript语言核心性质
03 | a.x = a = {n:2}:一道被无数人无数次地解释过的经典面试题
04 | export default function() {}:你无法导出一个匿名函数表达式
05 | for (let x of [1,2,3]) ...:for循环并不比使用函数递归节省开销
从表达式到执行引擎:JavaScript是如何运行的 (6讲)
06 | x: break x; 搞懂如何在循环外使用break,方知语句执行真解
07 | `${1}`:详解JavaScript中特殊的可执行结构
08 | x => x:函数式语言的核心抽象:函数与表达式的同一性
09 | (...x):不是表达式、语句、函数,但它却能执行
10 | x = yield x:迭代过程的“函数式化”
11 | throw 1;:它在“最简单语法榜”上排名第三
从原型到类:JavaScript是如何一步步走向应用编程语言的 (6讲)
12 | 1 in 1..constructor:这行代码的结果值,既可能是true,也可能是false
13 | new X:从构造器到类,为你揭密对象构造的全程
14 | super.xxx():虽然直到ES10还是个半吊子实现,却也值得一讲
15 | return Object.create(new.target.prototype):做框架设计的基本功:写一个根类
16 | [a, b] = {a, b}:让你从一行代码看到对象的本质
17 | Object.setPrototypeOf(x, null):连Brendan Eich都认错,但null值还活着
不定期加餐 (3讲)
加餐 | 捡豆吃豆的学问(上):这门课讲的是什么?
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加餐 | 捡豆吃豆的学问(下):这门课该怎么学?
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加餐 | 让JavaScript运行起来
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JavaScript核心原理解析
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加餐 | 让JavaScript运行起来

周爱民 2019-12-09
00:00
20:09
讲述:周爱民 大小:18.46M
你好,我是周爱民。欢迎回到我的专栏。今天,是传说中的加餐时间,我将与你解说前 11 讲内容的整体体系和结论。
我们从一个问题讲起,那就是:JavaScript 到底是怎么运行起来的呢?
看起来这个问题最简单的答案是“解析→运行”。然而对于一门语言来说,“引擎解释与运行”都是最终结果的表象,真正处于原点的问题其实是:“JavaScript 运行的是什么?
在前 11 讲中,我是试图将 JavaScript 整个的运行机制摊开在你的面前,因此我们有两条线索可以抓:
表面上,它是讲引用和执行过程;
在底下,讲的是引擎对“JavaScript 是什么”的理解。

从文本到脚本

我们先从第二条线索,也就是更基础层面的线索讲起。
JavaScript 的所谓“脚本代码”,在引擎层面看来,首先就是一段文本。在性质上,装载a.js执行与eval('...')执行并没有区别,它们的执行对象都被理解为一个“字符串”,也就是字符串这一概念本身所表示的、所谓的“字符序列”。
在字符序列这个层面上,最简单和最经济的处理逻辑是正向遍历,这也是为什么“语句解析器”的开发者总是希望“语言的设计者”能让他们“一次性地、不需要回归地”解析代码的原因。
回归(也就是查看之前“被 parser 过的代码”)就意味着解析器需要暂存旧数据,无法将解析器做得足够简洁,进而无法将解析器放在小存储的环境中。根本上来说,JavaScript 解析引擎是“逐字符”地处理代码文本的。
JavaScript 从“逐字符处理”得到的引擎可以理解的对象,称为记号(Tokens)。这个概念,是从第一讲就开始提的,你回顾第一讲的内容,在提出Tokens这个概念的时候,有这样一句话:
一个记号是没有语义的,记号既可以是语言能识别的,也可以是语言不能识别的。唯有把这二者同时纳入语言范畴,那么这个语言才能识别所谓的“语法错误”。
我之所以用“delete 运算”作为《JavaScript 核心原理解析》的开篇,是因为在我看来,这讲的是一种“不知死,即不知生”的道理。如果你不知道一个东西是如何被毁灭的,那么你也不知道它创生的意义。
然而,这个理解也可以倒过来,是所谓的“不知生,亦不知死”。也就是说,如果你都不知道它被创造出来的时候是什么,那么你也不知道你毁灭了什么。
而这个记号(Tokens),就是引擎从文本到脚本,JavaScript 引擎也好、语言也好,它们创造出来的第一个东西——也是在创世原点唯一的东西。
记号,要么是可识别的,要么是不能识别的。并且,它们必须同时纳入语言范畴。这个“必须同时纳入”,决定了二者不是相互孤立的元素,而是同一体系下的东西,也就是所谓的“体系的完整性”。

