【面试题】深入理解闭包的形成过程及应用！

前言

• 首先引用书籍​​你不知道的JavaScript​​ 中的一段话:

回忆我前几年的时光,大量使用JavaScript但却完全不理解闭包是什么。总是感觉言有其隐的一面,如果能够掌握将 会功力大涨,但其讽刺的是我始终无法掌握其中的门道。还记得我曾经大量阅读早期框架的源码,试图能够理解闭包的工作原理,现在还能回忆起我的脑海中第一次浮现出关于 "模块模式" 相关概念时的激动心情。

• 在理解闭包之前,你需要先了解的是执行上下文,当然了你了解V8执行过程就更好了。你可以通过上一篇的文章中学习相关知识,这里详细讲解了V8的执行过程以及执行上下文是如何创建的。

什么是闭包?

• 首先看看维基百科对闭包的定义

1. ​​闭包​​​（Closure），又称​​词法闭包​​​（Lexical Closure）或​​函数闭包​​（function closures），是在支持头等函数的编程语言中实现词法绑定的一种技术。
2. 闭包在实现上是一个结构体，它存储了一个函数（通常是其入口地址）和一个关联的环境（相当于一个符号查找表）。
3. 闭包跟函数最大的不同在于，当捕捉闭包的时候，它的自由变量会在捕捉时被确定，这样即便脱离了捕捉时的上下文，它也能照常运行。

• 再来看一下MDN对JavaScript闭包的解释

4. ​​闭包​​​（closure）是一个函数以及其捆绑的周边环境状态（​​lexical environment​​​，​​词法环境​​）的引用的组合
5. 闭包能让开发者可以从内部函数访问外部函数的作用域。
6. 。在 JavaScript 中，闭包会随着函数的创建而被同时创建。

• 总的来说,闭包就是能够读取其他函数内部变量的函数。

LHS查询和RHS查询

• 在开始闭包之前,我们再来补充一下两个概念,就是什么是## LHS查询和RHS查询,待会要用到。

1. ​​LSH查询​​；LHS查询会在当前作用域链进行查询，如果当前作用域查询不到，就会沿着作用域链一层一层，找到的话就会将值赋值给这个变量，如果到达作用域顶端仍然找不到，就会在作用域链顶端创建这个变量。
2. ​​RHS查询​​​；RHS查询会在当前作用域链进行查询，如果当前作用域查询不到，就会沿着作用域链一层一层，，找到的话就会取得这个值并返回，如果到达作用域顶端仍然找不到，就会抛出错误（比如​​TypeError、ReferenceError​​）。

闭包的产生

• JavaScript三大特性,而闭包产生的原因也正是因为这些特性:

1. 可以在JavaScript函数内部定义新的函数;
2. 内部函数中访问函数中的定义;
3. 在JavaScript中,函数是一等公民,所以函数中既可以传入一个函数又可以作为参数返回一个函数。

• 话不多说,先上代码:

function foo() {
  var moment = 18;
  var test = 111;

  function bar() {
    const may = moment + 777;
    return may;
  }

  console.log(test);

  return bar;
}

var baz = foo();

baz(); // 嗨,朋友,这就是闭包

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• 通过观察上面的代码,我们在foo函数中定义了bar函数,并返回bar函数,同时在bar函数中访问了foo函数中的变量moment。
• 上面的代码大概的执行流程为:

1. 当调用 ​​foo​​​ 函数时，​​foo​​​ 函数会将它的内部函数 ​​bar​​​ 返回给全局变量 ​​baz​​；
2. 等到 ​​foo​​​ 函数执行结束时，执行上下文会被 ​​V8​​ 销毁；

• 按照正常的情况来说,变量 ​​moment​​​ 已经被 V8 销毁了,因为我们知道 V8 引擎有垃圾回收期用来释放不再使用的内存空间,但是由于存活的函数 ​​bar​​​ 依然引用了 ​​foo​​​ 函数作用域中的变量 ​​moment​​,这样就会带来两个问题:

