了解词法环境吗？它和闭包有什么联系？

[sisterAn]

词法环境（Lexical Environment）

官方定义

官方 ES2020 这样定义词法环境（Lexical Environment）：

A Lexical Environment is a specification type used to define the association of Identifiers to specific variables and functions based upon the lexical nesting structure of ECMAScript code. A Lexical Environment consists of an Environment Record and a possibly null reference to an outer Lexical Environment.

词法环境是一种规范类型（specification type），它基于 ECMAScript 代码的词法嵌套结构，来定义标识符与特定变量和函数的关联关系。词法环境由环境记录（environment record）和可能为空引用（null）的外部词法环境组成。

说的很详细，可是很难理解喃🤔

下面，我们通过一个 V8 中 JS 的编译过程来更加直观的解释。

V8 中 JS 的编译过程来更加直观的解释

大致分为三个步骤：

• 第一步 词法分析 ：V8 刚拿到执行上下文的时候，会把代码从上到下一行一行的进行分词/词法分析（Tokenizing/Lexing），例如 var a = 1; ，会被分成 var 、 a 、 1 、 ; 这样的原子符号（(atomic token）。词法分析=指登记变量声明+函数声明+函数声明的形参。
• 第二步 语法分析 ：在词法分析结束后，会做语法分析，引擎将 token 解析成一个抽象语法树（AST），在这一步会检测是否有语法错误，如果有则直接报错不再往下执行

var a = 1;
console.log(a);
a = ;
// Uncaught SyntaxError: Unexpected token ;
// 代码并没有打印出来 1 ，而是直接报错，说明在代码执行前进行了词法分析、语法分析

• 注意： 词法分析跟语法分析不是完全独立的，而是交错运行的。也就是说，并不是等所有的 token 都生成之后，才用语法分析器来处理。一般都是每取得一个 token ，就开始用语法分析器来处理了
• 第三步 代码生成 ：最后一步就是将 AST 转成计算机可以识别的机器指令码

在第一步中，我们看到有词法分析，它用来登记变量声明、函数声明以及函数声明的形参，后续代码执行的时候就可以知道要从哪里去获取变量值与函数。这个登记的地方就是词法环境。

词法环境包含两部分：

• 环境记录：存储变量和函数声明的实际位置，真正用来登记变量的地方
• 对外部环境的引用：意味着它可以访问其外部词法环境，是作用域链能够连接起来的关键

每个环境能访问到的标识符集合，我们称之为“作用域”。我们将作用域一层一层嵌套，形成了“作用域链”。

词法环境有两种 类型 :

• 全局环境：是一个没有外部环境的词法环境，其外部环境引用为 null。拥有一个全局对象（window 对象）及其关联的方法和属性（例如数组方法）以及任何用户自定义的全局变量，this 的值指向这个全局对象。
• 函数环境：用户在函数中定义的变量被存储在环境记录中，包含了arguments 对象。对外部环境的引用可以是全局环境，也可以是包含内部函数的外部函数环境。

环境记录 同样有两种类型：

• 声明性环境记录 ：存储变量、函数和参数。一个函数环境包含声明性环境记录。
• 对象环境记录 ：用于定义在全局执行上下文中出现的变量和函数的关联。全局环境包含对象环境记录。

如果用伪代码的形式表示，词法环境是这样哒：

GlobalExectionContext = {  // 全局执行上下文
  LexicalEnvironment: {    	  // 词法环境
    EnvironmentRecord: {   		// 环境记录
      Type: "Object",      		   // 全局环境
      // ...
      // 标识符绑定在这里 
    },
    outer: <null>  	   		   // 对外部环境的引用
  }  
}

FunctionExectionContext = { // 函数执行上下文
  LexicalEnvironment: {  	  // 词法环境
    EnvironmentRecord: {  		// 环境记录
      Type: "Declarative",  	   // 函数环境
      // ...
      // 标识符绑定在这里 			  // 对外部环境的引用
	},
    outer: <Global or outer function environment reference>  
  }  
}

例如：

let a = 20;  
const b = 30;  
var c;

function multiply(e, f) {  
 var g = 20;  
 return e * f * g;  
}

c = multiply(20, 30);

对应的执行上下文、词法环境：

GlobalExectionContext = {

  ThisBinding: <Global Object>,

  LexicalEnvironment: {  
    EnvironmentRecord: {  
      Type: "Object",  
      // 标识符绑定在这里  
      a: < uninitialized >,  
      b: < uninitialized >,  
      multiply: < func >  
    }  
    outer: <null>  
  },

