第四章 变量、作用域和内存问题 --《Javascript高级程序设计》

一、基本类型和引用类型的值

ECMAScript 变量可能包含两种不同数据类型的值：基本类型值和引用类型值。基本类型值指的是简单的数据段，而引用类型值指那些可能由多个值构成的对象。

在将一个值赋给变量时，解析器必须确定这个值是基本类型值还是引用类型值。5 种基本数据类型：Undefined、Null、Boolean、Number 和String。这5 种基本数据类型是按值访问的，因为可以操作保存在变量中的实际的值。

引用类型的值是保存在内存中的对象。与其他语言不同，JavaScript 不允许直接访问内存中的位置，也就是说不能直接操作对象的内存空间。在操作对象时，实际上是在操作对象的引用而不是实际的对象。
为此，引用类型的值是按引用访问的。

当复制保存着对象的某个变量时，操作的是对象的引用。但在为对象添加属性时，操作的是实际的对象。

1.1 动态的属性

定义基本类型值和引用类型值的方式是类似的：创建一个变量并为该变量赋值。但是，当这个值保存到变量中以后，对不同类型值可以执行的操作则大相径庭。对于引用类型的值，我们可以为其添加属性和方法，也可以改变和删除其属性和方法。请看下面的例子：

var person = new Object();
person.name = "Nicholas";
alert(person.name); //"Nicholas"

如果对象不被销毁或者这个属性不被删除，则这个属性将一直存在。

但是，我们不能给基本类型的值添加属性，尽管这样做不会导致任何错误。比如：
var name = "Nicholas";
name.age = 27;
alert(name.age); //undefined

1.2 复制变量值

除了保存的方式不同之外，在从一个变量向另一个变量复制基本类型值和引用类型值时，也存在不同。如果从一个变量向另一个变量复制基本类型的值，会在变量对象上创建一个新值，然后把该值复制到为新变量分配的位置上。来看一个例子：
var num1 = 5;
var num2 = num1;
在此，num1 中保存的值是5。当使用num1 的值来初始化num2 时，num2 中也保存了值5。但num2中的5 与num1 中的5 是完全独立的，该值只是num1 中5 的一个副本。此后，这两个变量可以参与任何操作而不会相互影响。图4-1 形象地展示了复制基本类型值的过程。

当从一个变量向另一个变量复制引用类型的值时，同样也会将存储在变量对象中的值复制一份放到为新变量分配的空间中。不同的是，这个值的副本实际上是一个指针，而这个指针指向存储在堆中的一个对象。复制操作结束后，两个变量实际上将引用同一个对象。因此，改变其中一个变量，就会影响另一个变量，如下面的例子所示：
var obj1 = new Object();
var obj2 = obj1;
obj1.name = "Nicholas";
alert(obj2.name); //"Nicholas"
obj2.name='lily';
alert(obj1.name);//lily

首先，变量obj1 保存了一个对象的新实例。然后，这个值被复制到了obj2 中；换句话说，obj1和obj2 都指向同一个对象。这样，当为obj1 添加name 属性后，可以通过obj2 来访问这个属性，因为这两个变量引用的都是同一个对象。图4-2 展示了保存在变量对象中的变量和保存在堆中的对象之间的这种关系。

 

1.3 传递参数

 ECMAScript 中所有函数的参数都是按值传递的。也就是说，把函数外部的值复制给函数内部的参数，就和把值从一个变量复制到另一个变量一样。基本类型值的传递如同基本类型变量的复制一样，而引用类型值的传递，则如同引用类型变量的复制一样。访问变量有按值和按引用两种方式，而参数只能按值传递。

在向参数传递基本类型的值时，被传递的值会被复制给一个局部变量（即命名参数，或者用ECMAScript 的概念来说，就是arguments 对象中的一个元素）。在向参数传递引用类型的值时，会把这个值在内存中的地址复制给一个局部变量，因此这个局部变量的变化会反映在函数的外部。请看下面这个例子：
function addTen(num) {
　　num += 10;
　　return num;
}

var count = 20;
var result = addTen(count);
alert(count); //20，没有变化
alert(result); //30

