你好,我是周爱民。

上一讲的for语句为你揭开了JavaScript执行环境的一角。在执行系统的厚重面纱之下,到底还隐藏了哪些秘密呢?那些所谓的执行环境、上下文、闭包或块与块级作用域,到底有什么用,或者它们之间又是如何相互作用的呢?

接下来的几讲,我就将重点为你讲述这些方面的内容。

用中断(Break)代替跳转

在Basic语言还很流行的时代,许多语言的设计中都会让程序代码支持带地址的“语句”。例如,Basic就为每行代码提供一个标号,你可以把它叫做“行号”,但它又不是绝对物理的行号,通常为了增减程序的方便,会使用“1,10,20…...”等等这样的间隔。如果想在第10行后追加1行,就可以将它的行号命名为“11”。

行号是一种很有历史的程序逻辑控制技术,更早一些可以追溯到汇编语言,或可以手写机器代码的时代(确实存在这样的时代)。那时由于程序装入位置被标定成内存的指定位置,所以这个位置也通常就是个地址偏移量,可以用数字化或符号化的形式来表达。

所有这些“为代码语句标示一个位置”的做法,其根本目的都是为了实现“GOTO跳转”,任何时候都可以通过“GOTO 标号”的语法来转移执行流程。

然而,这种黑科技在20世纪的60~70年代就已经普遍地被先辈们批判过了。这样的编程方式只会大大地降低程序的可维护性,其正确性或正确性验证都难以保障。所以,后面的故事想必你都知道了,半个多世纪之前开始的“结构化”运动一直影响至今,包括现在我与你讨论的这个JavaScript,都是“结构化程序设计”思想的产物。

所以,简单地说:JavaScript中没有GOTO语句了。取而代之的,是分块代码,以及基于代码分块的流程控制技术。这些控制逻辑基于一个简单而明了的原则:如果代码分块中需要GOTO的逻辑,那么就为它设计一个“自己的GOTO”

这样一来,所有的GOTO都是“块(或块所在语句)自己知道的”。这使得程序可以在“自己知情的前提下自由地GOTO”。整体看起来还不错,很酷。然而,问题是那些“标号”啊,或者“程序地址”之类的东西已经被先辈们干掉了,因此就算设计了GOTO也找不到去处,那该怎么办呢?

第一种中断

第一种处理方法最为简洁,就是约定“可以通过GOTO到达的位置”

在这种情况下,JavaScript将GOTO的“离开某个语句”这一行为理解为“中断(Break)该语句的执行”。由于这个中断行为是明确针对于该语句的,所以“GOTO到达的位置”也就可以毫无分歧地约定为该语句(作为代码块)的结束位置。这是“break”作为子句的由来。它用在某些“可中断语句(BreakableStatement)”的内部,用于中断并将程序流程“跳转(GOTO)到语句的结束位置”。

在语法上,这表示为(该语法只作用于对“可中断语句”的中断):

break;

所谓“可中断语句”其实只有两种,包括全部的循环语句,以及switch语句。在这两种语句内部使用的“break;”,采用的就是这种处理机制——中断当前语句,将执行逻辑交给下一语句。

第二种中断

与第一种处理方法的限制不同,第二种中断语句可以中断“任意的标签化语句”。所谓标签化语句,就是在一般语句之前加上“xxx:”这样的标签,用以指示该语句。就如我在文章中写的这两段示例:

// 标签aaa
aaa: {
   ...
}

// 标符bbb
bbb: if (true) {
   ...
}

对比这两段示例代码,你难道不会有这么一个疑惑吗?在标签aaa中,显然aaa指示的是后续的“块语句”的块级作用域;而在标签bbb中,if语句是没有块级作用域的,那么bbb到底指示的是“if语句”呢,还是其后的then分支中的“块语句”呢?

这个问题本质上是在“块级作用域”与“标签作用的(语句)范围”之间撕裂了一条鸿沟。由于标签bbb在语义上只是要“标识其后的一行语句”,因此这种指示是与“块级作用域(或词法环境)”没有关系的。简单地说,标签化语句理解的是“位置”,而不是“(语句在执行环境中的)范围”

因此,中断这种标签化语句的“break”的语法,也是显式地用“标签”来标示位置的。例如:

break labelName;

所以你才会看到,我在文章中写的这两种语句都是可行的:

// 在if语句的两个分支中都可以使用break;
// (在分支中深层嵌套的语句中也是可以使用break的)
aaa: if (true) {
   ...
}
else {
  ...
  break aaa;
}
 
// 在try...catch...finally中也可以使用break;
bbb: try {
  ...
}
finally {
  break bbb;
}

