JavaScript 中的 `with` 语句：词法环境（Lexical Environment）的动态扩展与性能问题

各位听众，大家好。今天我们将深入探讨JavaScript中一个既神秘又备受争议的语句——with。它是一个在现代JavaScript开发中几乎被完全弃用的特性，甚至在严格模式下被禁用。然而，理解with语句的工作原理，特别是它如何动态地扩展词法环境（Lexical Environment），对于我们深入理解JavaScript的作用域链、变量查找机制以及运行时性能优化有着不可估量的价值。

我们不仅仅要了解with的语法，更要剖析它对JavaScript引擎内部机制的影响，尤其是它如何干扰JIT（Just-In-Time）编译器的优化能力，从而导致显著的性能问题。同时，我们也将讨论它在代码可读性、维护性以及调试方面带来的挑战，并最终提供现代JavaScript中替代with的优雅方案。

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一、 JavaScript中的词法环境（Lexical Environment）概述

要理解with语句的魔力与危害，我们首先需要牢固掌握JavaScript中词法环境（Lexical Environment）的核心概念。词法环境是ECMAScript规范中定义的一种内部机制，它用于管理标识符（即变量、函数、类等）与它们实际值之间的映射关系，并决定了代码中变量和函数的可访问范围，也就是我们常说的“作用域”。

每个词法环境都包含两个主要组件：

1. 环境记录（Environment Record）：这是一个存储标识符绑定的实际地方。它记录了在该词法环境中声明的所有变量和函数的名称及其对应的值。

   • 声明式环境记录（Declarative Environment Record）：用于存储变量、函数、类的声明。例如，var, let, const, function, class声明的标识符都存储在这里。
   • 对象环境记录（Object Environment Record）：在全局环境或with语句中，它会将一个对象（例如全局对象window或global）的属性作为标识符绑定。这意味着该对象的属性可以直接作为变量名来访问。

2. 外部词法环境引用（Outer Lexical Environment Reference）：这是一个指向其外部（或父级）词法环境的引用。这个引用构成了词法环境的链条，也就是我们所说的“作用域链”。当JavaScript引擎需要查找某个标识符的值时，它会首先在当前词法环境的环境记录中查找，如果找不到，就沿着Outer Lexical Environment Reference向上查找，直到找到该标识符或者到达全局环境的末尾（此时如果仍未找到，通常会抛出ReferenceError）。

词法环境的创建时机：

• 全局环境（Global Environment）：当JavaScript程序启动时创建，它是所有词法环境的根。在浏览器中，其对象环境记录指向window对象；在Node.js中，其对象环境记录指向global对象。
• 函数环境（Function Environment）：每当一个函数被调用时，就会为其创建一个新的函数词法环境。这个环境的外部词法环境引用指向函数被定义时的作用域。
• 块级环境（Block Environment）：ES6引入的let和const关键字使得块（{}）也能创建独立的词法环境。例如，if语句、for循环、while循环等都可以创建块级环境。

代码示例：基本词法环境与作用域链

// 全局词法环境 (Global Lexical Environment)
//   - Environment Record: { x: undefined, y: undefined, outerFunction: <func> }
//   - Outer Lexical Environment: null (根环境)
var x = 10;
let y = 20;

function outerFunction() {
    // outerFunction被调用时创建的词法环境
    //   - Environment Record: { z: undefined, innerFunction: <func> }
    //   - Outer Lexical Environment: Global Lexical Environment (因为outerFunction是在全局定义的)
    var z = 30;

    function innerFunction() {
        // innerFunction被调用时创建的词法环境
        //   - Environment Record: {}
        //   - Outer Lexical Environment: outerFunction的词法环境 (因为innerFunction是在outerFunction内部定义的)
        console.log(x); // 查找: innerFunction LE -> outerFunction LE -> Global LE (找到 x=10)
        console.log(y); // 查找: innerFunction LE -> outerFunction LE -> Global LE (找到 y=20)
        console.log(z); // 查找: innerFunction LE -> outerFunction LE (找到 z=30)
        // console.log(a); // 未定义，会抛出 ReferenceError
    }

    innerFunction();
}

outerFunction();

