深入理解JavaScript系列(12) 变量对象（Variable Object）

JavaScript编程的时候总避免不了声明函数和变量，以成功构建我们的系统，但是解释器是如何并且在什么地方去查找这些函数和变量呢？我们引用这些对象的时候究竟发生了什么？
原始发布：Dmitry A. Soshnikov
发布时间：2009-06-27
俄文地址：http://dmitrysoshnikov.com/ecmascript/ru-chapter-2-variable-object/
英文翻译：Dmitry A. Soshnikov
发布时间：2010-03-15
英文地址：http://dmitrysoshnikov.com/ecmascript/chapter-2-variable-object/
部分难以翻译的句子参考了justinw的中文翻译
大多数ECMAScript程序员应该都知道变量与执行上下文有密切关系：


代码如下:

var a = 10; // 全局上下文中的变量
(function () {
var b = 20; // function上下文中的局部变量
})();
alert(a); // 10
alert(b); // 全局变量 "b" 没有声明

并且，很多程序员也都知道，当前ECMAScript规范指出独立作用域只能通过“函数(function)”代码类型的执行上下文创建。也就是说，相对于C/C++来说，ECMAScript里的for循环并不能创建一个局部的上下文。


代码如下:

for (var k in {a: 1, b: 2}) {
alert(k);
}
alert(k); // 尽管循环已经结束但变量k依然在当前作用域

我们来看看一下，我们声明数据的时候到底都发现了什么细节。
数据声明
如果变量与执行上下文相关，那变量自己应该知道它的数据存储在哪里，并且知道如何访问。这种机制称为变量对象(variable object)。
变量对象(缩写为VO)是一个与执行上下文相关的特殊对象，它存储着在上下文中声明的以下内容：
变量 (var, 变量声明);
函数声明 (FunctionDeclaration, 缩写为FD);
函数的形参
举例来说，我们可以用普通的ECMAScript对象来表示一个变量对象：


代码如下:

VO = {};
就像我们所说的, VO就是执行上下文的属性(property)：
activeExecutionContext = {
VO: {
// 上下文数据（var, FD, function arguments)
}
};

只有全局上下文的变量对象允许通过VO的属性名称来间接访问(因为在全局上下文里，全局对象自身就是变量对象，稍后会详细介绍)，在其它上下文中是不能直接访问VO对象的，因为它只是内部机制的一个实现。
当我们声明一个变量或一个函数的时候，和我们创建VO新属性的时候一样没有别的区别（即：有名称以及对应的值）。
例如：


代码如下:

var a = 10;
function test(x) {
var b = 20;
};
test(30);

对应的变量对象是：


代码如下:

// 全局上下文的变量对象
VO(globalContext) = {
a: 10,
test: <reference to function>
};
// test函数上下文的变量对象
VO(test functionContext) = {
x: 30,
b: 20
};

在具体实现层面(以及规范中)变量对象只是一个抽象概念。(从本质上说，在具体执行上下文中，VO名称是不一样的，并且初始结构也不一样。
不同执行上下文中的变量对象
对于所有类型的执行上下文来说，变量对象的一些操作(如变量初始化)和行为都是共通的。从这个角度来看，把变量对象作为抽象的基本事物来理解更为容易。同样在函数上下文中也定义和变量对象相关的额外内容。


代码如下:

抽象变量对象VO (变量初始化过程的一般行为)
║
╠══> 全局上下文变量对象GlobalContextVO
║ (VO === this === global)
║
╚══> 函数上下文变量对象FunctionContextVO
(VO === AO, 并且添加了<arguments>和<formal parameters>)