对于标签bbb的finally块中使用的这个特例,我需要再特别说明:如果在try或try..finally块中使用了return,那么这个break将发生于最后一行语句之后,但是却是在return语句之前。例如我在文章中写的这段代码:

var i = 100;
function foo() {
  bbb: try {
    console.log("Hi");
    return i++; //  <-位置1:i++表达式将被执行
  }
  finally {
    break bbb;
  }
  console.log("Here");
  return i; //  <-位置2
}

测试如下:

> foo()
Hi
Here
101

在这个例子中,你的预期可能会是“位置1”返回的100,而事实上将执行到输出“Here”并通过位置2返回101。这也很好地说明了**break语句本质上就是作用于其后的“一个语句”,而与它“有多少个块级作用域”无关**。

执行现场的回收

break将“语句的‘代码块’”理解为位置,而不是理解为作用域/环境,这是非常重要的前设!

然而,我在上面已经讲过了,程序代码中的“位置”已经被先辈们干掉了。他们用了半个世纪来证明了一件事情:想要更好、更稳定和更可读的代码,那么就忘掉“(程序的)位置”这个东西吧!

通过“作用域”来管理代码的确很好,但是作用域与“语句的位置”以及“GOTO到新的程序执行”这样的理念是矛盾的。它们并不在同一个语义系统内,这也是标签变量可以重名而不相互影响的根本原因。由于这个原因,在使用标签的代码上下文中,执行现场的回收就与传统的“块”以及“块级作用域”根本上不同。

JavaScript的执行机制包括“执行权”和“数据资源”两个部分,分别映射可计算系统中的“逻辑”与“数据”。而块级作用域(也称为词法作用域)以及其他的作用域本质上就是一帧数据,以保存执行现场的一个瞬时状态(也就是每一个执行步骤后的现场快照)。而JavaScript的运行环境被描述为一个后入先出的栈,这个栈顶永远就是当前“执行权”的所有者持用的那一帧数据,也就是代码活动的现场。

JavaScript的运行环境通过函数的CALL/RETURN来模拟上述“数据帧”在栈上的入栈与出栈过程。任何一次函数的调用,即是向栈顶压入该函数的上下文环境(也就是作用域、数据帧等等,它们在不同场合下的相同概念)。所以,包括那些在全局或模块全局中执行的代码,以及Promise中执行调度的那些内部处理,所有的这些JavaScript内部过程或外部程序都统一地被封装成函数,通过CALL/RETURN来激活、挂起。

所以,“作用域”就是在上述过程中被操作的一个对象。

然而如之前所说的,“break labelName;”这一语法独立于“执行过程”的体系,它表达一个位置的跳转,而不是一个数据帧在栈上的进出栈。这是labelName独立于标识符体系(也就是词法环境)所带来的附加收益!

基于对“语句”的不同理解,JavaScript设计了一种全新方法,用来清除这个跳转所带来的影响(也就是回收跳转之前的资源分配)。而这多余出来的设计,其实也是上述收益所需要付出的代价。

语句执行的意义

对于语句的跳转来说,“离开语句”意味着清除语句所持有的一切资源,如同函数退出时回收闭包。但是,这也同样意味着“语句”中发生的一切都消失了,对于函数来说,return和yield是唯二从这个现场发出信息的方式。那么语句呢?语句的执行现场从这个“程序逻辑的世界”中湮灭之后,又留下了什么呢?

NOTE: 确实存在从函数中传出信息的其他结构,但这些也将援引别的解释方式,这些就留待今后再讲了。

语句执行与函数执行并不一样。函数是求值,所以返回的是对该函数求值的结果(Result),该结果或是值(Value),或是结果的引用(Reference)。而语句是命令,语句执行的返回结果是该命令得以完成的状态(Completion, Completion Record Specification Type)。

注意,JavaScript是一门混合了函数式与命令式范型的语言,而这里对函数和语句的不同处理,正是两种语言范型根本上的不同抽象模型带来的差异

在ECMAScript规范层面,本质上所有JavaScript的执行都是语句执行(这很大程度上解释了为什么eval是执行语句)。因此,ECMAScript规范中对执行的描述都称为“运行期语义(Runtime Semantics)”,它描述一个JavaScript内部的行为或者用户逻辑的行为的过程与结果。也就是说这些运行期语义都最终会以一个完成状态(Completion)来返回。例如:

这些结果(result)包括的状态有五种,称为完成的类型:normal、break、continue、return、throw。也就是说,任何语句的行为,要么是包含了有效的、可用于计算的数据值(Value):

