你不知道的JavaScript(五)|作用域和闭包

作用域闭包
当函数可以记住并访问所在的词法作用域时,就产生了闭包,即使函数式在当前词法作用域之外执行。
下面用一些代码来解释这个定义:

function foo() {
  var a = 2;
  function bar() {
    console.log( a ); // 2
  }
  bar();
}
foo();

这段代码看起来和嵌套作用域中的示例代码很相似。基于词法作用域的查找规则,函数bar()可以访问外部作用域中的变量a(RHS引用查询)。
这是闭包吗?
技术上来讲,也许是。但根据前面的定义,确切地说并不是。最准确地用来解释bar()对a的引用的方法是词法作用域的查找规则,而这些规则只是闭包的一部分。
下面代码清晰地展示了闭包:

function foo() {
  var a = 2;
  function bar() {
    console.log( a );
  }
  return bar;
}
var baz = foo();
baz(); // 2 —— 朋友,这就是闭包的效果。

以上代码,函数bar()的词法作用域能够访问foo()的内部作用域。然后我们将bar()函数本身当做一个类型进行传递。在这个例子中,我们将bar所引用的函数对象本身当做返回值。
在foo()执行后,其返回值(也就是内部的bar()函数)赋值给变量baz并调用baz(),实际上只是通过不同的标识符引用调用了内部的函数bar()。
bar()显然可以被正常执行。但是在这个例子中,它在自己定义的词法作用域以外的地方执行。
在foo()执行后,通常会期待foo()的整个内部作用域都被销毁,因为我们知道引擎有垃圾回收器用来释放不再使用的内存空间。由于看上去foo()的内容不会再被使用,所以很自然地考虑对其进行回收。
而闭包的“神奇”之处正是可以阻止这件事情的发生。事实上内部作用域依然存在,因此没有被回收。谁在使用这个内部作用域?原来是bar()本身在使用。
拜bar()所声明的位置所赐,它拥有涵盖foo()内部作用域的闭包,使得该作用域能够一直存活,以供bar()在之后任何时间进行引用。
bar()依然持有对该作用域的引用,而这个引用就叫做闭包。
无论使用何种方式对函数类型的值进行传递,当函数在别处被调用时都可以观察到闭包。

function foo() {
  var a = 2;
  function baz() {
    console.log( a ); // 2
  }
  bar( baz );
}
function bar(fn) {
  fn(); // 妈妈快看呀,这就是闭包!
}

把内部函数baz传递给bar,当调用这个内部函数时(现在叫fn),它涵盖的foo()内部作用域的闭包就可以观察到了,因为它能够访问a。
传递函数也可以是间接的:

var fn;
function foo() {
  var a = 2;
  function baz() {
    console.log( a );
  }
  fn = baz; // 将baz 分配给全局变量
}
function bar() {
  fn(); // 妈妈快看呀,这就是闭包!
}
foo();
bar(); // 2

循环和闭包

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

正常情况下,我们对这段代码行为的预期是分别输出数字1-5,每秒一次,每次一个。
但实际上,这段代码在运行时会以每秒一次的频率输出五次6。
我们试图假设循环中的每个迭代在运行时都会给自己“捕获”一个i的副本。但是根据作用域的工作原理,实际情况是尽管循环中的五个函数式在各个迭代中分别定义的,但是它们都被封闭在一个共享的全局作用域中,因此实际上只有一个i。
这样说的话,当然所有函数共享一个i的引用。循环结构让我们误以为背后还有更复杂的机制在起作用,但实际上没有。如果将延迟函数的回调重复定义五次,完全不使用循环,那它同这段代码是完全等价的。
以上代码的缺陷是什么?我们需要更多的闭包作用域,特别是在循环的过程中每个迭代都需要一个闭包作用域。

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

如果改成以上代码,也是不行的。的确我们现在拥有了更多的词法作用域,每个延迟函数都会将IIFE在每次迭代中创建的作用域封闭起来。但如果作用域是空的,那么仅仅将它们进行封闭是不够的。仔细看一下,IIFE只是一个什么都没有的空作用域。它需要有自己的变量,用来在每个迭代中存储i的值,如下:

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

或是:

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

重返块作用域
仔细思考我们对前面的解决方案的分析。我们使用IIFE在每次迭代时都创建一个新的作用域。换句话说,每次迭代我们都需要一个块作用域。

for (var i=1; i<=5; i++) {
  let j = i; // 是的,闭包的块作用域!
  setTimeout( function timer() {
    console.log( j );
  }, j*1000 );
}