我们来详细看一下：
全局上下文中的变量对象
首先，我们要给全局对象一个明确的定义：
全局对象(Global object) 是在进入任何执行上下文之前就已经创建了的对象；
这个对象只存在一份，它的属性在程序中任何地方都可以访问，全局对象的生命周期终止于程序退出那一刻。
复制代码
全局对象初始创建阶段将Math、String、Date、parseInt作为自身属性，等属性初始化，同样也可以有额外创建的其它对象作为属性（其可以指向到全局对象自身）。例如，在DOM中，全局对象的window属性就可以引用全局对象自身(当然，并不是所有的具体实现都是这样)：


代码如下:

global = {
Math: <...>,
String: <...>
...
...
window: global //引用自身
};

当访问全局对象的属性时通常会忽略掉前缀，这是因为全局对象是不能通过名称直接访问的。不过我们依然可以通过全局上下文的this来访问全局对象，同样也可以递归引用自身。例如，DOM中的window。综上所述，代码可以简写为：


代码如下:

String(10); // 就是global.String(10);
// 带有前缀
window.a = 10; // === global.window.a = 10 === global.a = 10;
this.b = 20; // global.b = 20;

因此，回到全局上下文中的变量对象——在这里，变量对象就是全局对象自己：
VO(globalContext) === global;
非常有必要要理解上述结论，基于这个原理，在全局上下文中声明的对应，我们才可以间接通过全局对象的属性来访问它（例如，事先不知道变量名称）。


代码如下:

var a = new String('test');
alert(a); // 直接访问，在VO(globalContext)里找到："test"
alert(window['a']); // 间接通过global访问：global === VO(globalContext): "test"
alert(a === this.a); // true
var aKey = 'a';
alert(window[aKey]); // 间接通过动态属性名称访问："test"

函数上下文中的变量对象
在函数执行上下文中，VO是不能直接访问的，此时由活动对象(activation object,缩写为AO)扮演VO的角色。
VO(functionContext) === AO;
活动对象是在进入函数上下文时刻被创建的，它通过函数的arguments属性初始化。arguments属性的值是Arguments对象：


代码如下:

AO = {
arguments: <ArgO>
};

Arguments对象是活动对象的一个属性，它包括如下属性：
callee — 指向当前函数的引用
length — 真正传递的参数个数
properties-indexes (字符串类型的整数) 属性的值就是函数的参数值(按参数列表从左到右排列)。 properties-indexes内部元素的个数等于arguments.length. properties-indexes 的值和实际传递进来的参数之间是共享的。
例如：


代码如下:

function foo(x, y, z) {
// 声明的函数参数数量arguments (x, y, z)
alert(foo.length); // 3
// 真正传进来的参数个数(only x, y)
alert(arguments.length); // 2
// 参数的callee是函数自身
alert(arguments.callee === foo); // true
// 参数共享
alert(x === arguments[0]); // true
alert(x); // 10
arguments[0] = 20;
alert(x); // 20
x = 30;
alert(arguments[0]); // 30
// 不过，没有传进来的参数z，和参数的第3个索引值是不共享的
z = 40;
alert(arguments[2]); // undefined
arguments[2] = 50;
alert(z); // 40
}
foo(10, 20);

这个例子的代码，在当前版本的Google Chrome浏览器里有一个bug — 即使没有传递参数z，z和arguments[2]仍然是共享的。
处理上下文代码的2个阶段
现在我们终于到了本文的核心点了。执行上下文的代码被分成两个基本的阶段来处理：
进入执行上下文
执行代码
变量对象的修改变化与这两个阶段紧密相关。
注：这2个阶段的处理是一般行为，和上下文的类型无关（也就是说，在全局上下文和函数上下文中的表现是一样的）。
进入执行上下文
当进入执行上下文(代码执行之前)时，VO里已经包含了下列属性(前面已经说了)：
函数的所有形参(如果我们是在函数执行上下文中)
— 由名称和对应值组成的一个变量对象的属性被创建；没有传递对应参数的话，那么由名称和undefined值组成的一种变量对象的属性也将被创建。
所有函数声明(FunctionDeclaration, FD)
—由名称和对应值（函数对象(function-object)）组成一个变量对象的属性被创建；如果变量对象已经存在相同名称的属性，则完全替换这个属性。
所有变量声明(var, VariableDeclaration)
— 由名称和对应值（undefined）组成一个变量对象的属性被创建；如果变量名称跟已经声明的形式参数或函数相同，则变量声明不会干扰已经存在的这类属性。
让我们看一个例子：