这里的函数addTen()有一个参数num，而参数实际上是函数的局部变量。在调用这个函数时，变量count 作为参数被传递给函数，这个变量的值是20。于是，数值20 被复制给参数num 以便在addTen()中使用。在函数内部，参数num 的值被加上了10，但这一变化不会影响函数外部的count 变量。参数num 与变量count 互不相识，它们仅仅是具有相同的值。假如num 是按引用传递的话，那么变量count的值也将变成30，从而反映函数内部的修改。当然，使用数值等基本类型值来说明按值传递参数比较简单，但如果使用对象，那问题就不怎么好理解了。再举一个例子：

function setName(obj) {
　　obj.name = "Nicholas";
}
var person = new Object();
setName(person);
alert(person.name); //"Nicholas"

 以上代码中创建一个对象，并将其保存在了变量person 中。然后，这个变量被传递到setName()函数中之后就被复制给了obj。在这个函数内部，obj 和person 引用的是同一个对象。换句话说，即使这个变量是按值传递的，obj 也会按引用来访问同一个对象。于是，当在函数内部为obj 添加name属性后，函数外部的person 也将有所反映；因为person 指向的对象在堆内存中只有一个，而且是全局对象。有很多开发人员错误地认为：在局部作用域中修改的对象会在全局作用域中反映出来，就说明参数是按引用传递的。为了证明对象是按值传递的，我们再看一看下面这个经过修改的例子：

function setName(obj) {
　　obj.name = "Nicholas";
　　obj = new Object();
　　obj.name = "Greg";
}
var person = new Object();
setName(person);
alert(person.name); //"Nicholas"

这个例子与前一个例子的唯一区别，就是在setName()函数中添加了两行代码：一行代码为obj重新定义了一个对象，另一行代码为该对象定义了一个带有不同值的name 属性。在把person 传递给setName()后，其name 属性被设置为"Nicholas"。然后，又将一个新对象赋给变量obj，同时将其name属性设置为"Greg"。如果person 是按引用传递的，那么person 就会自动被修改为指向其name 属性值为"Greg"的新对象。但是，当接下来再访问person.name 时，显示的值仍然是"Nicholas"。这说明即使在函数内部修改了参数的值，但原始的引用仍然保持未变。实际上，当在函数内部重写obj 时，这个变量引用的就是一个局部对象了。而这个局部对象会在函数执行完毕后立即被销毁。

 1.4 检测类型

typeof 操作符是确定一个变量是字符串、数值、布尔值，还是undefined 的最佳工具。如果变量的值是一个对象或null，则typeof 操作符会像下面例子中所示的那样返回"object"：
var s = "Nicholas";
var b = true;
var i = 22;
var u;
var n = null;
var o = new Object();
alert(typeof s); //string
alert(typeof i); //number
alert(typeof b); //boolean
alert(typeof u); //undefined
alert(typeof n); //object
alert(typeof o); //object

。通常，我们并不是想知道某个值是对象，而是想知道它是什么类型的对象。为此，ECMAScript提供了instanceof 操作符，其语法如下所示：
result = variable instanceof constructor

如果变量是给定引用类型的实例，那么instanceof 操作符就会返回true。请看下面的例子：
alert(person instanceof Object); // 变量person 是Object 吗？
alert(colors instanceof Array); // 变量colors 是Array 吗？
alert(pattern instanceof RegExp); // 变量pattern 是RegExp 吗？
根据规定，所有引用类型的值都是Object 的实例。因此，在检测一个引用类型值和Object 构造函数时，instanceof 操作符始终会返回true。当然，如果使用instanceof 操作符检测基本类型的值，则该操作符始终会返回false，因为基本类型不是对象。