引用与静态语言的处理

看完底层的线索,我们再来看看 JavaScript 运行机制的表面线索。
引用(References)是静态语言与引擎之间的桥梁,它是 ECMAScript 规范中最大的一个挑战,你理解了“规范层面的引用(References)”,也就基本上理解了 ECMAScript 规范整个的叙述框架。这个框架的核心在于——ECMAScript 的目的是描述“引擎如何实现”,而不是“描述语言是什么”。
规范层面中的引用与引擎的核心设计有关。
在 JavaScript 语言层面,它希望引擎是一个执行器,更具体的描述是:引擎的核心是一个表达式计算的、连续的执行过程。表达式计算是整个 JavaScript 语言中最核心的预设,一旦超出这个预设,JavaScript 语言的结构体系就崩溃了。
所以,本质上来说,JavaScript 的所谓“语句能执行”也是一个或一组表达式计算过程,而且所有的计算都必须能描述成一个基本的模式:opCode -> opData,也就是用操作符去处理操作数。
这个相信你也明白了,这回到了我们计算理论最初的原点,是我们学习计算机这门课程最初的那个设定:计算实现的就是”计算求解“的过程。它的另一个公式化的表达就是著名的”算法 + 数据结构 = 程序“。
当然,这个说得有点远了,在这个概念集合中,最关键的点在于“执行过程最终是表达式计算”。因此,语句执行也是表达式计算,函数调用也是表达式计算,各种特殊执行结果还是表达式计算。
这些“计算”总会有一个返回值,是什么呢?
你可以参考文章里的这张图,它说明了 JavaScript 中最核心的两种执行过程(它们都被称为 _evaluating_)是如何最终被统一的。
在语句执行的层面,它返回一个语句的完成状态,这个状态中包括了一个“value”域,它必须且必然会是 JavaScript 语言理解的类型,也就是 typeof() 所识别的所有的值。这样一来,任何“语句”“代码”或“代码文本”就都可以被执行了,并且都可以使用 console.log() 输出结果给你了。
这其中最重要的一件事是,在任何语句执行并得到结果时,如果它“当时”是一个所谓的“引用”,那么这个引用就必须先调用“GetValue(x)”来得到值,然后放到这个“value”域中去。因为“引用”是一个规范层面的东西,它不是 JavaScript 语言能理解的,也无法展示给开发者。
最后,ECMAScript 约定:可以在“value”域中放上Empty,这表明语句执行“没有值”。它能表明有值,也能表明无值,仍然是“概念完整性”。
而到了表达式执行时(注意函数调用也是表达式执行的一种),这个过程又被重来了一回。不过表达式执行会返回两个东西:它要么直接返回一个“上面的完成结果所理解的值”,要么返回一个包含这样的值的“引用”。
你可能会说了,不对呀——你刚才还说所谓“概念的完整性”,是“要么返回东西,要么返回没有东西”啊。
对的,在表达式执行这个体系里面,“没有东西”是所谓的“不可发现的引用(UnresolvableReference)”。
所以,完整的概念集是:值(value)、引用(Reference)和不可发现的引用(UnresolvableReference)。
一个不可发现的引用是能被处理的,例如delete x,或者typeof x。所有“能处理引用的”运算符都能处理它。当然,在严格模式中,会在语法分析阶段就报异常,那是另一个层面的东西,有机会的时候我们再聊。这里,在 JavaScript 语言层面,它仍然在维护一种简单的完整性。
那么,为什么要有“引用”这么个东西呢?
你想想,如果没有引用,你就得将所有的东西都直接当成一个被处理的对象,例如用 1G 的内存来处理一个 1G 文本的记号。这显然不可行。我们可以用一个简单的法子来解决,就是加一个指针指向它,在不需要访问它的“内容”时,我们就访问这个指针好了。而引用,也就是所有在“不访问内容”的情况下,用于指向这个内容的一个结构。它叫什么名字其实都好、都行,重点的是:
它代表这个东西,r(x)。
它包含这个东西,所以可以 x = GetValue®。
所以本质上,引用还是指向值、代表值的一个概念,它只是“获得值的访问能力”的一个途径。最终的结果仍然指向原点:计算值、求值。