代码如下:

function test(a, b) {
var c = 10;
function d() {}
var e = function _e() {};
(function x() {});
}
test(10); // call

当进入带有参数10的test函数上下文时，AO表现为如下：


代码如下:

AO(test) = {
a: 10,
b: undefined,
c: undefined,
d: <reference to FunctionDeclaration "d">
e: undefined
};

注意，AO里并不包含函数“x”。这是因为“x” 是一个函数表达式(FunctionExpression, 缩写为 FE) 而不是函数声明，函数表达式不会影响VO。 不管怎样，函数“_e” 同样也是函数表达式，但是就像我们下面将看到的那样，因为它分配给了变量 “e”，所以它可以通过名称“e”来访问。 函数声明FunctionDeclaration与函数表达式FunctionExpression 的不同，将在第15章Functions进行详细的探讨，也可以参考本系列第2章揭秘命名函数表达式来了解。
这之后，将进入处理上下文代码的第二个阶段 — 执行代码。
代码执行
这个周期内，AO/VO已经拥有了属性(不过，并不是所有的属性都有值，大部分属性的值还是系统默认的初始值undefined )。
还是前面那个例子, AO/VO在代码解释期间被修改如下：


代码如下:

AO['c'] = 10;
AO['e'] = <reference to FunctionExpression "_e">;

再次注意，因为FunctionExpression“_e”保存到了已声明的变量“e”上，所以它仍然存在于内存中。而FunctionExpression “x”却不存在于AO/VO中，也就是说如果我们想尝试调用“x”函数，不管在函数定义之前还是之后，都会出现一个错误“x is not defined”，未保存的函数表达式只有在它自己的定义或递归中才能被调用。
另一个经典例子：


代码如下:

alert(x); // function
var x = 10;
alert(x); // 10
x = 20;
function x() {};
alert(x); // 20

为什么第一个alert “x” 的返回值是function，而且它还是在“x” 声明之前访问的“x” 的？为什么不是10或20呢？因为，根据规范函数声明是在当进入上下文时填入的； 同意周期，在进入上下文的时候还有一个变量声明“x”，那么正如我们在上一个阶段所说，变量声明在顺序上跟在函数声明和形式参数声明之后，而且在这个进入上下文阶段，变量声明不会干扰VO中已经存在的同名函数声明或形式参数声明，因此，在进入上下文时，VO的结构如下：


代码如下:

VO = {};
VO['x'] = <reference to FunctionDeclaration "x">
// 找到var x = 10;
// 如果function "x"没有已经声明的话
// 这时候"x"的值应该是undefined
// 但是这个case里变量声明没有影响同名的function的值
VO['x'] = <the value is not disturbed, still function>

紧接着，在执行代码阶段，VO做如下修改：


代码如下:

VO['x'] = 10;
VO['x'] = 20;

我们可以在第二、三个alert看到这个效果。
在下面的例子里我们可以再次看到，变量是在进入上下文阶段放入VO中的。(因为，虽然else部分代码永远不会执行，但是不管怎样，变量“b”仍然存在于VO中。)


代码如下:

if (true) {
var a = 1;
} else {
var b = 2;
}
alert(a); // 1
alert(b); // undefined,不是b没有声明，而是b的值是undefined

