专题3：javascript作用域、作用域链与闭包

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攻克闭包难题

初学JavaScript的时候，我在学习闭包上，走了很多弯路。而这次重新回过头来对基础知识进行梳理，要讲清楚闭包，也是一个非常大的挑战。

闭包有多重要？如果你是初入前端的朋友，我没有办法直观的告诉你闭包在实际开发中的无处不在，但是我可以告诉你，前端面试，必问闭包。面试官们常常用对闭包的了解程度来判定面试者的基础水平，保守估计，10个前端面试者，至少5个都死在闭包上。

可是为什么，闭包如此重要，还是有那么多人没有搞清楚呢？是因为大家不愿意学习吗？还真不是，而是我们通过搜索找到的大部分讲解闭包的中文文章，都没有清晰明了的把闭包讲解清楚。要么浅尝辄止，要么高深莫测，要么干脆就直接乱说一通。包括我自己曾经也写过一篇关于闭包的总结，回头一看，不忍直视。

因此本文的目的就在于，能够清晰明了得把闭包说清楚，让读者老爷们看了之后，就把闭包给彻底学会了，而不是似懂非懂。

一、作用域与作用域链

在详细讲解作用域链之前，我默认你已经大概明白了JavaScript中的下面这些重要概念。这些概念将会非常有帮助。

· 基础数据类型与引用数据类型

· 内存空间

· 垃圾回收机制

· 执行上下文

· 变量对象与活动对象

作用域

在JavaScript中，我们可以将作用域定义为一套规则,这套规则用来管理引擎如何在当前作用域以及嵌套的子作用域中根据标识符名称进行变量查找。

这里的标识符，指的是变量名或者函数名

JavaScript中只有全局作用域与函数作用域(因为eval我们平时开发中几乎不会用到它，这里不讨论)。

作用域与执行上下文是完全不同的两个概念。我知道很多人会混淆他们，但是一定要仔细区分。

JavaScript代码的整个执行过程，分为两个阶段，代码编译阶段与代码执行阶段。编译阶段由编译器完成，将代码翻译成可执行代码，这个阶段作用域规则会确定。执行阶段由引擎完成，主要任务是执行可执行代码，执行上下文在这个阶段创建。

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1. 什么是作用域

作用域是在运行时代码中的某些特定部分中变量，函数和对象的可访问性。换句话说，作用域决定了代码区块中变量和其他资源的可见性。可能这两句话并不好理解，我们先来看个例子：

function outFun2() {
    var inVariable = "内层变量2";
}
outFun2();//要先执行这个函数，否则根本不知道里面是啥
console.log(inVariable); // Uncaught ReferenceError: inVariable is not defined

从上面的例子可以体会到作用域的概念，变量 inVariable 在全局作用域没有声明，所以在全局作用域下取值会报错。我们可以这样理解：作用域就是一个独立的地盘，让变量不会外泄、暴露出去。也就是说作用域最大的用处就是隔离变量，不同作用域下同名变量不会有冲突。

ES6 之前 JavaScript 没有块级作用域,只有全局作用域和函数作用域。ES6 的到来，为我们提供了‘块级作用域’,可通过新增命令 let 和 const 来体现。

2. 全局作用域和函数作用域

在代码中任何地方都能访问到的对象拥有全局作用域，一般来说以下几种情形拥有全局作用域：

• 最外层函数 和在最外层函数外面定义的变量拥有全局作用域

var outVariable = "我是最外层变量"; //最外层变量
function outFun() { //最外层函数
    var inVariable = "内层变量";
    function innerFun() { //内层函数
        console.log(inVariable);
    }
    innerFun();
}
console.log(outVariable); //我是最外层变量
outFun(); //内层变量
console.log(inVariable); //inVariable is not defined
innerFun(); //innerFun is not defined

• 所有末定义直接赋值的变量自动声明为拥有全局作用域

function outFun2() {
    variable = "未定义直接赋值的变量";
    var inVariable2 = "内层变量2";
}
outFun2();//要先执行这个函数，否则根本不知道里面是啥
console.log(variable); //未定义直接赋值的变量
console.log(inVariable2); //inVariable2 is not defined