结构与体系的回顾

讲完 JavaScript 整个运行机制的两条线索后,就是加餐的最后一部分内容了,我会直接为你解说前 11 讲的主题。

模块一:体系 1

1 | delete 0
讲述的是“规范引用”,将“规范引用”与传统概念中的引用区别开来。用 Result 来指代执行结果的“引用状态和值状态未区分”。同时指明,“状态未区分”的原因是:同一个标识符,在作为 _lhs_ 和 _rhs_ 的时候意义是不同的;并且,在计算没有“推进到”下一步之前,上一步的 Result 是无法确知“将作为”lhs/_rhs_ 的哪一种操作数的。
JavaScript 确实有一部分表达式(或操作)是能处理“规范引用”的,例如delete x就是其中之一。有关哪些运算能处理“规范引用”,建议你自己翻阅 ECMAScript,并从中归纳。
2 | var x = y = 100
这一讲的核心是讲六种声明。所有声明(语句)都是没有返回值的(返回 Empty),因为它没有返回值,所以它对其他执行过程没有影响。也就是说,声明语句必须能被理解为“静态分析的结果”,而不是“动态执行的结果”。
前者称为“声明语义”,后者称为“执行语义”。声明语义就是静态语言的处理,执行语义就是动态语言的处理。这是两种语言范型的分水岭。
3 | a.x = a = {n:2}
这一讲的核心是讲表达式执行与(看起来跟它相似的)语句声明之间的区别。虽然两种看起来都相似,但其实只有这一讲的才是“表达式连等”。
在这一讲结尾的部分,我做了一个总结:有关“引用”的介绍,以及“语句”和“表达式”之间的差异与分别,自此暂告段落。
4 | export default function() {}
这一讲的核心是讲“名字”的使用。“有名字 / 没有名字”是一对概念,而“没有名字”就称为“default”,那就是将概念收敛到了唯一一个:名字。所有有关 export/import 的处理,就是名字与它所代表的东西之间的关系映射。
而“模块装载的过程”必须发生在用户代码之前,一共包括了两个意思:
引擎必须有一个依赖顺序来“初始化”那些名字,这个与 export 语句是“声明”有关,声明意味着它是静态完成的(名字总是被静态声明的);
用户代码需要依赖那些名字,这与 import 语句不是“声明”有关,它不是声明,那么它需要通过“执行”来得到结果的,而这些“执行”必须在用户代码之前。其顺序,就是所谓模块装载树的遍历。
5 | for (let x of [1,2,3]) …
这一讲的要点不是讲语句执行,而是讲块级作用域,更进一步的,它是在讲作用域的“识别”与处理。它颠覆读者认知的地方在于提出:绝大多数语句并没有块级作用域,因为它们不需要
而需要块级作用域的 for 语句,根本的需求是需要处理多次迭代中的变量暂存。这个是有很大开销的,这与“计算机语言”的一个核心原理有关:迭代需要循环控制变量,这是命令式语言有变量的根源(之一),也是函数式语言需要处理递归的根源。
“需不需要存储计算过程中的变量”,也是命令式语言与函数式语言的分水岭。
以上是前 5 讲的内容。 到现在为止,在第一模块中,我们主要提出的是语言的三个层面的概念:
第一层概念:记号
第二层概念:引用、值
第三层概念:表达式、语句、名字、环境 / 作用域 、(顺序执行的三种基础)逻辑
NOTE: 这主要是在《程序原本》前三章中的概念,包括“数、逻辑和抽象”。部分涉及到第四章,也就是“语言”中的概念。
这些概念其实基本上都是在“代码的静态组织”过程中就完成 / 实现了的。你使用一门语言,其实本质上就是在跟第三层概念打交道,而 ECMAScript 或者引擎是工作在第二个层面的。第一个层面,则是物理层面与逻辑层面的、最初的映射。