关于变量
通常，各类文章和JavaScript相关的书籍都声称：“不管是使用var关键字(在全局上下文)还是不使用var关键字(在任何地方)，都可以声明一个变量”。请记住，这是错误的概念：
任何时候，变量只能通过使用var关键字才能声明。
上面的赋值语句：
a = 10;
这仅仅是给全局对象创建了一个新属性(但它不是变量)。“不是变量”并不是说它不能被改变，而是指它不符合ECMAScript规范中的变量概念，所以它“不是变量”(它之所以能成为全局对象的属性，完全是因为VO(globalContext) === global，大家还记得这个吧？)。
让我们通过下面的实例看看具体的区别吧：


代码如下:

alert(a); // undefined
alert(b); // "b" 没有声明
b = 10;
var a = 20;

所有根源仍然是VO和进入上下文阶段和代码执行阶段：
进入上下文阶段：


代码如下:

VO = {
a: undefined
};

我们可以看到，因为“b”不是一个变量，所以在这个阶段根本就没有“b”，“b”将只在代码执行阶段才会出现(但是在我们这个例子里，还没有到那就已经出错了)。
让我们改变一下例子代码：


代码如下:

alert(a); // undefined, 这个大家都知道，
b = 10;
alert(b); // 10, 代码执行阶段创建
var a = 20;
alert(a); // 20, 代码执行阶段修改

关于变量，还有一个重要的知识点。变量相对于简单属性来说，变量有一个特性(attribute)：{DontDelete},这个特性的含义就是不能用delete操作符直接删除变量属性。


代码如下:

a = 10;
alert(window.a); // 10
alert(delete a); // true
alert(window.a); // undefined
var b = 20;
alert(window.b); // 20
alert(delete b); // false
alert(window.b); // still 20

但是这个规则在有个上下文里不起走样，那就是eval上下文，变量没有{DontDelete}特性。


代码如下:

eval('var a = 10;');
alert(window.a); // 10
alert(delete a); // true
alert(window.a); // undefined

使用一些调试工具(例如：Firebug)的控制台测试该实例时，请注意，Firebug同样是使用eval来执行控制台里你的代码。因此，变量属性同样没有{DontDelete}特性，可以被删除。
特殊实现: __parent__ 属性
前面已经提到过，按标准规范，活动对象是不可能被直接访问到的。但是，一些具体实现并没有完全遵守这个规定，例如SpiderMonkey和Rhino；的实现中，函数有一个特殊的属性 __parent__，通过这个属性可以直接引用到函数已经创建的活动对象或全局变量对象。
例如 (SpiderMonkey, Rhino)：


代码如下:

var global = this;
var a = 10;
function foo() {}
alert(foo.__parent__); // global
var VO = foo.__parent__;
alert(VO.a); // 10
alert(VO === global); // true

在上面的例子中我们可以看到，函数foo是在全局上下文中创建的，所以属性__parent__ 指向全局上下文的变量对象，即全局对象。
然而，在SpiderMonkey中用同样的方式访问活动对象是不可能的：在不同版本的SpiderMonkey中，内部函数的__parent__ 有时指向null ，有时指向全局对象。
在Rhino中，用同样的方式访问活动对象是完全可以的。
例如 (Rhino)：


代码如下:

var global = this;
var x = 10;
(function foo() {
var y = 20;
// "foo"上下文里的活动对象
var AO = (function () {}).__parent__;
print(AO.y); // 20
// 当前活动对象的__parent__ 是已经存在的全局对象
// 变量对象的特殊链形成了
// 所以我们叫做作用域链
print(AO.__parent__ === global); // true
print(AO.__parent__.x); // 10
})();

总结
在这篇文章里，我们深入学习了跟执行上下文相关的对象。我希望这些知识对您来说能有所帮助，能解决一些您曾经遇到的问题或困惑。按照计划，在后续的章节中，我们将探讨作用域链，标识符解析，闭包。
有任何问题，我很高兴在下面评论中能帮你解答。
其它参考

• 10.1.3 – Variable Instantiation;
  
• 10.1.5 – Global Object;
  
• 10.1.6 – Activation Object;
  
• 10.1.8 – Arguments Object.