• 所有 window 对象的属性拥有全局作用域

一般情况下，window 对象的内置属性都拥有全局作用域，例如 window.name、window.location、window.top 等等。

全局作用域有个弊端：如果我们写了很多行 JS 代码，变量定义都没有用函数包括，那么它们就全部都在全局作用域中。这样就会 污染全局命名空间, 容易引起命名冲突。

// 张三写的代码中
var data = {a: 100}

// 李四写的代码中
var data = {x: true}

这就是为何 jQuery、Zepto 等库的源码，所有的代码都会放在(function(){....})()中。因为放在里面的所有变量，都不会被外泄和暴露，不会污染到外面，不会对其他的库或者 JS 脚本造成影响。这是函数作用域的一个体现。

函数作用域,是指声明在函数内部的变量，和全局作用域相反，局部作用域一般只在固定的代码片段内可访问到，最常见的例如函数内部。

function doSomething(){
    var blogName="浪里行舟";
    function innerSay(){
        alert(blogName);
    }
    innerSay();
}
alert(blogName); //脚本错误
innerSay(); //脚本错误

作用域是分层的，内层作用域可以访问外层作用域的变量，反之则不行。我们看个例子，用泡泡来比喻作用域可能好理解一点： 

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最后输出的结果为 2, 4, 12

• 泡泡 1 是全局作用域，有标识符 foo；
• 泡泡 2 是作用域 foo，有标识符 a,bar,b；
• 泡泡 3 是作用域 bar，仅有标识符 c。

值得注意的是：块语句（大括号“｛｝”中间的语句），如 if 和 switch 条件语句或 for 和 while 循环语句，不像函数，它们不会创建一个新的作用域。在块语句中定义的变量将保留在它们已经存在的作用域中。

if (true) {
    // 'if' 条件语句块不会创建一个新的作用域
    var name = 'Hammad'; // name 依然在全局作用域中
}
console.log(name); // logs 'Hammad'

JS 的初学者经常需要花点时间才能习惯变量提升，而如果不理解这种特有行为，就可能导致

bug 。正因为如此， ES6 引入了块级作用域，让变量的生命周期更加可控。

3. 块级作用域

块级作用域可通过新增命令 let 和 const 声明，所声明的变量在指定块的作用域外无法被访问。块级作用域在如下情况被创建：

• 在一个函数内部
• 在一个代码块（由一对花括号包裹）内部

let 声明的语法与 var 的语法一致。你基本上可以用 let 来代替 var 进行变量声明，但会将变量的作用域限制在当前代码块中。块级作用域有以下几个特点：

• 声明变量不会提升到代码块顶部

let/const 声明并不会被提升到当前代码块的顶部，因此你需要手动将 let/const 声明放置到顶部，以便让变量在整个代码块内部可用。

function getValue(condition) {
if (condition) {
let value = "blue";
return value;
} else {
// value 在此处不可用
return null;
}
// value 在此处不可用
}

• 禁止重复声明

如果一个标识符已经在代码块内部被定义，那么在此代码块内使用同一个标识符进行 let 声明就会导致抛出错误。例如：

var count = 30;
let count = 40; // Uncaught SyntaxError: Identifier 'count' has already been declared

在本例中， count 变量被声明了两次：一次使用 var ，另一次使用 let 。因为 let 不能在同一作用域内重复声明一个已有标识符，此处的 let 声明就会抛出错误。但如果在嵌套的作用域内使用 let 声明一个同名的新变量，则不会抛出错误。 

var count = 30;
// 不会抛出错误
if (condition) {
let count = 40;
// 其他代码
}

• 循环中的绑定块作用域的妙用

开发者可能最希望实现 for 循环的块级作用域了，因为可以把声明的计数器变量限制在循环内，例如，以下代码在 JS 经常见到：

<button>测试1</button>
<button>测试2</button>
<button>测试3</button>
<script type="text/javascript">
   var btns = document.getElementsByTagName('button')
    for (var i = 0; i < btns.length; i++) {
      btns[i].onclick = function () {
        console.log('第' + (i + 1) + '个')
      }
    }
</script>

我们要实现这样的一个需求: 点击某个按钮, 提示"点击的是第 n 个按钮",此处我们先不考虑事件代理,万万没想到，点击任意一个按钮，后台都是弹出“第四个”,这是因为 i 是全局变量,执行到点击事件时，此时 i 的值为 3。那该如何修改，最简单的是用 let 声明 i 

for (let i = 0; i < btns.length; i++) {
    btns[i].onclick = function () {
      console.log('第' + (i + 1) + '个')
    }
  }

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 作用域有上下级关系，上下级关系的确定就看函数是在哪个作用域下创建的。如上，fn作用域下创建了bar函数，那么“fn作用域”就是“bar作用域”的上级。