在这个例子中，innerFunction在查找x, y, z时，会沿着其定义时的作用域链向上查找，直到找到对应的变量。这个查找过程是基于代码的词法结构（即代码编写时的位置）来确定的，因此称为“词法作用域”。

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二、 with 语句的语法与基本行为

with语句的语法非常简单：

with (expression) {
    statement
}

其中，expression通常是一个对象，statement是在with语句块内部执行的代码。with语句的目的是为了简化对某个对象属性的访问，避免重复书写对象名。

代码示例：with语句的初见

假设我们有一个对象，其中包含多个属性：

const userProfile = {
    firstName: "John",
    lastName: "Doe",
    age: 30,
    email: "[email protected]"
};

// 不使用 with 语句
console.log(`Full Name: ${userProfile.firstName} ${userProfile.lastName}`);
console.log(`Age: ${userProfile.age}`);
console.log(`Email: ${userProfile.email}`);

// 使用 with 语句
with (userProfile) {
    console.log(`Full Name (with): ${firstName} ${lastName}`);
    console.log(`Age (with): ${age}`);
    console.log(`Email (with): ${email}`);

    // 尝试访问不存在的属性
    // console.log(city); // 后面我们会看到这可能导致问题
}

从上面的例子可以看出，在with语句块内部，我们可以直接使用firstName、lastName等名称来访问userProfile对象的属性，而无需通过userProfile.前缀。这看起来似乎提供了一种方便的“语法糖”，减少了代码的冗余。

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三、 with 语句：词法环境的动态扩展

现在，我们来揭示with语句的内部机制，以及它为何被称为“动态扩展”词法环境。

当JavaScript引擎执行with (expression) { statement }时，它会执行以下关键步骤：

1. 评估 expression：首先，expression会被评估为一个对象。如果expression不是一个对象，它会被强制转换为对象。
2. 创建新的词法环境：JavaScript引擎会创建一个新的词法环境，专门用于with语句块。
3. 环境记录的特殊性：这个新创建的词法环境的环境记录是一个对象环境记录（Object Environment Record）。更具体地说，它是一个特殊的WithEnvironmentRecord。这个WithEnvironmentRecord的内部逻辑是，它将expression评估得到的对象作为其“绑定对象”（binding object）。
   • 这意味着，当在这个WithEnvironmentRecord中查找标识符时，它实际上是在查找其绑定对象的属性。
4. 插入作用域链：这个新的词法环境的外部词法环境引用会指向with语句所在位置的当前词法环境。换句话说，这个新的词法环境被动态地插入到了当前作用域链的最前端。

变量查找过程的改变：

在with语句块内部，当JavaScript引擎尝试解析一个标识符（例如firstName）时，查找顺序将变为：

1. 首先，在with语句创建的特殊词法环境的WithEnvironmentRecord中查找。 这意味着，它会尝试将该标识符作为属性名，在其绑定对象（即with语句中的expression所评估的对象）上查找对应的属性。
2. 如果找到了对应的属性，就使用该属性的值。
3. 如果没找到，则沿着WithEnvironmentRecord的Outer Lexical Environment Reference向上，继续在with语句之前的词法环境中查找（即原始的作用域链）。
4. 如果最终在整个作用域链中都找不到该标识符，并且代码处于非严格模式下，那么尝试赋值给该标识符可能会在全局对象上创建一个新的全局变量。

代码示例：with语句如何修改作用域链

let globalVar = "我是全局变量";

function someFunction() {
    let functionVar = "我是函数变量";
    const myObject = {
        prop1: "对象属性1",
        prop2: "对象属性2",
        functionVar: "对象中的同名属性" // 注意这个同名属性
    };

    console.log("--- 在 with 外部 ---");
    console.log("globalVar:", globalVar);   // globalVar (全局)
    console.log("functionVar:", functionVar); // functionVar (函数)
    console.log("myObject.prop1:", myObject.prop1); // myObject.prop1 (对象)

    with (myObject) {
        // 进入 with 块，一个新的词法环境被创建并插入到作用域链最前端
        // 作用域链示意:
        //   [with 语句的词法环境 (绑定到 myObject)] -> [someFunction 的词法环境] -> [全局词法环境]

        console.log("n--- 在 with 内部 ---");