3. 当 ​​foo​​​ 执行结束时，变量 ​​moment​​ 该不该被销毁？如果不应该被销毁,那么他应该在什么时候销毁，而又应该采用什么策略？
4. 我们都知道 V8 引擎采用的是惰性解析的方案,那么当执行到 ​​foo​​​ 函数时, V8 只会解析 ​​foo​​​ 函数,并不会解析内部的 ​​bar​​​函数,仅仅知识对 ​​bar​​​函数进行了标记,在这时 V8 引擎并不知道 ​​bar​​​ 函数中是否引用了 外层函数作用域中的变量 ​​moment​​;

• 由于 ​​JavaScript​​​ 是一门基于堆和栈的语言。在执行全局代码时当执行，​​V8​​​ 会将全局执行上下文压入到调用栈中，然后进入执行 ​​foo​​ 函数的调用过程。
• 这时候 ​​V8​​​ 引擎会为 ​​foo​​​ 函数创建执行上下文，执行上下文中包括了变量 ​​moment​​​，然后将 ​​foo​​​ 函数的执行上下文压入栈中，foo 函数执行结束之后，foo 函数执行上下文从栈中弹出，这时候 ​​foo​​​ 执行上下文中的变量 ​​moment​​ 也随之被销毁。
• 正常的处理方式应该是 ​​foo​​​ 函数的执行上下文被销毁了,但是 ​​bar​​​ 函数引用的 ​​foo​​ 函数中的变量却不能被销毁。
• 在执行 ​​foo​​​ 函数的阶段,虽然采取了惰性解析,不会解析和执行 ​​foo​​​ 函数中的的 ​​bar​​​ 函数中的 ​​bar​​​ 函数,但是 ​​V8​​​还是需要判断 ​​bar​​​ 函数是否引用了 ​​foo​​ 函数中的变量。
• ​​V8​​ 引擎引入了预解析器,当解析顶层代码的时候,遇到了一个函数,那么预解析器并不会直接跳过该函数,而是对该书做一次快速的预解析,其中主要的目的主要有两个:

5. 判断当前函数是否是不是存在一些语法上的错误,如果发现语法错误,那么就会向 V8 抛出语法错误;
6. 判断 ​​foo​​​ 函数是否有被 ​​bar​​​ 函数引用的变量,如果有,就会把该变量复制一份到堆内存中,同时 ​​bar​​​ 函数本身也是一个对象,也会被存放到内存当中,这样即使 ​​foo​​​ 函数即使执行完成,内存被释放以后,​​bar​​ 函数在执行的时候,依然可以从堆内存中访问复制过来的变量;

• 第二点钟说的复制一个变量,实际上是复制了一个闭包函数(​​Closure (foo)​​​),但是此函数只有被 ​​bar​​​ 函数引用的值,​​foo​​​ 函数中的 ​​test​​ 变量并没有被复制过去,如下图所示:

Other Example

function foo() {
  var moment = 777;

  function baz() {
    console.log(moment);
  }

  bar(baz);
}

function bar(fn) {
  fn(); // 这也是一个闭包
}

foo();
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• 把内部函数 ​​baz​​​ 传递给 ​​bar​​​ 函数,当调用这个内部函数时(这个时候叫作 ​​fn​​​),它涵盖的 ​​foo​​()内部作用域的闭包就可以观察到了,因为他能够访问。

function wait(message) {
  setTimeout(function timer() {
    console.log(message);
  }, 1000);
}

