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javascript之变量,作用域和内存问题

柳哥
 柳哥
发布于 2015/04/06 12:44
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js

1. 基本类型和引用类型

javascript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。基本类型值指的是那些保存在栈内存中的简单数据段,即这种值完全保存在内存中的一个位置。而引用类型值则是指那些保存在堆内存中的对象,意思是变量中保存的实际上只是一个指针,这个指针指向内存中的另一个位置,该位置保存对象。 

javascript5种基本数据类型的值在内存中分别占有固定大小的空间,因此可以把它们的值保存在栈内存中。而且,这样也可以提高查询变量的速度。对于保存基本类型值的变量,我们说它们是按值访问的。如果赋给变量的是一个引用类型的值,则必须在堆内存中为这个值分配空间。由于这种值的大小不固定,因此不能把它们保存到栈内存中。但内存地址的大小是固定的,因此可以将内存地址保存在栈内存中。这样,当查询引用类型的变量时,就可以首先从栈中读取内存地址,然后再“顺藤摸瓜”地找到保存在堆中的值。对于这种查询变量值的方式,我们把它叫做按引用访问。

动态属性

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:

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

如上例,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:

var name = "Nicholas";
name.age = 27;
alert(name.age);            //undefined

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,会在栈中创建一个新值,然后把该值复制到为新变量分配的位置上:

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。

当从一个变量向另一个变量复制引用类型的值时,同样也会将存储在栈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:

var obj1 = new Object();
var obj2 = obj1;
obj1.name = "Nicholas";
alert(obj2.name);                //"Nichoias"

传递参数:

javascript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。

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javascript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外部:

function addTen(num){
    num += 10;
    return num;
}
var count = 20;
var result = addTen(count);
alert(count);                     //20,没有变化
alert(result);                     //30
function setName(obj){
    obj.name = "Nicholas";
}
var person = new Object();
setName(person);
alert(person.name);                //"Nicholas"

检测类型

要检测一个变量是不是基本数据类型可以用typeof操作符。说得更具体一点:typeof操作符是确定一个变量是字符串,数值,布尔值,还是nudefined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的那样返回“object”:

var n = null;
var o = new Object();
alert(typeof n);                        //object
alert(typeof o);                        //object

虽然在检测基本类型时typeof是非常得力的助手,但在检测引用类型的值时,这个操作符的用处不大。javascript提供了instanceof操作符。如果变量是给定引用类型(由构造函数表示)的实例,那么instanceof操作符就会返回true:

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。

2. 执行环境及作用域

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,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。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)。

每个函数在被调用时都会创建自己的执行环境。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。

当代码在一个环境中执行时,会创建由变量对象构成的一个作用域链。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。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。见下面的代码:

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

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 awapColors(){
        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();
}
changeColor();
//这里不能访问anotherColor和tempColor,但但可以访问color
alert("Color is now " + color);

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。

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,其变量对象中包含着为指定对象的所有属性和方法所作的变量声明。对catch语句来说,其变量对象中包含的是被抛出的错误对象的声明。这些变量对象都是只读的,因此在with和catch语句中声明的变量都会被添加到所在执行环境的变量对象中。示例:

function buildUrl(){
    var qs = "?debug=true";
    with(location){
        var url = href + qs;
    }
    return url;
}
var result = buildUrl();
alert(result);

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。由于with语句的变量对象是只读的,结果url就成了函数执行环境的一部分,因而可以作为函数的值被返回。

没有块级作用域

javascript没有块级作用域经常会导致理解上的困惑。在其他类C语言中,由花括号封闭的代码块都有自己的作用域(对javascript来说,这就是他们自己的执行环境):

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中。又例:

for(var i=0;i<10;i++){
    doSomething(i);
}
alert(i);                //10

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。

声明变量:在使用var关键字声明变量时,这个变量将被自动添加到距离最近的可用执行环境中。对于函数而言,这个最近的环境就是函数的局部环境。对于前面例子中的with语句而言,这个最近的环境也是函数的环境。如果变量在未经声明的情况下被初始化,那么该变量会被自动添加到全局环境。如:

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

这个例子中的变量sum在被初始化赋值时没有使用var关键字。于是,当调用完add()之后,添加到全局环境中的变量sum将继续存在,即使函数已经执行完毕。

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。

3. 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,周期性地执行这一操作。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:标记清除,引用计数。

管理内存

使用具备垃圾收集机制的语言编写程序,开发人员一般不必操心内存管理的问题。但是,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,最好通过将其设置为null来释放其引用——这个做法叫做解除引用。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。示例:

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;

由于localPerson在createPerson()函数执行完毕后就离开了其执行环境,因此无需我们显式地去为它解除引用。但是对于全局变量globalPerson而言,则需要我们在不使用它的时候手工为它解除引用,这也正是上面例子中最后一行代码的目的。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。

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