        // 1. 查找 prop1
        //    - 首先在 with LE 的 WithEnvironmentRecord (myObject) 中查找 prop1
        //    - 找到 myObject.prop1
        console.log("prop1:", prop1); // "对象属性1"

        // 2. 查找 prop2
        //    - 首先在 with LE 的 WithEnvironmentRecord (myObject) 中查找 prop2
        //    - 找到 myObject.prop2
        console.log("prop2:", prop2); // "对象属性2"

        // 3. 查找 functionVar
        //    - 首先在 with LE 的 WithEnvironmentRecord (myObject) 中查找 functionVar
        //    - 找到 myObject.functionVar
        //    - 此时，someFunction 中的 functionVar 被“遮蔽”了（shadowing）
        console.log("functionVar (in with):", functionVar); // "对象中的同名属性"

        // 4. 查找 globalVar
        //    - 首先在 with LE 的 WithEnvironmentRecord (myObject) 中查找 globalVar (myObject没有这个属性)
        //    - 向上查找 someFunction LE (没有 globalVar)
        //    - 向上查找 Global LE (找到 globalVar)
        console.log("globalVar (in with):", globalVar); // "我是全局变量"

        // 5. 尝试创建一个新的变量 (在非严格模式下)
        //    - 首先在 with LE 的 WithEnvironmentRecord (myObject) 中查找 newProp (myObject没有这个属性)
        //    - 向上查找 someFunction LE (没有 newProp)
        //    - 向上查找 Global LE (没有 newProp)
        //    - 在非严格模式下，如果 `newProp` 在任何地方都未找到，它会在全局对象上创建 `window.newProp`
        newProp = "这是一个新属性"; // 警告：这可能意外创建全局变量
        console.log("newProp (in with):", newProp); // "这是一个新属性"
    }

    console.log("n--- 离开 with 块 ---");
    console.log("functionVar (after with):", functionVar); // "我是函数变量" (someFunction 的变量不受影响)
    console.log("myObject.newProp (after with):", myObject.newProp); // undefined (newProp 没有添加到 myObject)
    console.log("window.newProp (after with):", window.newProp); // "这是一个新属性" (如果是在浏览器环境)
}

someFunction();

通过这个例子，我们可以清晰地看到with语句是如何动态地将一个对象的属性“提升”到作用域链的最前端，从而改变了标识符的查找行为。这种动态行为正是with语句带来复杂性和性能问题的根源。

表格：with语句对作用域链的影响

作用域链层级	正常情况下（查找 propX）	with (myObject) { ... } 内部（查找 propX）
最顶层	当前执行上下文的词法环境 (例如函数LE)	with语句创建的词法环境 (绑定到 myObject)
外部词法环境引用	其外部词法环境 (例如全局LE)	其外部词法环境 (即 with 语句前的当前LE)
更外部词法环境引用	…	…
最底层（全局）	全局词法环境	全局词法环境

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四、 with 语句带来的性能问题

with语句最大的弊病之一就是它对JavaScript引擎的性能优化能力造成了严重的阻碍，特别是对现代JIT（Just-In-Time）编译器而言。

JIT编译器在运行时将JavaScript代码转换为机器码，以提高执行效率。为了实现高效优化，JIT编译器需要对代码的结构和行为进行静态分析（即在代码实际运行之前分析）。它会尝试预测变量的类型、函数调用模式以及作用域链的结构。

然而，with语句引入了动态作用域的概念，这使得JIT编译器进行静态分析变得极其困难，甚至不可能。

1. 作用域链的动态性：

   • 在with语句内部，一个标识符到底是引用了with对象的属性，还是引用了外部作用域中的变量，这在代码编译时是无法确定的。它取决于with对象的实际内容，而with对象可能在运行时才被完全确定，甚至其属性可以在运行时动态增删。
   • 例如，with (obj) { foo = 1; }。foo是obj.foo吗？还是一个外部变量？或者一个全局变量？这取决于obj在执行到此处时是否有foo属性。