 

二、执行环境和作用域

执行环境（execution context）是JavaScript 中最为重要的一个概念。执行环境定义了变量或函数有权访问的其他数据，决定了它们各自的行为。每个执行环境都有一个与之关联的变量对象（variable object），环境中定义的所有变量和函数都保存在这个对象中。虽然我们编写的代码无法访问这个对象，但解析器在处理数据时会在后台使用它。

全局执行环境是最外围的一个执行环境。根据ECMAScript 实现所在的宿主环境不同，表示执行环境的对象也不一样。在Web 浏览器中，全局执行环境被认为是window 对象，因此所有全局变量和函数都是作为window 对象的属性和方法创建的。某个执行环境中的所有代码执行完毕后，该环境被销毁，保存在其中的所有变量和函数定义也随之销毁（全局执行环境直到应用程序退出——例如关闭网页或浏览器——时才会被销毁）。
每个函数都有自己的执行环境。当执行流进入一个函数时，函数的环境就会被推入一个环境栈中。而在函数执行之后，栈将其环境弹出，把控制权返回给之前的执行环境。ECMAScript 程序中的执行流正是由这个方便的机制控制着。

当代码在一个环境中执行时，会创建变量对象的一个作用域链（scope chain）。作用域链的用途，是保证对执行环境有权访问的所有变量和函数的有序访问。作用域链的前端，始终都是当前执行的代码所在环境的变量对象。如果这个环境是函数，则将其活动对象（activation object）作为变量对象。活动对象在最开始时只包含一个变量，即arguments 对象（这个对象在全局环境中是不存在的）。作用域链中的下一个变量对象来自包含（外部）环境，而再下一个变量对象则来自下一个包含环境。这样，一直延续到全局执行环境；全局执行环境的变量对象始终都是作用域链中的最后一个对象。
标识符解析是沿着作用域链一级一级地搜索标识符的过程。搜索过程始终从作用域链的前端开始，然后逐级地向后回溯，直至找到标识符为止（如果找不到标识符，通常会导致错误发生）。 

var color = "blue";
function changeColor(){
　　if (color === "blue"){
　　　　color = "red";
　　} else {
　　　　color = "blue";
　　}
}
changeColor();
alert("Color is now " + color);//red

在这个简单的例子中，函数changeColor()的作用域链包含两个对象：它自己的变量对象（其中定义着arguments 对象）和全局环境的变量对象。可以在函数内部访问变量color，就是因为可以在这个作用域链中找到它。

var color = "blue";
function changeColor(){
var anotherColor = "red";
function swapColors(){
var tempColor = anotherColor;
anotherColor = color;
color = tempColor;
// 这里可以访问color、anotherColor 和tempColor
}
// 这里可以访问color 和anotherColor，但不能访问tempColor
swapColors();
}
// 这里只能访问color
changeColor();
以上代码共涉及3 个执行环境：全局环境、changeColor()的局部环境和swapColors()的局部环境。全局环境中有一个变量color 和一个函数changeColor()。changeColor()的局部环境中有一个名为anotherColor 的变量和一个名为swapColors()的函数，但它也可以访问全局环境中的变量color。swapColors()的局部环境中有一个变量tempColor，该变量只能在这个环境中访问到。
无论全局环境还是changeColor()的局部环境都无权访问tempColor。然而，在swapColors()内部则可以访问其他两个环境中的所有变量，因为那两个环境是它的父执行环境。图4-3 形象地展示了前面这个例子的作用域链。

其中，内部环境可以通过作用域链访问所有的外部环境，但外部环境不能访问内部环境中的任何变量和函数。这些环境之间的联系是线性、有次序的。每个环境都可以向上搜索作用域链，以查询变量和函数名；但任何环境都不能通过向下搜索作用域链而进入另一个执行环境。对于这个例子中的swapColors()而言，其作用域链中包含3 个对象：swapColors()的变量对象、changeColor()的变量对象和全局变量对象。swapColors()的局部环境开始时会先在自己的变量对象中搜索变量和函数名，如果搜索不到则再搜索上一级作用域链。changeColor()的作用域链中只包含两个对象：它自己的变量对象和全局变量对象。这也就是说，它不能访问swapColors()的环境。

