搞清楚JavaScript的闭包与变量作用域

JavaScript 是一种非常面向函数的语言。它给了我们很大的自由度。在 JavaScript 中，我们可以随时创建函数，可以将函数作为参数传递给另一个函数，并在完全不同的代码位置进行调用。

我们已经知道函数可以访问其外部的变量。

但是，如果在函数被创建之后，外部变量发生了变化会怎样?函数会获得新值还是旧值?

如果将函数作为参数传递并在代码中的另一个位置调用它，该函数将访问的是新位置的外部变量吗?

让我们通过本文来学习这些相关知识，以了解在这些场景以及更复杂的场景下到底会发生什么。

我们将在这探讨一下 let/const

在 JavaScript 中，有三种声明变量的方式：let，const(现代方式)，var(过去留下来的方式)。

在本文的示例中，我们将使用 let 声明变量。用 const 声明的变量的行为也相同(译注：与 let 在作用域等特性上是相同的)，因此，本文也涉及用 const 进行变量声明。旧的 var 与上面两个有着明显的区别，我们将在 旧时的 "var" 中详细介绍。

一、代码块

如果在代码块 {...} 内声明了一个变量，那么这个变量只在该代码块内可见。

例如：

{   
// 使用在代码块外不可见的局部变量做一些工作   
let message = "Hello"; 
// 只在此代码块内可见   
alert(message); // Hello 
}  
alert(message); 
// Error: message is not defined
我们可以使用它来隔离一段代码，该段代码执行自己的任务，并使用仅属于自己的变量：

{   
// 显示 message   let message = "Hello";   alert(message); 
}  {   // 显示另一个 message   let message = "Goodbye";   alert(message); 
}
这里如果没有代码块则会报错

请注意，如果我们使用 let 对已存在的变量进行重复声明，如果对应的变量没有单独的代码块，则会出现错误：

// 显示 message let message = "Hello"; alert(message);  
// 显示另一个 message let message = "Goodbye"; 
// Error: variable already declared alert(message);
对于 if，for 和 while 等，在 {...} 中声明的变量也仅在内部可见：

if (true) {   let phrase = "Hello!";   
alert(phrase); // Hello! }  
alert(phrase); // Error, no such variable!
在这儿，当 if 执行完毕，则下面的 alert 将看不到 phrase，因此会出现错误。

太好了，因为这就允许我们创建特定于 if 分支的块级局部变量。

对于 for 和 while 循环也是如此：

for (let i = 0; i < 3; i++) {   
// 变量 i 仅在这个 for 循环的内部可见   
alert(i); // 0，然后是 1，然后是 2 }  alert(i); // Error, no such variable
从视觉上看，let i 位于 {...} 之外。但是 for 构造在这里很特殊：在其中声明的变量被视为块的一部分。

二、嵌套函数

当一个函数是在另一个函数中创建的时，那么该函数就被称为“嵌套”的。

在 JavaScript 中很容易实现这一点。

我们可以使用嵌套来组织代码，比如这样：

function sayHiBye(firstName, lastName) {    
// 辅助嵌套函数使用如下   function getFullName() {     
return firstName + " " + lastName;   }    
alert( "Hello, " + getFullName() );   
alert( "Bye, " + getFullName() );  
}
这里创建的 嵌套 函数 getFullName() 是为了更加方便。它可以访问外部变量，因此可以返回全名。嵌套函数在 JavaScript 中很常见。

更有意思的是，可以返回一个嵌套函数：作为一个新对象的属性或作为结果返回。之后可以在其他地方使用。不论在哪里调用，它仍然可以访问相同的外部变量。

下面的 makeCounter 创建了一个 “counter” 函数，该函数在每次调用时返回下一个数字：

function makeCounter() {   
let count = 0;    
return function() {     
return count++;  
 }; }  let counter = makeCounter();  
 alert( counter() ); // 0 alert( counter() ); // 1 alert( counter() ); // 2
尽管很简单，但稍加变型就具有很强的实际用途，比如，用作 随机数生成器 以生成用于自动化测试的随机数值。

这是如何运作的呢?如果我们创建多个计数器，它们会是独立的吗?这里的变量是怎么回事?

