JavaScript运行原理解析

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JavaScript运行原理解析

来源: 作者: 时间:2016-01-23 10:23 【

写在前面的话: 发现使用了那么长时间的Javascript,但是对其运行原理还是不清晰,今天特意总结一下,把大神们的理论和自己的总结都记录到下面;1 什么是JavaScript解析引擎?简单地说

写在前面的话:

发现使用了那么长时间的Javascript,但是对其运行原理还是不清晰,今天特意总结一下,把大神们的理论和自己的总结都记录到下面;

1. 什么是JavaScript解析引擎?

简单地说,JavaScript解析引擎就是能够“读懂”JavaScript代码,并准确地给出代码运行结果的一段程序。比方说,当你写了 var a = 1 + 1; 这样一段代码,JavaScript引擎做的事情就是看懂(解析)你这段代码,并且将a的值变为2。

学过编译原理的人都知道,对于静态语言来说(如Java、C++、C),处理上述这些事情的叫编译器(Compiler),相应地对于JavaScript这样的动态语言则叫解释器(Interpreter)。这两者的区别用一句话来概括就是:编译器是将源代码编译为另外一种代码(比如机器码,或者字节码),而解释器是直接解析并将代码运行结果输出。 比方说,firebug的console就是一个JavaScript的解释器。

但是,现在很难去界定说,JavaScript引擎它到底算是个解释器还是个编译器,因为,比如像V8(Chrome的JS引擎),它其实为了提高JS的运行性能,在运行之前会先将JS编译为本地的机器码(native machine code),然后再去执行机器码(这样速度就快很多),相信大家对JIT(Just In Time Compilation)一定不陌生吧。

我个人认为,不需要过分去强调JavaScript解析引擎到底是什么,了解它究竟做了什么事情我个人认为就可以了。对于编译器或者解释器究竟是如何看懂代码的,翻出大学编译课的教材就可以了。这里还要强调的就是,JavaScript引擎本身也是程序,代码编写而成。比如V8就是用C/C++写的。

2. JavaScript解析引擎与ECMAScript是什么关系?

JavaScript引擎是一段程序,我们写的JavaScript代码也是程序,如何让程序去读懂程序呢?这就需要定义规则。比如,之前提到的var a = 1 + 1;,它表示:

  • 左边var代表了这是申明(declaration),它申明了a这个变量
  • 右边的+表示要将1和1做加法
  • 中间的等号表示了这是个赋值语句
  • 最后的分号表示这句语句结束了

    上述这些就是规则,有了它就等于有了衡量的标准,JavaScript引擎就可以根据这个标准去解析JavaScript代码了。那么这里的ECMAScript就是定义了这些规则。其中ECMAScript 262这份文档,就是对JavaScript这门语言定义了一整套完整的标准。其中包括:

    • var,if,else,break,continue等是JavaScript的关键词
    • abstract,int,long等是JavaScript保留词
    • 怎么样算是数字、怎么样算是字符串等等
    • 定义了操作符(+,-,>,<等)
    • 定义了JavaScript的语法
    • 定义了对表达式,语句等标准的处理算法,比如遇到==该如何处理
    • ??

      标准的JavaScript引擎就会根据这套文档去实现,注意这里强调了标准,因为也有不按照标准来实现的,比如IE的JS引擎。这也是为什么JavaScript会有兼容性的问题。至于为什么IE的JS引擎不按照标准来实现,就要说到浏览器大战了,这里就不赘述了,自行Google之。

      所以,简单的说,ECMAScript定义了语言的标准,JavaScript引擎根据它来实现,这就是两者的关系。

      3. JavaScript解析引擎与浏览器又是什么关系?

      简单地说,JavaScript引擎是浏览器的组成部分之一。因为浏览器还要做很多别的事情,比如解析页面、渲染页面、Cookie管理、历史记录等等。那么,既然是组成部分,因此一般情况下JavaScript引擎都是浏览器开发商自行开发的。比如:IE9的Chakra、Firefox的TraceMonkey、Chrome的V8等等。

      从而也看出,不同浏览器都采用了不同的JavaScript引擎。因此,我们只能说要深入了解哪个JavaScript引擎。

      4.为什么JavaScript是单线程?