2.1 延长作用域链

虽然执行环境的类型总共只有两种——全局和局部（函数），但还是有其他办法来延长作用域链。这么说是因为有些语句可以在作用域链的前端临时增加一个变量对象，该变量对象会在代码执行后被移除。在两种情况下会发生这种现象。具体来说，就是当执行流进入下列任何一个语句时，作用域链就会得到加长：

 try-catch 语句的catch 块；
 with 语句。
这两个语句都会在作用域链的前端添加一个变量对象。对with 语句来说，会将指定的对象添加到作用域链中。对catch 语句来说，会创建一个新的变量对象，其中包含的是被抛出的错误对象的声明。下面看一个例子。
function buildUrl() {
var qs = "?debug=true";
with(location){
var url = href + qs;
}
return url;
}

在此，with 语句接收的是location 对象，因此其变量对象中就包含了location 对象的所有属性和方法，而这个变量对象被添加到了作用域链的前端。buildUrl()函数中定义了一个变量qs。当在with 语句中引用变量href 时（实际引用的是location.href），可以在当前执行环境的变量对象中找到。当引用变量qs 时，引用的则是在buildUrl()中定义的那个变量，而该变量位于函数环境的变量对象中。至于with 语句内部，则定义了一个名为url 的变量，因而url 就成了函数执行环境的一部分，所以可以作为函数的值被返回。

2.2 没有块级作用域

if (true) {
var color = "blue";
}
alert(color); //"blue"
这里是在一个if 语句中定义了变量color。如果是在C、C++或Java 中，color 会在if 语句执行完毕后被销毁。但在JavaScript 中，if 语句中的变量声明会将变量添加到当前的执行环境（在这里是全局环境）中。在使用for 语句时尤其要牢记这一差异，例如：
for (var i=0; i < 10; i++){
doSomething(i);
}
alert(i); //10
对于有块级作用域的语言来说，for 语句初始化变量的表达式所定义的变量，只会存在于循环的环境之中。而对于JavaScript 来说，由for 语句创建的变量i 即使在for 循环执行结束后，也依旧会存在于循环外部的执行环境中。

1、声明变量

使用var 声明的变量会自动被添加到最接近的环境中。在函数内部，最接近的环境就是函数的局部环境；在with 语句中，最接近的环境是函数环境。如果初始化变量时没有使用var 声明，该变量会自动被添加到全局环境。如下所示：

function add(num1, num2) {
var sum = num1 + num2;
return sum;
}
var result = add(10, 20); //30
alert(sum); //由于sum 不是有效的变量，因此会导致错误

如果省略这个例子中的var 关键字，那么当add()执行完毕后，sum 也将可以访问到：
function add(num1, num2) {
sum = num1 + num2;
return sum;
}
var result = add(10, 20); //30
alert(sum); //30

2、查询标识符

当在某个环境中为了读取或写入而引用一个标识符时，必须通过搜索来确定该标识符实际代表什么。搜索过程从作用域链的前端开始，向上逐级查询与给定名字匹配的标识符。如果在局部环境中找到了该标识符，搜索过程停止，变量就绪。如果在局部环境中没有找到该变量名，则继续沿作用域链向上搜索。搜索过程将一直追溯到全局环境的变量对象。如果在全局环境中也没有找到这个标识符，则意味着该变量尚未声明。
通过下面这个示例，可以理解查询标识符的过程：
var color = "blue";
function getColor(){
return color;
}
alert(getColor()); //"blue"

var color = "blue";
function getColor(){
var color = "red";
return color;
}
alert(getColor()); //"red"

 