但是以上代码还不全部。for循环头部的let声明还会有一个特殊的行为。这个行为指出变量在循环过程中不止被声明一次,每次迭代都会声明。随后的每个迭代都会使用上一个迭代结束时的值来初始化这个变量。

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

这就是块作用域和闭包的结合使用。

模块
还有其他的代码模式利用闭包的强大威力,但从表面上看,它们似乎与回调无关。

function CoolModule() {
  var something = "cool";
  var another = [1, 2, 3];
  function doSomething() {
    console.log( something );
  }
  function doAnother() {
    console.log( another.join( " ! " ) );
  }
  return {
    doSomething: doSomething,
    doAnother: doAnother
  };
}
var foo = CoolModule();
foo.doSomething(); // cool
foo.doAnother(); // 1 ! 2 ! 3

这个模式在JavaScript中被称为模块。最常见的实现模块模式的方法通常被称为模块暴露,这里展示的是其变体。
从模块中返回一个实际的对象并不是必须的,也可以直接返回一个内部函数。JQuery就是一个很好的例子。JQuery和$标识符就是JQuery模块的公共API,但它们本身都是函数(由于函数也是对象,它们本身也可以拥有属性)。
如果要更简单的描述,模块模式需要具备两个必要条件:
1、必须有外部的封装函数,该函数必须至少被调用一次(每次调用都会创建一个新的模块实例)。
2、封装函数必须返回至少一个内部函数,这样内部函数才能在私有作用域中形成闭包,并且可以访问或者修改私有的状态。
一个具有函数属性的对象本身并不是真正的模块。从方便观察的角度看,一个从函数调用所返回的,只有数据属性而没有闭包函数的对象并不是真正的模块。
上一个示例代码中有一个叫做CoolModule()的独立的模块创建器,可以被调用任意多次,每次调用都会创建一个新的模块实例。当只需要一个实例时,可以对这个模式进行简单的改进来实现单例模式:

var foo = (function CoolModule() {
  var something = "cool";
  var another = [1, 2, 3];
  function doSomething() {
    console.log( something );
  }
  function doAnother() {
    console.log( another.join( " ! " ) );
  }
  return {
    doSomething: doSomething,
    doAnother: doAnother
  };
})();
foo.doSomething(); // cool
foo.doAnother(); // 1 ! 2 ! 3

现代的模块机制
大多数模块依赖加载器/管理器本质上都是将这种模块定义封装进一个友好的API。

var MyModules = (function Manager() {
    var modules = {};
    function define(name, deps, impl) {
        for (var i = 0; i < deps.length; i++) {
            deps[i] = modules[deps[i]];
        }
        modules[name] = impl.apply(impl, deps);
    }
    function get(name) {
        return modules[name];
    }
    return {
        define: define,
        get: get
    };
})();
MyModules.define("bar", [], function () {
    function hello(who) {
        return "Let me introduce: " + who;
    }
    return {
        hello: hello
    };
});
MyModules.define("foo", ["bar"], function (bar) {
    var hungry = "hippo";
    function awesome() {
        console.log(bar.hello(hungry).toUpperCase());
    }
    return {
        awesome: awesome
    };
});
var bar = MyModules.get("bar");
var foo = MyModules.get("foo");
console.log(
    bar.hello("hippo"),
); // Let me introduce: hippo
foo.awesome(); // LET ME INTRODUCE: HIPPO

未来的模块机制
ES6中为模块增加了一级语法支持。但通过模块系统进行加载时,ES6会将文件当做独立的模块来处理。每个模块都可以导入其他模块或特定的API成员,同样也可以导出自己的API成员。


// bar.js
function hello(who) {
    return "Let me introduce: " + who;
}
export hello;
// foo.js
// 仅从"bar" 模块导入hello()
import hello from "bar";
var hungry = "hippo";
function awesome() {
    console.log(
        hello(hungry).toUpperCase()
    );
}
export awesome;
baz.js
// 导入完整的"foo" 和"bar" 模块
module foo from "foo";
module bar from "bar";
console.log(
    bar.hello("rhino")
); // Let me introduce: rhino
foo.awesome(); // LET ME INTRODUCE: HIPPO

import可以将一个模块中的一个或多个API导入到当前作用域中,并分别绑定在一个变量上(在我们的例子里是hello)。module会将整个模块的API导入并绑定到一个变量上(在我们的例子里是foo和bar)。export会将当前模块的一个标识符(变量、函数)导出为公共API。这些操作可以在模块定义中根据需要使用任意多次。

闭上眼睛就是天黑
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