      JavaScript语言的一大特点就是单线程,也就是说,同一个时间只能做一件事。那么,为什么JavaScript不能有多个线程呢?这样能提高效率啊。

      JavaScript的单线程,与它的用途有关。作为浏览器脚本语言,JavaScript的主要用途是与用户互动,以及操作DOM。这决定了它只能是单线程,否则会带来很复杂的同步问题。比如,假定JavaScript同时有两个线程,一个线程在某个DOM节点上添加内容,另一个线程删除了这个节点,这时浏览器应该以哪个线程为准?

      所以,为了避免复杂性,从一诞生,JavaScript就是单线程,这已经成了这门语言的核心特征,将来也不会改变。

      为了利用多核CPU的计算能力,HTML5提出Web Worker标准,允许JavaScript脚本创建多个线程,但是子线程完全受主线程控制,且不得操作DOM。所以,这个新标准并没有改变JavaScript单线程的本质。

      二、任务队列

      单线程就意味着,所有任务需要排队,前一个任务结束,才会执行后一个任务。如果前一个任务耗时很长,后一个任务就不得不一直等着。

      如果排队是因为计算量大,CPU忙不过来,倒也算了,但是很多时候CPU是闲着的,因为IO设备(输入输出设备)很慢(比如Ajax操作从网络读取数据),不得不等着结果出来,再往下执行。

      JavaScript语言的设计者意识到,这时主线程完全可以不管IO设备,挂起处于等待中的任务,先运行排在后面的任务。等到IO设备返回了结果,再回过头,把挂起的任务继续执行下去。

      于是,所有任务可以分成两种,一种是同步任务(synchronous),另一种是异步任务(asynchronous)。同步任务指的是,在主线程上排队执行的任务,只有前一个任务执行完毕,才能执行后一个任务;异步任务指的是,不进入主线程、而进入"任务队列"(task queue)的任务,只有"任务队列"通知主线程,某个异步任务可以执行了,该任务才会进入主线程执行。

      具体来说,异步执行的运行机制如下。(同步执行也是如此,因为它可以被视为没有异步任务的异步执行。)


      (1)所有同步任务都在主线程上执行,形成一个(execution context stack)。

      (2)主线程之外,还存在一个"任务队列"(task queue)。只要异步任务有了运行结果,就在"任务队列"之中放置一个事件。

      (3)一旦"执行栈"中的所有同步任务执行完毕,系统就会读取"任务队列",看看里面有哪些事件。那些对应的异步任务,于是结束等待状态,进入执行栈,开始执行。

      (4)主线程不断重复上面的第三步。

      任务队列


      三、事件和回调函数

      "任务队列"是一个事件的队列(也可以理解成消息的队列),IO设备完成一项任务,就在"任务队列"中添加一个事件,表示相关的异步任务可以进入"执行栈"了。主线程读取"任务队列",就是读取里面有哪些事件。

      "任务队列"中的事件,除了IO设备的事件以外,还包括一些用户产生的事件(比如鼠标点击、页面滚动等等)。只要指定过回调函数,这些事件发生时就会进入"任务队列",等待主线程读取。

      所谓"回调函数"(callback),就是那些会被主线程挂起来的代码。异步任务必须指定回调函数,当主线程开始执行异步任务,就是执行对应的回调函数。

      "任务队列"是一个先进先出的数据结构,排在前面的事件,优先被主线程读取。主线程的读取过程基本上是自动的,只要执行栈一清空,"任务队列"上第一位的事件就自动进入主线程。但是,由于存在后文提到的"定时器"功能,主线程首先要检查一下执行时间,某些事件只有到了规定的时间,才能返回主线程。