2. 阻止优化（Deoptimization）：

   • 由于无法在编译时确定标识符的查找路径，JIT编译器无法对with块内部的代码进行常见的优化，例如内联缓存（Inline Caching）和固定作用域查找。
   • 当JIT编译器遇到with语句时，它通常会选择不优化这部分代码，或者更糟的是，它可能会放弃对包含with语句的整个函数进行优化，将其回退到效率较低的解释执行模式。
   • 这意味着，with语句块内的代码，以及它所在的整个函数，可能无法享受到JIT编译器带来的性能提升，从而导致运行速度明显变慢。

3. 属性查找的开销：

   • 正常情况下，JIT编译器可以优化属性查找。例如，如果obj.prop总是指向同一个内存位置或类型，编译器可以将其优化为直接内存访问。
   • 但在with块中，prop的查找必须首先检查with对象，如果不存在再沿着作用域链向上查找。这个过程是动态且不确定的，每次查找都需要更多的步骤，增加了运行时开销。
   • 它使得属性访问从单态（monomorphic）变为多态（polymorphic），甚至巨态（megamorphic），这会显著降低JIT优化器识别和优化这些操作的能力。

表格：正常作用域与 with 作用域对JIT优化的影响

特性	正常词法作用域	with 语句引入的动态作用域
可预测性	静态可预测：变量和函数绑定在代码编写时确定	动态不可预测：变量查找路径取决于运行时对象属性
JIT优化	高度可优化：内联缓存、固定作用域查找	难以优化：导致去优化，回退到解释执行
性能	高性能	性能显著下降
代码分析	简单，工具（linter）可以准确分析	复杂，工具难以准确分析

代码示例：简单模拟性能差异（概念性）

虽然要通过简单的JavaScript代码直接测量JIT去优化效果比较困难，但我们可以通过一个重复操作的例子来感受其潜在影响。

const largeObject = {};
for (let i = 0; i < 1000; i++) {
    largeObject[`prop${i}`] = `value${i}`;
}
largeObject.fixedProp = "fixedValue";

function accessWithWith(obj) {
    let result = "";
    with (obj) { // 每次循环都会创建一个新的 with LE，并插入作用域链
        for (let i = 0; i < 1000; i++) {
            // 每次访问都需动态查找，检查 obj.propX，再向上查找
            result += fixedProp; // 即使是固定属性，也需先检查 obj
        }
    }
    return result;
}

function accessDirectly(obj) {
    let result = "";
    for (let i = 0; i < 1000; i++) {
        // 直接属性访问，JIT 可以高效优化
        result += obj.fixedProp;
    }
    return result;
}

function accessWithDestructuring(obj) {
    let result = "";
    const { fixedProp } = obj; // 静态绑定，JIT 可以高效优化
    for (let i = 0; i < 1000; i++) {
        result += fixedProp;
    }
    return result;
}

console.time("with statement");
accessWithWith(largeObject);
console.timeEnd("with statement");
// 示例输出 (实际数值会因环境而异，但 with 通常更慢):
// with statement: 1.5ms - 5ms (或更高)

console.time("direct access");
accessDirectly(largeObject);
console.timeEnd("direct access");
// 示例输出:
// direct access: 0.1ms - 0.5ms

console.time("destructuring access");
accessWithDestructuring(largeObject);
console.timeEnd("destructuring access");
// 示例输出:
// destructuring access: 0.1ms - 0.5ms

尽管上面的时间测量只是一个粗略的示意，但它直观地展示了with语句可能带来的性能劣势。在实际的复杂应用中，这种性能开销会累积并变得非常显著。

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五、 with 语句带来的可读性、维护性与调试问题

除了性能问题，with语句还严重损害了代码的清晰度、可维护性以及调试体验。

1. 标识符歧义（Ambiguity）：

   • 这是with语句最突出的问题之一。在with块中，一个看似简单的标识符，其来源可能不确定。它可能是with对象的属性，也可能是外部作用域中的一个变量。
   • 这种不确定性使得代码难以阅读和理解，尤其是在大型代码库或多人协作项目中。

   • 示例：

     let count = 10;
     const myData = { value: 5, count: 20 };
     
     with (myData) {
         console.log(value); // 显然是 myData.value
         console.log(count); // 到底是 myData.count 还是外部的 count?
                             // 答案是 myData.count，因为它在 with 对象中被找到了。
                             // 但这很容易引起混淆。
     }
     console.log(count); // 外部的 count 依然是 10