模块二:体系 2

接下来,我们讨论第 6~11 讲。
6 | x: break x;
这一讲是讲了真正的语句执行。仍然是“不知死,即不知生”的讲法,break x与语句的关系,同delete x与引用的关系其实差不多。
而且这一讲也提出了“语句以执行的完成状态”为结果,这个伏笔要留到第 8 讲来解开。
7 | ${1}
讲述了特殊的可执行结构。如果按照第一讲中所表达的“JavaScript 引擎的核心是一个表达式计算的、连续的执行过程”,那么将所有显式的、隐式的“执行行为”合起来看,才是“执行逻辑”的全体。正如你不了解每一种特殊的可执行结构,也就不了解“${1}”为什么是最“晚”出现的语言特性之一。因为它是对其他执行结构的“集大成者”。
当然还有一点特殊之处也是你需要了解的,eval(str) 是执行语句,而`${str}`是执行表达式。本质上来说,JavaScript 为这两种执行都找到了“执行一个字符串”的模式,这仍然是“概念完整性”。
NOTE:试试如下代码:
> `${{}}`
'[object Object]'
> eval('{}')
undefined
8 | x => x
表面上看是讲一个箭头函数,实际上是在讲函数式语言。关键处是解开第 6 讲伏笔的这一句:
语句执行是命令式范型的体现,而函数执行代表了 JavaScript 中的对函数式范型的理解。
另外,这一讲把函数分成了三个语法组件:参数、执行体、结果。这是非常重要的一个点,它引导了后面两讲的讨论方式。
9 | (…x)
这一讲说的是如何改造函数的三个语法组件中的“执行体”。这一讲提出了“改造三个语法组件”的意义,也就是说,函数式语言无论如何变、语法如何处理,其实本质上,就是在这三个点上做手脚、玩花样。
10 | x = yield x
这一讲说的是如何改造函数的三个语法组件中的“参数”和“结果”。
NOTE: 这一讲也为将来“再讲循环”留了一个伏笔,不过这并不是前 20 讲的内容,这是“更远的将来”。^^.
11 | throw 1;
这一讲其实讲的是怎么读 ECMAScript 规范。
不过它是以“最小化的”三个规范说明,来讲述了 ECMAScript 层面是如何一步一步地将 JavaScript 搭建出来的。这一讲里面有很多概念和观念,一旦你弄明白了,对 ECMAScript 也好,JavaScript 也好,都能起到“点化”的作用。
其实这里有很重要的一点引导,是这样一句话:
其中的“result of evaluating…”基本上算是 ECMAScript 中一个约定俗成的写法,不管是执行语句还是表达式,都是如此。
这句话很重要,它从 ECMAScript 规范层面、从语句叙述的层面“一致化了”语句执行和表达式执行。注意:这就是上面那张图的出处!
这是第二模块的内容。 根本上来说,承接我们这一模块的总标题“JavaScript 是如何运行的”,我主要为你讲述了三层概念:
第三层概念:表达式执行、函数执行、函数执行的扩展。
第二层概念:在规范层面如何统一“表达式执行和函数执行”。
第一层概念:语言体系的建立。
参考前面的图,既然执行结果被统一为“result”,且执行被统一为“evaluating”,那么运算就被统一成“result of evaluating…”,并且结果(如果返回给计算系统的外部的话)就是一个能被理解的 result.value。
NOTE: 这个概念层次的构建,以及最终对它要达到的效果的预期,你可以参考阅读《程序原本》第 4.6 节,它的标题是:将“计算机程序设计”教成语言课,是本末倒置的。