作用域最大的用处就是隔离变量，不同作用域下同名变量不会有冲突。

变量取值：到创建 这个变量 的函数的作用域中取值

作用域链

回顾一下上一篇文章我们分析的执行上下文的生命周期，如下图。

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执行上下文生命周期

我们发现，作用域链是在执行上下文的创建阶段生成的。这个就奇怪了。上面我们刚刚说作用域在编译阶段确定规则，可是为什么作用域链却在执行阶段确定呢？

之所以有这个疑问，是因为大家对作用域和作用域链有一个误解。我们上面说了，作用域是一套规则，那么作用域链是什么呢？是这套规则的具体实现。所以这就是作用域与作用域链的关系，相信大家都应该明白了吧。

我们知道函数在调用激活时，会开始创建对应的执行上下文，在执行上下文生成的过程中，变量对象，作用域链，以及this的值会分别被确定。之前一篇文章我们详细说明了变量对象，而这里，我们将详细说明作用域链。

作用域链，是由当前环境与上层环境的一系列变量对象组成，它保证了当前执行环境对符合访问权限的变量和函数的有序访问。

一般情况下，变量取值到 创建 这个变量 的函数的作用域中取值。

但是如果在当前作用域中没有查到值，就会向上级作用域去查，直到查到全局作用域，这么一个查找过程形成的链条就叫做作用域链。

为了帮助大家理解作用域链，我我们先结合一个例子，以及相应的图示来说明。

var a = 20;
function test() {
    var b = a + 10;
    function innerTest() {
        var c = 10;
        return b + c;
    }
    return innerTest();
}
test();

在上面的例子中，全局函数test，函数innerTest的执行上下文先后创建。我们设定他们的变量对象分别为VO(global)，VO(test), VO(innerTest)。而innerTest的作用域链，则同时包含了这三个变量对象，所以innerTest的执行上下文可如下表示。

innerTestEC = {

    VO: {...},  // 变量对象

    scopeChain: [VO(innerTest), VO(test), VO(global)], // 作用域链

    this: {}

}

是的，你没有看错，我们可以直接用一个数组来表示作用域链，数组的第一项scopeChain[0]为作用域链的最前端，而数组的最后一项，为作用域链的最末端，所有的最末端都为全局变量对象。

很多人会误解为当前作用域与上层作用域为包含关系，但其实并不是。以最前端为起点，最末端为终点的单方向通道我认为是更加贴切的形容。如图。

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作用域链图示

注意，因为变量对象在执行上下文进入执行阶段时，就变成了活动对象，这一点在上一篇文章中已经讲过，因此图中使用了AO来表示。Active Object

是的，作用域链是由一系列变量对象组成，我们可以在这个单向通道中，查询变量对象中的标识符，这样就可以访问到上一层作用域中的变量了。

什么是自由变量？

首先认识一下什么叫做 自由变量 。如下代码中，console.log(a)要得到 a 变量，但是在当前的作用域中没有定义 a（可对比一下 b）。当前作用域没有定义的变量，这成为 自由变量 。自由变量的值如何得到 —— 向父级作用域寻找（注意：这种说法并不严谨，下文会重点解释）。

var a = 100
function fn() {
    var b = 200
    console.log(a) // 这里的a在这里就是一个自由变量
    console.log(b)
}
fn()

什么是作用域链？

如果父级也没呢？再一层一层向上寻找，直到找到全局作用域还是没找到，就宣布放弃。这种一层一层的关系，就是 作用域链 。

var a = 100
function F1() {
    var b = 200
    function F2() {
        var c = 300
        console.log(a) // 自由变量，顺作用域链向父作用域找
        console.log(b) // 自由变量，顺作用域链向父作用域找
        console.log(c) // 本作用域的变量
    }
    F2()
}
F1()

关于自由变量的取值？

关于自由变量的值，上文提到要到父作用域中取，其实有时候这种解释会产生歧义。

var x = 10
function fn() {
  console.log(x)
}
function show(f) {
  var x = 20
  (function() {
    f() //10，而不是20
  })()
}
show(fn)