理解这些内容对于掌握 JavaScript 的整体知识很有帮助，并且对于应对更复杂的场景也很有益处。因此，让我们继续深入探究。

三、词法环境 Lexical Environment

为了使内容更清晰，这里将分步骤进行讲解。

Step 1. 变量

在 JavaScript 中，每个运行的函数，代码块 {...} 以及整个脚本，都有一个被称为 词法环境(Lexical Environment) 的内部(隐藏)的关联对象。

词法环境对象由两部分组成：

环境记录(Environment Record) —— 一个存储所有局部变量作为其属性(包括一些其他信息，例如 this 的值)的对象。

对 外部词法环境 的引用，与外部代码相关联。

一个“变量”只是 环境记录 这个特殊的内部对象的一个属性。“获取或修改变量”意味着“获取或修改词法环境的一个属性”。

举个例子，这段没有函数的简单的代码中只有一个词法环境：

这就是所谓的与整个脚本相关联的 全局 词法环境。

在上面的图片中，矩形表示环境记录(变量存储)，箭头表示外部引用。全局词法环境没有外部引用，所以箭头指向了 null。

随着代码开始并继续运行，词法环境发生了变化。

这是更长的代码：

右侧的矩形演示了执行过程中全局词法环境的变化：

当脚本开始运行，词法环境预先填充了所有声明的变量。最初，它们处于“未初始化(Uninitialized)”状态。这是一种特殊的内部状态，这意味着引擎知道变量，但是在用 let 声明前，不能引用它。几乎就像变量不存在一样。

然后 let phrase 定义出现了。它尚未被赋值，因此它的值为 undefined。从这一刻起，我们就可以使用变量了。

phrase 被赋予了一个值。

phrase 的值被修改。

现在看起来都挺简单的，是吧?

变量是特殊内部对象的属性，与当前正在执行的(代码)块/函数/脚本有关。

操作变量实际上是操作该对象的属性。

词法环境是一个规范对象：

“词法环境”是一个规范对象(specification object)：它仅仅是存在于 编程语言规范 中的“理论上”存在的，用于描述事物如何运作的对象。我们无法在代码中获取该对象并直接对其进行操作。

但 JavaScript 引擎同样可以优化它，比如清除未被使用的变量以节省内存和执行其他内部技巧等，但显性行为应该是和上述的无差。

Step 2. 函数声明

一个函数其实也是一个值，就像变量一样。

不同之处在于函数声明的初始化会被立即完成。

当创建了一个词法环境(Lexical Environment)时，函数声明会立即变为即用型函数(不像 let 那样直到声明处才可用)。

这就是为什么我们可以在(函数声明)的定义之前调用函数声明。

例如，这是添加一个函数时全局词法环境的初始状态：

正常来说，这种行为仅适用于函数声明，而不适用于我们将函数分配给变量的函数表达式，例如 let say = function(name)...。

Step 3. 内部和外部的词法环境

在一个函数运行时，在调用刚开始时，会自动创建一个新的词法环境以存储这个调用的局部变量和参数。

例如，对于 say("John")，它看起来像这样(当前执行位置在箭头标记的那一行上)：

在这个函数调用期间，我们有两个词法环境：内部一个(用于函数调用)和外部一个(全局)：

内部词法环境与 say 的当前执行相对应。它具有一个单独的属性：name，函数的参数。我们调用的是 say("John")，所以 name 的值为 "John"。

外部词法环境是全局词法环境。它具有 phrase 变量和函数本身。

内部词法环境引用了 outer。

当代码要访问一个变量时 —— 首先会搜索内部词法环境，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。

如果在任何地方都找不到这个变量，那么在严格模式下就会报错(在非严格模式下，为了向下兼容，给未定义的变量赋值会创建一个全局变量)。

在这个示例中，搜索过程如下：

对于 name 变量，当 say 中的 alert 试图访问 name 时，会立即在内部词法环境中找到它。

当它试图访问 phrase 时，然而内部没有 phrase，所以它顺着对外部词法环境的引用找到了它。

Step 4. 返回函数

让我们回到 makeCounter 这个例子。

function makeCounter() {   
let count = 0;    return function() {
     return count++;   }; }  let counter = makeCounter();
在每次 makeCounter() 调用的开始，都会创建一个新的词法环境对象，以存储该 makeCounter 运行时的变量。

因此，我们有两层嵌套的词法环境，就像上面的示例一样：

不同的是，在执行 makeCounter() 的过程中创建了一个仅占一行的嵌套函数：return count++。我们尚未运行它，仅创建了它。

所有的函数在“诞生”时都会记住创建它们的词法环境。从技术上讲，这里没有什么魔法：所有函数都有名为 [[Environment]] 的隐藏属性，该属性保存了对创建该函数的词法环境的引用。