  VariableEnvironment: {  
    EnvironmentRecord: {  
      Type: "Object",  
      // 标识符绑定在这里  
      c: undefined,  
    }  
    outer: <null>  
  }  
}

FunctionExectionContext = {  
   
  ThisBinding: <Global Object>,

  LexicalEnvironment: {  
    EnvironmentRecord: {  
      Type: "Declarative",  
      // 标识符绑定在这里  
      Arguments: {0: 20, 1: 30, length: 2},  
    },  
    outer: <GlobalLexicalEnvironment>  
  },

  VariableEnvironment: {  
    EnvironmentRecord: {  
      Type: "Declarative",  
      // 标识符绑定在这里  
      g: undefined  
    },  
    outer: <GlobalLexicalEnvironment>  
  }  
}

词法环境与我们自己写的代码结构相对应，也就是我们自己代码写成什么样子，词法环境就是什么样子。词法环境是在代码定义的时候决定的，跟代码在哪里调用没有关系。所以说 JS 采用的是词法作用域（静态作用域），即它在代码写好之后就被静态决定了它的作用域。

静态作用域 vs 动态作用域

动态作用域是基于栈结构，局部变量与函数参数都存储在栈中，所以，变量的值是由代码运行时当前栈的栈顶执行上下文决定的。而静态作用域是指变量创建时就决定了它的值，源代码的位置决定了变量的值。

var x = 1;

function foo() {
  var y = x + 1;
  return y;
}

function bar() {
  var x = 2;
  return foo();
}

foo(); // 静态作用域: 2; 动态作用域: 2
bar(); // 静态作用域: 2; 动态作用域: 3

在此例中，静态作用域与动态作用域的执行结构可能是不一致的，bar 本质上就是执行 foo 函数，如果是静态作用域的话， bar 函数中的变量 x 是在 foo 函数创建的时候就确定了，也就是说变量 x 一直为 1 ，两次输出应该都是 2 。而动态作用域则根据运行时的 x 值而返回不同的结果。

所以说，动态作用域经常会带来不确定性，它不能确定变量的值到底是来自哪个作用域的。

大多数现在程序设计语言都是采用静态作用域规则，如C/C++、C#、Python、Java、JavaScript等，采用动态作用域的语言有Emacs Lisp、Common Lisp（兼有静态作用域）、Perl（兼有静态作用域）。C/C++的宏中用到的名字，也是动态作用域。

词法环境与闭包

一个函数和对其周围状态（lexical environment，词法环境）的引用捆绑在一起（或者说函数被引用包围），这样的组合就是闭包（closure）

——MDN

也就是说，闭包是由 函数 以及声明该函数的 词法环境 组合而成的

var x = 1;

function foo() {
  var y = 2; // 自由变量
  function bar() {
    var z = 3; //自由变量
    return x + y + z;
  }
  return bar;
}

var test = foo();

test(); // 6

基于我们对词法环境的理解，上述例子可以抽象为如下伪代码：

GlobalEnvironment = {
  EnvironmentRecord: { 
    // 内置标识符
    Array: '<func>',
    Object: '<func>',
    // 等等..

    // 自定义标识符
    x: 1
  },
  outer: null
};

fooEnvironment = {
  EnvironmentRecord: {
    y: 2,
    bar: '<func>'
  }
  outer: GlobalEnvironment
};

barEnvironment = {
  EnvironmentRecord: {
    z: 3
  }
  outer: fooEnvironment
};

前面说过，词法作用域也叫静态作用域，变量在词法阶段确定，也就是定义时确定。虽然在 bar 内调用，但由于 foo 是闭包函数，即使它在自己定义的词法作用域以外的地方执行，它也一直保持着自己的作用域。所谓闭包函数，即这个函数封闭了它自己的定义时的环境，形成了一个闭包，所以 foo 并不会从 bar 中寻找变量，这就是静态作用域的特点。

为了实现闭包，我们不能用动态作用域的动态堆栈来存储变量。如果是这样，当函数返回时，变量就必须出栈，而不再存在，这与最初闭包的定义是矛盾的。事实上，外部环境的闭包数据被存在了“堆”中，这样才使得即使函数返回之后内部的变量仍然一直存在（即使它的执行上下文也已经出栈）。