二、垃圾收集

JavaScript 具有自动垃圾收集机制，也就是说，执行环境会负责管理代码执行过程中使用的内存。在编写JavaScript 程序时，开发人员不用再关心内存使用问题，所需内存的分配以及无用内存的回收完全实现了自动管理。这种垃圾收集机制的原理其实很简单：找出那些不再继续使用的变量，然后释放其占用的内存。为此，垃圾收集器会按照固定的时间间隔（或代码执行中预定的收集时间），
周期性地执行这一操作。
下面我们来分析一下函数中局部变量的正常生命周期。局部变量只在函数执行的过程中存在。而在这个过程中，会为局部变量在栈（或堆）内存上分配相应的空间，以便存储它们的值。然后在函数中使用这些变量，直至函数执行结束。此时，局部变量就没有存在的必要了，因此可以释放它们的内存以供将来使用。在这种情况下，很容易判断变量是否还有存在的必要；但并非所有情况下都这么容易就能得出结论。垃圾收集器必须跟踪哪个变量有用哪个变量没用，对于不再有用的变量打上标记，以备将来收回其占用的内存。用于标识无用变量的策略可能会因实现而异，但具体到浏览器中的实现，则通常有两个策略。

3.1 标记清除

JavaScript 中最常用的垃圾收集方式是标记清除（mark-and-sweep）。当变量进入环境（例如，在函数中声明一个变量）时，就将这个变量标记为“进入环境”。从逻辑上讲，永远不能释放进入环境的变量所占用的内存，因为只要执行流进入相应的环境，就可能会用到它们。而当变量离开环境时，则将其标记为“离开环境”。

可以使用任何方式来标记变量。比如，可以通过翻转某个特殊的位来记录一个变量何时进入环境，或者使用一个“进入环境的”变量列表及一个“离开环境的”变量列表来跟踪哪个变量发生了变化。说到底，如何标记变量其实并不重要，关键在于采取什么策略。
垃圾收集器在运行的时候会给存储在内存中的所有变量都加上标记（当然，可以使用任何标记方式）。然后，它会去掉环境中的变量以及被环境中的变量引用的变量的标记。而在此之后再被加上标记的变量将被视为准备删除的变量，原因是环境中的变量已经无法访问到这些变量了。最后，垃圾收集器完成内存清除工作，销毁那些带标记的值并回收它们所占用的内存空间。
到2008 年为止，IE、Firefox、Opera、Chrome 和Safari 的JavaScript 实现使用的都是标记清除式的垃圾收集策略（或类似的策略），只不过垃圾收集的时间间隔互有不同。

3.2 引用计数

另一种不太常见的垃圾收集策略叫做引用计数（reference counting）。引用计数的含义是跟踪记录每个值被引用的次数。当声明了一个变量并将一个引用类型值赋给该变量时，则这个值的引用次数就是1。如果同一个值又被赋给另一个变量，则该值的引用次数加1。相反，如果包含对这个值引用的变量又取得了另外一个值，则这个值的引用次数减1。当这个值的引用次数变成0 时，则说明没有办法再访问这个值了，因而就可以将其占用的内存空间回收回来。这样，当垃圾收集器下次再运行时，它就会释放那些引用次数为零的值所占用的内存。

Netscape Navigator 3.0 是最早使用引用计数策略的浏览器，但很快它就遇到了一个严重的问题：循环引用。循环引用指的是对象A 中包含一个指向对象B 的指针，而对象B 中也包含一个指向对象A 的引用。

3.3 性能问题

随着IE7 的发布，其JavaScript 引擎的垃圾收集例程改变了工作方式：触发垃圾收集的变量分配、字面量和（或）数组元素的临界值被调整为动态修正。IE7 中的各项临界值在初始时与IE6 相等。如果垃圾收集例程回收的内存分配量低于15%，则变量、字面量和（或）数组元素的临界值就会加倍。如果例程回收了85%的内存分配量，则将各种临界值重置回默认值。这一看似简单的调整，极大地提升了IE在运行包含大量JavaScript 的页面时的性能。