      四、Event Loop

      主线程从"任务队列"中读取事件,这个过程是循环不断的,所以整个的这种运行机制又称为Event Loop(事件循环)。

      为了更好地理解Event Loop,请看下图(转引自Philip Roberts的演讲)。

      Event Loop

      上图中,主线程运行的时候,产生堆(heap)和栈(stack),栈中的代码调用各种外部API,它们在"任务队列"中加入各种事件(click,load,done)。只要栈中的代码执行完毕,主线程就会去读取"任务队列",依次执行那些事件所对应的回调函数。

      执行栈中的代码(同步任务),总是在读取"任务队列"(异步任务)之前执行。请看下面这个例子。

      上图中,主线程运行的时候,产生堆(heap)和栈(stack),栈中的代码调用各种外部API,它们在"任务队列"中加入各种事件(click,load,done)。只要栈中的代码执行完毕,主线程就会去读取"任务队列",依次执行那些事件所对应的回调函数。

      执行栈中的代码(同步任务),总是在读取"任务队列"(异步任务)之前执行。请看下面这个例子。

      
          var req = new XMLHttpRequest();
          req.open('GET', url);    
          req.onload = function (){};    
          req.onerror = function (){};    
          req.send();
      

      上面代码中的req.send方法是Ajax操作向服务器发送数据,它是一个异步任务,意味着只有当前脚本的所有代码执行完,系统才会去读取"任务队列"。所以,它与下面的写法等价。

      
          var req = new XMLHttpRequest();
          req.open('GET', url);
          req.send();
          req.onload = function (){};    
          req.onerror = function (){};   
      

      也就是说,指定回调函数的部分(onload和onerror),在send()方法的前面或后面无关紧要,因为它们属于执行栈的一部分,系统总是执行完它们,才会去读取"任务队列"。

      五、定时器

      除了放置异步任务的事件,"任务队列"还可以放置定时事件,即指定某些代码在多少时间之后执行。这叫做"定时器"(timer)功能,也就是定时执行的代码。

      定时器功能主要由setTimeout()和setInterval()这两个函数来完成,它们的内部运行机制完全一样,区别在于前者指定的代码是一次性执行,后者则为反复执行。以下主要讨论setTimeout()。

      setTimeout()接受两个参数,第一个是回调函数,第二个是推迟执行的毫秒数。

      
      console.log(1);
      setTimeout(function(){console.log(2);},1000);
      console.log(3);
      

      上面代码的执行结果是1,3,2,因为setTimeout()将第二行推迟到1000毫秒之后执行。

      如果将setTimeout()的第二个参数设为0,就表示当前代码执行完(执行栈清空)以后,立即执行(0毫秒间隔)指定的回调函数。

      
      setTimeout(function(){console.log(1);}, 0);
      console.log(2);
      

      上面代码的执行结果总是2,1,因为只有在执行完第二行以后,系统才会去执行"任务队列"中的回调函数。

      总之,setTimeout(fn,0)的含义是,指定某个任务在主线程最早可得的空闲时间执行,也就是说,尽可能早得执行。它在"任务队列"的尾部添加一个事件,因此要等到同步任务和"任务队列"现有的事件都处理完,才会得到执行。

      HTML5标准规定了setTimeout()的第二个参数的最小值(最短间隔),不得低于4毫秒,如果低于这个值,就会自动增加。在此之前,老版本的都将最短间隔设为10毫秒。另外,对于那些DOM的变动(尤其是涉及页面重新渲染的部分),通常不会立即执行,而是每16毫秒执行一次。这时使用requestAnimationFrame()的效果要好于setTimeout()。

      需要注意的是,setTimeout()只是将事件插入了"任务队列",必须等到当前代码(执行栈)执行完,主线程才会去执行它指定的回调函数。要是当前代码耗时很长,有可能要等很久,所以并没有办法保证,回调函数一定会在setTimeout()指定的时间执行。

      总结:

      以前只是认为javaScript只是一种简单的脚本语言而已,但是随着深入之后慢慢的发现,javaScript还是很复杂的,知识点还是挺多的,JS执行原理大致上已经了解了,但是如果想要深入的话,还需要多努力,多看点书,高效能的javaScript和javaScript高级程序设计都还不错.




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