在 fn 函数中，取自由变量 x 的值时，要到哪个作用域中取？——要到创建 fn 函数的那个作用域中取，无论 fn 函数将在哪里调用。

所以，不要在用以上说法了。相比而言，用这句话描述会更加贴切:**要到创建这个函数的那个域”。

作用域中取值,这里强调的是“创建”，而不是“调用”**，切记切记——其实这就是所谓的"静态作用域"

var a = 10
function fn() {
  var b = 20
  function bar() {
    console.log(a + b) //30
  }
  return bar
}
var x = fn(),
  b = 200
x() //bar()

fn()返回的是 bar 函数，赋值给 x。执行 x()，即执行 bar 函数代码。取 b 的值时，直接在 fn 作用域取出。取 a 的值时，试图在 fn 作用域取，但是取不到，只能转向创建 fn 的那个作用域中去查找，结果找到了,所以最后的结果是 30

作用域与执行上下文

许多开发人员经常混淆作用域和执行上下文的概念，误认为它们是相同的概念，但事实并非如此。

我们知道 JavaScript 属于解释型语言，JavaScript 的执行分为：解释和执行两个阶段,这两个阶段所做的事并不一样：

解释阶段：

• 词法分析
• 语法分析
• 作用域规则确定

执行阶段：

• 创建执行上下文
• 执行函数代码
• 垃圾回收

JavaScript 解释阶段便会确定作用域规则，因此作用域在函数定义时就已经确定了，而不是在函数调用时确定，但是执行上下文是函数执行之前创建的。执行上下文最明显的就是 this 的指向是执行时确定的。而作用域访问的变量是编写代码的结构确定的。

作用域和执行上下文之间最大的区别是：

执行上下文在运行时确定，随时可能改变；作用域在定义时就确定，并且不会改变。

一个作用域下可能包含若干个上下文环境。有可能从来没有过上下文环境（函数从来就没有被调用过）；有可能有过，现在函数被调用完毕后，上下文环境被销毁了；有可能同时存在一个或多个（闭包）。同一个作用域下，不同的调用会产生不同的执行上下文环境，继而产生不同的变量的值。

二、闭包

对于那些有一点 JavaScript 使用经验但从未真正理解闭包概念的人来说，理解闭包可以看作是某种意义上的重生，突破闭包的瓶颈可以使你功力大增。

· 闭包与作用域链息息相关；

· 闭包是在函数执行过程中被确认。

先直截了当的抛出闭包的定义：当函数可以记住并访问所在的作用域(全局作用域除外)时，就产生了闭包，即使函数是在当前作用域之外执行。

简单来说，假设函数A在函数B的内部进行定义了，并且当函数A在执行时，访问了函数B内部的变量对象，那么B就是一个闭包。

在基础进阶（一）中，我总结了JavaScript的垃圾回收机制。JavaScript拥有自动的垃圾回收机制，关于垃圾回收机制，有一个重要的行为，那就是，当一个值，在内存中失去引用时，垃圾回收机制会根据特殊的算法找到它，并将其回收，释放内存。

而我们知道，函数的执行上下文，在执行完毕之后，生命周期结束，那么该函数的执行上下文就会失去引用。其占用的内存空间很快就会被垃圾回收器释放。可是闭包的存在，会阻止这一过程。

先来一个简单的例子。

var fn = null;

function foo() {
    var a = 2;
    function innnerFoo() {
        console.log(a);
    }
    fn = innnerFoo; // 将 innnerFoo的引用，赋值给全局变量中的fn
}

function bar() {
    fn(); // 此处的保留的innerFoo的引用
}

foo();
bar(); // 2

在上面的例子中，foo()执行完毕之后，按照常理，其执行环境生命周期会结束，所占内存被垃圾收集器释放。但是通过fn = innerFoo，函数innerFoo的引用被保留了下来，复制给了全局变量fn。这个行为，导致了foo的变量对象，也被保留了下来。于是，函数fn在函数bar内部执行时，依然可以访问这个被保留下来的变量对象。所以此刻仍然能够访问到变量a的值。

这样，我们就可以称foo为闭包。

下图展示了闭包foo的作用域链。

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闭包foo的作用域链，图中标题写错了，请无视

我们可以在chrome浏览器的开发者工具中查看这段代码运行时产生的函数调用栈与作用域链的生成情况。如下图。

关于如何在chrome中观察闭包，以及更多闭包的例子，请阅读基础系列（六）

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从图中可以看出，chrome浏览器认为闭包是foo，而不是通常我们认为的innerFoo

在上面的图中，红色箭头所指的正是闭包。其中Call Stack为当前的函数调用栈，Scope为当前正在被执行的函数的作用域链，Local为当前的局部变量。

所以，通过闭包，我们可以在其他的执行上下文中，访问到函数的内部变量。比如在上面的例子中，我们在函数bar的执行环境中访问到了函数foo的a变量。个人认为，从应用层面，这是闭包最重要的特性。利用这个特性，我们可以实现很多有意思的东西。