3.4 管理内存

JavaScript在进行内存管理及垃圾收集时面临的问题还是有点与众不同。其中最主要的一个问题，就是分配给Web浏览器的可用内存数量通常要比分配给桌面应用程序的少。这样做的目的主要是出于安全方面的考虑，目的是防止运行JavaScript 的网页耗尽全部系统内存而导致系统崩溃。内存限制问题不仅会影响给变量分配内存，同时还会影响调用栈以及在一个线程中能够同时执行的语句数量。
因此，确保占用最少的内存可以让页面获得更好的性能。而优化内存占用的最佳方式，就是为执行中的代码只保存必要的数据。一旦数据不再有用，最好通过将其值设置为null 来释放其引用——这个做法叫做解除引用（dereferencing）。这一做法适用于大多数全局变量和全局对象的属性。局部变量会在它们离开执行环境时自动被解除引用，如下面这个例子所示：
function createPerson(name){
var localPerson = new Object();
localPerson.name = name;
return localPerson;
}
var globalPerson = createPerson("Nicholas");
// 手工解除globalPerson 的引用
globalPerson = null;

不过，解除一个值的引用并不意味着自动回收该值所占用的内存。解除引用的真正作用是让值脱离执行环境，以便垃圾收集器下次运行时将其回收。

四、小结

JavaScript 变量可以用来保存两种类型的值：基本类型值和引用类型值。基本类型的值源自以下5种基本数据类型：Undefined、Null、Boolean、Number 和String。基本类型值和引用类型值具有以下特点：
 基本类型值在内存中占据固定大小的空间，因此被保存在栈内存中；
 从一个变量向另一个变量复制基本类型的值，会创建这个值的一个副本；
 引用类型的值是对象，保存在堆内存中；
 包含引用类型值的变量实际上包含的并不是对象本身，而是一个指向该对象的指针；
 从一个变量向另一个变量复制引用类型的值，复制的其实是指针，因此两个变量最终都指向同一个对象；

 确定一个值是哪种基本类型可以使用typeof 操作符，而确定一个值是哪种引用类型可以使用instanceof 操作符。
所有变量（包括基本类型和引用类型）都存在于一个执行环境（也称为作用域）当中，这个执行环境决定了变量的生命周期，以及哪一部分代码可以访问其中的变量。以下是关于执行环境的几点总结：
 执行环境有全局执行环境（也称为全局环境）和函数执行环境之分；
 每次进入一个新执行环境，都会创建一个用于搜索变量和函数的作用域链；
 函数的局部环境不仅有权访问函数作用域中的变量，而且有权访问其包含（父）环境，乃至全局环境；
 全局环境只能访问在全局环境中定义的变量和函数，而不能直接访问局部环境中的任何数据；
 变量的执行环境有助于确定应该何时释放内存。
JavaScript 是一门具有自动垃圾收集机制的编程语言，开发人员不必关心内存分配和回收问题。可以对JavaScript 的垃圾收集例程作如下总结。
 离开作用域的值将被自动标记为可以回收，因此将在垃圾收集期间被删除。
 “标记清除”是目前主流的垃圾收集算法，这种算法的思想是给当前不使用的值加上标记，然后再回收其内存。
 另一种垃圾收集算法是“引用计数”，这种算法的思想是跟踪记录所有值被引用的次数。JavaScript引擎目前都不再使用这种算法；但在IE 中访问非原生JavaScript 对象（如DOM 元素）时，这种算法仍然可能会导致问题。
 当代码中存在循环引用现象时，“引用计数”算法就会导致问题。
 解除变量的引用不仅有助于消除循环引用现象，而且对垃圾收集也有好处。为了确保有效地回收内存，应该及时解除不再使用的全局对象、全局对象属性以及循环引用变量的引用。