wait("hello world");
```js
function wait(message) {
  setTimeout(function timer() {
    console.log(message);
  }, 1000);
}

wait("hello world"); // 这也是一个闭包
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• 将一个内部函数 ​​timer​​​ 传递给​​settimeout​​​(...)。timer函数依然保存有​​wait​​(...)作用域的闭包。
• 在引擎内部,内置的工具函数​​settimeout​​(...)持有对一个参数的引用,这个参数也许叫作fn或者func,又或者其他类型的名字。引擎会调用这个函数,在这个例子中就是内部的timer函数,而词法作用域在这个过程中保持完整。

经典永不过时

for (var i = 0; i <= 5; i++) {
  setTimeout(() => {
    console.log(i);
  }, i * 10000);
}
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• 正常情况下,我们对这段代码行为的预期分别是输出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输出的频率输出五次6。因为这个循环的终止条件是 ​​i​​ 不再​​<=5​​,条件时 ​​i​​ 的值为6,因此输出显示的是循环结束时 ​​i​​ 的最终值。
• 这是因为 ​​setTimeout​​ 是异步的，而for循环是同步的，延迟函数的回调会在循环结束时才执行，当循环结束时 ​​i​​ 已经是 6了，所有的回调函数才会开始执行，因此会每次输出一个 ​​6​​ 来。
• 那么有什么办法可以让这个循环一次输出数字呢? 用 ​​let​​ 关键字代替 ​​var​​? 答案当然是可以的 , 你会看到 ​​0 1 2 3 4 5​​ 成功输出。

for (let i = 0; i <= 5; i++) {
  setTimeout(() => {
    console.log(i); // 0 1 2 3 4 5 成功输出
  }, 1000);
}
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• 如果不用 ​​let​​​,用立即执行函数(​​IIFE​​)呢?

for (var i = 0; i <= 5; i++) {
  (function () {
    setTimeout(() => {
      console.log(i); // 输出 6 次 6
    }, 1000);
  })();
}
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• 这样明显是不行的,为什么呢?虽然我们拥有了跟多的词法作用域了,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。但是该错用域是空的,所以 ​​IIFE​​只是一个什么都没有的空作用域。

for (var i = 0; i <= 5; i++) {
  (function (j) {
    setTimeout(() => {
      console.log(j); // 0 1 2 3 4 5 成功输出
    }, 1000);
  })(i);
}
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• 在这里我们把 ​​i​​​ 作为参数传递给 ​​立即执行函数​​​ ,​​j​​​ 就是传进来的参数,这个时候 ​​立即执行函数​​​ 就有自己的作用域变量 ​​j​​ 了,问题就迎刃而解了。这就是闭包的力量。

用闭包模拟私有方法

function Person() {
  var friends = 0;

  this.getFriends = function () {
    return friends;
  };

  this.friend = function () {
    friends++;
  };
}

const student = new Person();

student.friend();
student.friend();
console.log(student.getFriends());
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• 在上面的代码中,我们创建了一个构造函数 ​​Person​​​ ,定义了一个变量 ​​friends​​ 用于保存状态。由于JavaScript的作用域规则的限制,因此只能在构造函数内部访问该变量。
• 我们可以通过方法读写私有变量,但是不能直接对 ​​friends​​ 变量直接进行读写,这就实现了私有变量了。

闭包的优缺点

• 优点

1. 可以将一个变量长期储存在内存中，用于缓存;
2. 可以避免全局变量的污染;
3. 加强封装性，是实现了对变量的隐藏和封装,让 ​​JavaScript​​ 也能支持私有变量;

• 缺点

4. 因为函数外部引用的变量不会被销毁，所以会导致内存消耗很大，增加了内存消耗量，影响网页性能出现问题;
5. 而且过度的使用闭包可能会导致内存泄漏，或程序加载运行过慢卡顿等问题的出现。所以我们可以在退出函数之前将不使用的局部变量进行删除;

虽然闭包带给我们一定的好处,但是处理不好,很可能给我们带来严重的灾害。如果不是某些特定任务需要使用闭包，在其它函数中创建函数是不明智的，因为闭包在处理速度和内存消耗方面对脚本性能具有负面影响。。所以在开发中应尽量避免使用闭包。正所谓代码千万条，规范第一条，代码不规范，开发两行泪。

闭包就好像从 JavaScript 中分离出来的一个充满神秘色彩的未开化世界,只有最勇敢的人才能够到达那里。