要么是一个不可(像数据那样)用于计算或传递的纯粹状态:

NOTE: throw是一个很特殊的流程控制语句,它与这里的讨论的流程控制有相似性,不同的地方在于:它并不需要标签。关于throw更多的特性,我还会在稍后的课程中给你具体地分析。

所以当运行期出现了一这个称为“中断(break)”的状态时,JavaScript引擎需要找到这个“break”标示的目标位置(result.Target),然后与当前语句的标签(如果有的话)对比:

这与函数调用的过程有一点类似之处:由于对“break状态”的拦截交给语句退出(完成)之后的下一个语句,因此如果语句是嵌套的,那么其后续(也就是外层的)语句就可以得到处理这个“break状态”的机会。举例来说:

console.log(eval(`
  aaa: {
    1+2;
    bbb: {
     3+4;
     break aaa;
    }
  }
`)); // 输出值:7

在这个示例中,“break aaa”语句是发生于bbb标签所示块中的。但当这个中断发生时,

所以,语句执行总是返回它的完成状态,且如果这个完成状态是包含值(Value)的话,那么它是可以作为JavaScript代码可访问的数据来使用的。例如,如果该语句被作为eval()来执行,那么它就是eval()函数返回的值。

中断语句的特殊性

最后的一个问题是:标题中的这行代码有什么特殊性呢?

相信你知道我总是会设计一些难解的,以及表面上矛盾和歧义的代码,并围绕这样的代码来组织我的专题的每一讲的内容。而今天这行代码在“貌似难解”的背后,其实并不包含任何特殊的执行效果,它的执行过程并不会对其他任何代码构成任何影响。

我列出这行代码的原因有两点。

  1. 它是最小化的break语句的用法,你不可能写出更短的代码来做break的示例了;
  2. 这种所谓“不会对其他任何代码构成任何影响”的语句,也是JavaScript中的特有设计。

首先,由于“标签化语句”必须作用于“一个”语句,而语句理论上的最小化形式是“空语句”。但是将空语句作为break的目标标签语句是不可能的,因为你还必须在标签语句所示的语句范围内使用break来中断。空语句以及其他一些单语句是没有这样的语句范围的,因此最小化的示例就只能是对break语句自身的中断。

其次,语句的返回与函数的返回有相似性。例如,函数可以不返回任何东西给外部,这种情况下外部代码得到的函数出口信息会是undefined值。

由于典型的函数式语言的“函数”应该是没有副作用的,所以这意味着该函数的执行过程不影响任何其他逻辑——也不在这个“程序逻辑的世界”中留下任何的状态。事实上,你还可以用“void”运算符来阻止一个函数返回的值影响它的外部世界。函数是“表达式运算”这个体系中的,因此用一个运算符来限制它的逻辑,这很合理。

虽然“break labelName”的中止过程是可以传出“最后执行语句”的状态的,但是你只要回忆一下这个过程就会发现一个悖论:任何被break的代码上下文中,最后执行语句必然会是“break语句”本身!所以,如果要在这个逻辑中实现“语句执行状态”的传递,那么就必须确保:

  1. “break语句”不返回任何值(ECMAScript内部约定用“Empty”值来表示);
  2. 上述“不返回任何值”的语句,也不会影响任何语句的既有返回值。

所以,事实上我们已经探究了“break语句”返回值的两个关键特性的由来:

对于Empty值,在ECMAScript中约定:在多行语句执行时它可以被其他非Empty值更新(UpdateEmpty),而Empty不可以覆盖其他任何值。

这就是空语句等也同样“不会对其他任何代码构成任何影响”的原因了。

知识回顾

今天的内容有一些非常重要的、关键的点,主要包括:

  1. “GOTO语句是有害的。”——1972年图灵奖得主艾兹格·迪科斯彻(Edsger Wybe Dijkstra, 1968)。
  2. 很多新的语句或语法被设计出来用来替代GOTO的效果的,但考虑到GOTO的失败以及无与伦比的破坏性,这些新语法都被设计为功能受限的了。
  3. 任何的一种GOTO带来的都是对“顺序执行”过程的中断以及现场的破坏,所以也都存在相应的执行现场回收的机制。
  4. 有两种中断语句,它们的语义和应用场景都不相同。
  5. 语句有返回值。
  6. 在顺序执行时,当语句返回Empty的时候,不会改写既有的其他语句的返回值。
  7. 标题中的代码,是一个“最小化的break语句示例”。

思考题

欢迎你在进行深入思考后,与其他同学分享自己的想法,也让我有机会能听听你的收获。