模块三:体系 3

回顾上面的内容,
“体系 1”说的是“物理到逻辑”的映射
“体系 2”说的是“语言体系的建立”
总体上来看,它们是在陈述一件事情:“抽象的语言”如何处理“物理的代码”。
这仍然是一个体系。
NOTE: 回顾前两大模块的标题,其实这个“体系 3”我是一开始就告诉了你的:
从零开始:JavaScript 语言是如何构建起来的
从表达式到执行引擎:JavaScript 是如何运行的

最后

本来课程设计中并没有今天这一讲的加餐。按原定的计划,就是用第 11 讲最后的“小结”算作引导你的、对之前内容最终回顾了。
但是考虑到课程进度和实际上的难度,才有了上一次的和今天的加餐。尤其是今天的内容,其实就是对上一讲——第 11 讲的小结内容的展开,希望你能对照着,重新来理解和梳理这门课程。
希望这份加餐会让你后续的课程变得轻松一些。今天就到这里,下一讲我们开始讲面向对象。
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精选留言(6)

  • 潇潇雨歇
    结合《程序原本》重新回顾前几讲,有趣
    2019-12-09
    3
    2
  • 行问
    引用还是指向值、代表值的一个概念,它只是“获得值的访问能力”的一个途径。最终的结果仍然指向原点:计算值、求值。

    对于这句话,我是通过“数学分析”来理解的,我是基于“映射”来构建,幸好,老师最后也是说到了以下:

    1. “体系 1”说的是“物理到逻辑”的映射
    2. “抽象的语言”如何处理“物理的代码”

    也是加深我的深度,感谢

    您好,老师,没看到图,图放在哪了?

    作者回复: 🤓,有一人知,也即是世人知。幸矣。

    图是编辑忘发了,我请他们补上~

    2019-12-09
    1
    1
  • 青史成灰
    老师,关于上面“为什么要有‘引用’这么个东西呢”的解释,读下来感觉和C++的指针很像,指针是内存的地址,指向堆内存中的对象,需要访问指针指向的成员时,直接解引用这个指针,v = *p,就和此处的x=GetValue(r)一样。 不知道这样理解是否正确?

    作者回复: 这是不一样的。

    在第一讲的回复内容中,我给leslee的回复里面讲过“JavaScript中的引用”,与“ECMAScript中的引用”不是同一个东西。你这里所谈的指针概念,与“JavaScript中的引用”类似,它的细节和作用,你可以看看上面这一讲关于leslee的回复。

    另外,在给Smallfly的回复中,我详细讲了ECMAScript中的引用是怎样的一个结构。你也可以阅读一下。

    在这里:https://time.geekbang.org/column/article/164312

    (不过因为这个工具的设计问题,我没办法直接指到他们的评论回复,请查找一下)

    2019-12-14
    1
  • sprinty
    知识密度太大。
    2019-12-09
  • 许童童
    老师还是很良心的,时不时就来给我们一个加餐。
    2019-12-09
  • 行问
    eval(str) 是执行语句,而{$str}是执行表达式

    这里是 {$str} 正确,还是 ${str} 正确?

    作者回复: 这里是有排版错误,后一个是`${str}`。我的意思是,同一个字符串(仅指它的字面文本),这里是它作为语句和表达式执行的两种方式。但是,如果str理解成“变量”,而不是“变量的字面文本”,那么就不是我的原意了。

    2019-12-09
    1
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