因此，counter.[[Environment]] 有对 {count: 0} 词法环境的引用。这就是函数记住它创建于何处的方式，与函数被在哪儿调用无关。[[Environment]] 引用在函数创建时被设置并永久保存。

稍后，当调用 counter() 时，会为该调用创建一个新的词法环境，并且其外部词法环境引用获取于 counter.[[Environment]]：

现在，当 counter() 中的代码查找 count 变量时，它首先搜索自己的词法环境(为空，因为那里没有局部变量)，然后是外部 makeCounter() 的词法环境，并且在哪里找到就在哪里修改。

在变量所在的词法环境中更新变量。

这是执行后的状态：

如果我们调用 counter() 多次，count 变量将在同一位置增加到 2，3 等。

闭包

开发者通常应该都知道“闭包”这个通用的编程术语。

闭包 是指内部函数总是可以访问其所在的外部函数中声明的变量和参数，即使在其外部函数被返回(寿命终结)了之后。在某些编程语言中，这是不可能的，或者应该以特殊的方式编写函数来实现。但是如上所述，在 JavaScript 中，所有函数都是天生闭包的(只有一个例外，将在 "new Function" 语法 中讲到)。

也就是说：JavaScript 中的函数会自动通过隐藏的 [[Environment]] 属性记住创建它们的位置，所以它们都可以访问外部变量。

在面试时，前端开发者通常会被问到“什么是闭包?”，正确的回答应该是闭包的定义，并解释清楚为什么 JavaScript 中的所有函数都是闭包的，以及可能的关于 [[Environment]] 属性和词法环境原理的技术细节。

四、垃圾收集

通常，函数调用完成后，会将词法环境和其中的所有变量从内存中删除。因为现在没有任何对它们的引用了。与 JavaScript 中的任何其他对象一样，词法环境仅在可达时才会被保留在内存中。

但是，如果有一个嵌套的函数在函数结束后仍可达，则它将具有引用词法环境的 [[Environment]] 属性。

在下面这个例子中，即使在函数执行完成后，词法环境仍然可达。因此，此嵌套函数仍然有效。

例如：

function f() {   
let value = 123;    
return function() {
     alert(value);   
     } }  
     let g = f(); // g.[[Environment]] 存储了对相应 f() 调用的词法环境的引用
请注意，如果多次调用 f()，并且返回的函数被保存，那么所有相应的词法环境对象也会保留在内存中。下面代码中有三个这样的函数：

function f() {   
let value = Math.random();    
return function() { alert(value); }; }  
// 数组中的 3 个函数，每个都与来自对应的 f() 的词法环境相关联 let arr = [f(), f(), f()];
当词法环境对象变得不可达时，它就会死去(就像其他任何对象一样)。换句话说，它仅在至少有一个嵌套函数引用它时才存在。

在下面的代码中，嵌套函数被删除后，其封闭的词法环境(以及其中的 value)也会被从内存中删除：

function f() {   
let value = 123;   
 return function() {     
alert(value);   } }  
let g = f(); // 当 g 函数存在时，该值会被保留在内存中  g = null; // ……现在内存被清理了
五、实际开发中的优化

正如我们所看到的，理论上当函数可达时，它外部的所有变量也都将存在。

但在实际中，JavaScript 引擎会试图优化它。它们会分析变量的使用情况，如果从代码中可以明显看出有未使用的外部变量，那么就会将其删除。

在 V8(Chrome，Edge，Opera)中的一个重要的副作用是，此类变量在调试中将不可用。

打开 Chrome 浏览器的开发者工具，并尝试运行下面的代码。

当代码执行暂停时，在控制台中输入 alert(value)。

function f() {   
let value = Math.random();    
function g() {     
debugger; // 在 Console 中：输入 alert(value); No such variable!  
 }    return g; }  let g = f(); g();
正如你所见的 —— No such variable! 理论上，它应该是可以访问的，但引擎把它优化掉了。

这可能会导致有趣的(如果不是那么耗时的)调试问题。其中之一 —— 我们可以看到的是一个同名的外部变量，而不是预期的变量：

let value = "Surprise!";  
function f() {   
let value = "the closest value";    
function g() {    
 debugger; // 在 console 中：输入 alert(value); Surprise!  
 }   
  return g; }  let g = f(); g();
V8 引擎的这个特性你真的应该知道。如果你要使用 Chrome/Edge/Opera 进行代码调试，迟早会遇到这样的问题。

这不是调试器的 bug，而是 V8 的一个特别的特性。也许以后会被修改。你始终可以通过运行本文中的示例来进行检查。