JavaScript作用域与作用域链深度解析：原理、优化与陷阱

JavaScript作用域基础

作用域是JavaScript最核心的概念之一，深入理解其工作原理及作用域链机制，是掌握JavaScript编程的关键。本文将对JavaScript中的作用域与作用域链进行系统梳理，旨在帮助开发者更清晰地理解变量访问规则，从而写出更健壮的代码。

JavaScript作用域基础

所有编程语言都具备作用域概念，其核心在于界定变量与函数的可访问范围，进而控制它们的可见性与生命周期。在JavaScript中，变量的作用域主要分为两类：全局作用域与局部作用域。

1. 全局作用域(Global Scope)

全局作用域指的是在代码的任何位置均可访问的对象所具备的作用域。通常情况下，以下几种情形会形成全局作用域：

(1) 最外层的函数以及在该函数外部直接定义的变量拥有全局作用域。示例代码如下：

var authorName="山边小溪";
function doSomething(){
var blogName="";
function innerSay(){
alert(blogName);
} 
innerSay();
} 
alert(authorName); //山边小溪
alert(blogName); //脚本错误
doSomething(); //
innerSay() //脚本错误

(2) 所有未使用var声明而直接赋值的变量，会自动成为全局作用域下的全局变量。示例代码如下：

function doSomething(){
var authorName="山边小溪";
blogName="";
alert(authorName);
} 
alert(blogName); //
alert(authorName); //脚本错误

在此示例中，变量blogName拥有全局作用域，而authorName仅在函数内部有效，在函数外部无法访问。

(3) 所有window对象的属性均拥有全局作用域。

通常情况下，window对象的内置属性都具备全局作用域，例如window.name、window.location、window.top等。

2. 局部作用域(Local Scope)

与全局作用域相对，局部作用域通常仅在特定的代码片段内可访问，最常见的情形是函数内部。因此，这种作用域也常被称为函数作用域。在下列代码中，blogName和函数innerSay仅拥有局部作用域。

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

作用域链机制

作用域链(Scope Chain)

在JavaScript中，函数也是对象，事实上，JavaScript中一切皆对象。函数对象与其他对象类似，拥有可通过代码访问的属性和一系列仅供JavaScript引擎访问的内部属性。其中一个内部属性是[[Scope]]，由ECMA-262标准第三版定义。该内部属性包含了函数被创建时所处的作用域中对象的集合，这个集合被称为函数的作用域链，它决定了哪些数据能被函数访问。

当一个函数被创建后，它的作用域链会被填充为创建此函数的作用域中所有可访问的数据对象。例如定义如下函数：

function add(num1,num2) {
var sum = num1 + num2;
return sum;
} 

在函数add被创建时，其作用域链中会包含一个全局对象，该全局对象包含了所有全局变量，如下图所示（注意：图片仅列举了全部变量中的一部分）：

函数add的作用域将在其执行时被用到。例如执行如下代码：

var total = add(5,10);

执行该函数时，JavaScript引擎会创建一个称为“运行期上下文(execution context)”的内部对象，该上下文定义了函数执行时的环境。每个运行期上下文都拥有自己的作用域链，用于标识符解析。当运行期上下文被创建时，其作用域链初始化为当前运行函数的[[Scope]]所包含的对象。

这些值按照它们在函数中出现的顺序被复制到运行期上下文的作用域链中。它们共同组成了一个新的对象，称为“活动对象(activation object)”，该对象包含了函数的所有局部变量、命名参数、参数集合以及this。随后，此对象会被推入作用域链的前端。当运行期上下文被销毁时，活动对象也随之销毁。新的作用域链如下图所示：

在函数执行过程中，每遇到一个变量，都会经历一次标识符解析过程，以决定从哪里获取和存储数据。该过程从作用域链头部（即活动对象）开始搜索，查找同名的标识符。如果找到，则使用该标识符对应的变量；如果未找到，则继续搜索作用域链中的下一个对象。若搜索完所有对象仍未找到，则认为该标识符未定义。函数执行过程中，每个标识符都要经历这样的搜索过程。

作用域链与性能优化

作用域链和代码优化

从作用域链的结构可以看出，在运行期上下文的作用域链中，标识符所在的位置越深，读写速度就会越慢。如上图所示，由于全局变量总是存在于运行期上下文作用域链的最末端，因此在标识符解析时，查找全局变量是最慢的。因此，在编写代码时应尽量减少全局变量的使用，尽可能使用局部变量。一个良好的经验法则是：如果一个跨作用域的对象被引用了一次以上，则应先将其存储到局部变量中再使用。例如以下代码：

function changeColor(){
document.getElementById("btnChange").onclick=function(){
document.getElementById("targetCanvas").style.backgroundColor="red";
}; 
} 

上述函数引用了两次全局变量document，查找该变量必须遍历整个作用域链，直到最后在全局对象中才能找到。这段代码可以重写如下：

function changeColor(){
var doc=document;
doc.getElementById("btnChange").onclick=function(){
doc.getElementById("targetCanvas").style.backgroundColor="red";
}; 
} 

这段代码较为简单，重写后可能不会显示出巨大的性能提升，但如果程序中有大量全局变量被反复访问，那么重写后的代码性能会有显著改善。

改变作用域链的语句

改变作用域链

函数每次执行时对应的运行期上下文都是独一无二的，因此多次调用同一个函数会导致创建多个运行期上下文。当函数执行完毕，执行上下文会被销毁。每一个运行期上下文都和一个作用域链关联。一般情况下，在运行期上下文运行过程中，其作用域链只会被with语句和catch语句影响。

with语句是对象的快捷应用方式，用于避免书写重复代码。例如：

function initUI(){
with(document){
var bd=body,
links=getElementsByTagName("a"),
i=0,
len=links.length;
while(i < len){
update(links[i++]);
} 
getElementById("btnInit").onclick=function(){
doSomething();
}; 
} 
} 

这里使用with语句来避免多次书写document，表面上看似乎更高效，但实际上会产生性能问题。

当代码运行到with语句时，运行期上下文的作用域链会临时被改变。一个新的可变对象被创建，它包含了参数指定对象的所有属性。这个对象将被推入作用域链的头部，这意味着函数的所有局部变量现在处于第二个作用域链对象中，因此访问代价更高了。如下图所示：

因此，在程序中应避免使用with语句。在这个例子中，只需简单地将document存储在一个局部变量中即可提升性能。

另一个会改变作用域链的是try-catch语句中的catch语句。当try代码块中发生错误时，执行过程会跳转到catch语句，然后把异常对象推入一个可变对象并置于作用域的头部。在catch代码块内部，函数的所有局部变量将会被放在第二个作用域链对象中。示例代码：

try{
doSomething();
}catch(ex){
alert(ex.message); //作用域链在此处改变
}

请注意，一旦catch语句执行完毕，作用域链会恢复到之前的状态。try-catch语句在代码调试和异常处理中非常有用，因此不建议完全避免。你可以通过优化代码来减少catch语句对性能的影响。一个很好的模式是将错误委托给一个函数处理，例如：

try{
doSomething();
}catch(ex){
handleError(ex); //委托给处理器方法
} 

优化后的代码中，handleError方法是catch子句中唯一执行的代码。该函数接收异常对象作为参数，这样你可以更加灵活和统一地处理错误。由于只执行一条语句，且没有局部变量的访问，作用域链的临时改变就不会影响代码性能了。