不过读者老爷们需要注意的是，虽然例子中的闭包被保存在了全局变量中，但是闭包的作用域链并不会发生任何改变。在闭包中，能访问到的变量，仍然是作用域链上能够查询到的变量。

对上面的例子稍作修改，如果我们在函数bar中声明一个变量c，并在闭包fn中试图访问该变量，运行结果会抛出错误。

var fn = null;

function foo() {
    var a = 2;
    function innnerFoo() {
        console.log(c); // 在这里，试图访问函数bar中的c变量，会抛出错误
        console.log(a);
    }
    fn = innnerFoo; // 将 innnerFoo的引用，赋值给全局变量中的fn
}

function bar() {
    var c = 100;
    fn(); // 此处的保留的innerFoo的引用
}

foo();
bar();

关于这一点，很多同学把函数调用栈与作用域链没有分清楚，所以有的大神看了我关于介绍执行上下文的文章时就义正言辞的说我的例子有问题，而这些评论有很大的误导作用，为了帮助大家自己拥有能够辨别的能力，所以我写了基础（六），教大家如何在chrome中观察闭包，作用域链，this等。当然我也不敢100%保证我文中的例子就一定正确，所以教大家如何去辨认我认为才是最重要的。

闭包的应用场景

接下来，我们来总结下，闭包的常用场景。

· 延迟函数setTimeout

我们知道setTimeout的第一个参数是一个函数，第二个参数则是延迟的时间。在下面例子中，

function fn() {
    console.log('this is test.')
}

var timer =  setTimeout(fn, 1000);
console.log(timer);

执行上面的代码，变量timer的值，会立即输出出来，表示setTimeout这个函数本身已经执行完毕了。但是一秒钟之后，fn才会被执行。这是为什么？

按道理来说，既然fn被作为参数传入了setTimeout中，那么fn将会被保存在setTimeout变量对象中，setTimeout执行完毕之后，它的变量对象也就不存在了。可是事实上并不是这样。至少在这一秒钟的事件里，它仍然是存在的。这正是因为闭包。

很显然，这是在函数的内部实现中，setTimeout通过特殊的方式，保留了fn的引用，让setTimeout的变量对象，并没有在其执行完毕后被垃圾收集器回收。因此setTimeout执行结束后一秒，我们任然能够执行fn函数。

· 柯里化

在函数式编程中，利用闭包能够实现很多炫酷的功能，柯里化算是其中一种。关于柯里化，我会在以后详解函数式编程的时候仔细总结。

· 模块

在我看来，模块是闭包最强大的一个应用场景。如果你是初学者，对于模块的了解可以暂时不用放在心上，因为理解模块需要更多的基础知识。但是如果你已经有了很多JavaScript的使用经验，在彻底了解了闭包之后，不妨借助本文介绍的作用域链与闭包的思路，重新理一理关于模块的知识。这对于我们理解各种各样的设计模式具有莫大的帮助。

(function () {
    var a = 10;
    var b = 20;

    function add(num1, num2) {
        var num1 = !!num1 ? num1 : a;
        var num2 = !!num2 ? num2 : b;
        return num1 + num2;
    }

    window.add = add;
})();

add(10, 20);

在上面的例子中，我使用函数自执行的方式，创建了一个模块。add是模块对外暴露的一个公共方法。而变量a，b被作为私有变量。在面向对象的开发中，我们常常需要考虑是将变量作为私有变量，还是放在构造函数中的this中，因此理解闭包，以及原型链是一个非常重要的事情。模块十分重要，因此我会在以后的文章专门介绍，这里就暂时不多说啦。

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此图中可以观看到当代码执行到add方法时的调用栈与作用域链，此刻的闭包为外层的自执行函数

为了验证自己有没有搞懂作用域链与闭包，这里留下一个经典的思考题，常常也会在面试中被问到。

利用闭包，修改下面的代码，让循环输出的结果依次为1， 2， 3， 4， 5

for (var i=1; i<=5; i++) {
    setTimeout( function timer() {
        console.log(i);
    }, i*1000 );
}

点此查看关于此题的详细解读

关于作用域链的与闭包我就总结完了，虽然我自认为我是说得非常清晰了，但是我知道理解闭包并不是一件简单的事情，所以如果你有什么问题，可以在评论中问我。你也可以带着从别的地方没有看懂的例子在评论中留言。大家一起学习进步。