2. 意外的变量遮蔽（Shadowing）：

   • 如上例所示，with对象中的属性可能会意外地“遮蔽”外部作用域中同名的变量，导致外部变量在with块内部变得不可访问。这可能导致难以发现的逻辑错误。

3. 隐式全局变量创建（Implicit Global Creation）：

   • 在非严格模式下，如果在with语句块内部给一个未声明的标识符赋值，并且这个标识符在with对象中以及外部作用域链中都找不到，那么JavaScript会在全局对象上创建一个新的属性（即一个全局变量）。这是一种非常糟糕的副作用，因为它增加了全局命名空间的污染，并可能导致难以追踪的副作用和错误。

   • 示例：

     // 假设当前不是严格模式
     const config = { settingA: true };
     let localVariable = "local";
     
     with (config) {
         console.log(settingA); // config.settingA
         // console.log(nonExistentVar); // ReferenceError，因为是读取
     
         nonExistentVar = "Oops, I'm global!"; // 赋值！
                                             // config 中没有 nonExistentVar
                                             // 外部作用域中也没有 nonExistentVar
                                             // 所以它变成了 window.nonExistentVar (浏览器) 或 global.nonExistentVar (Node.js)
     }
     
     console.log(typeof nonExistentVar); // "string"
     console.log(window.nonExistentVar); // "Oops, I'm global!" (在浏览器中)

   • 这正是严格模式禁止with语句的一个重要原因。

4. 调试困难：

   • 由于作用域链的动态性，调试器在with块内部显示变量时可能会变得不那么直观。开发者可能需要花费更多时间来确定某个变量的实际来源。
   • 自动代码分析工具（如ESLint）也难以对with块内的代码进行准确的静态分析，因为它无法确定哪些变量是来自with对象，哪些是来自外部作用域。

5. 严格模式下的禁用：

   • ECMAScript 5引入了严格模式（'use strict';），旨在消除JavaScript语言中一些不安全、不合理或容易出错的特性。with语句就是其中之一。在严格模式下使用with语句会直接导致语法错误（SyntaxError）。
   • 现代JavaScript模块（ES Modules）默认就是严格模式，因此在模块化的代码中根本无法使用with语句。这是一个强烈的信号，表明with语句已经被社区和语言规范彻底抛弃。

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六、 with 语句的现代替代方案

幸运的是，现代JavaScript提供了许多优雅、安全且高效的替代方案，完全可以满足with语句最初想要解决的问题——简化对对象属性的访问。

1. 解构赋值（Destructuring Assignment）- ES6+：
   这是最推荐的替代方案，它允许你从数组或对象中提取数据并赋值给独立的变量，而且这些变量是在当前作用域中声明的，避免了with的所有问题。

   const user = {
       firstName: "Jane",
       lastName: "Doe",
       age: 28,
       city: "New York"
   };
   
   // 替代 with (user) { ... }
   
   // 1. 基本解构
   const { firstName, lastName, age } = user;
   console.log(`${firstName} ${lastName}, ${age} years old.`); // Jane Doe, 28 years old.
   
   // 2. 解构时重命名
   const { firstName: fName, lastName: lName } = user;
   console.log(`First: ${fName}, Last: ${lName}`); // First: Jane, Last: Doe
   
   // 3. 设置默认值 (如果属性不存在)
   const { country = "USA" } = user;
   console.log(`Country: ${country}`); // Country: USA (因为 user 中没有 country 属性)
   
   // 4. 结合其他变量
   let greeting = "Hello";
   const { city } = user;
   console.log(`${greeting} from ${city}`); // Hello from New York
   
   // 5. 嵌套解构
   const company = {
       name: "Acme Corp",
       address: {
           street: "123 Main St",
           zip: "10001"
       }
   };
   const { address: { street, zip } } = company;
   console.log(`Company address: ${street}, ${zip}`); // Company address: 123 Main St, 10001

   解构赋值创建的是明确的、静态绑定的局部变量，JIT编译器可以轻松地对其进行优化，并且代码可读性极高。

2. 直接属性访问：
   这是最简单、最直接的方式。虽然可能看起来有点冗长，但在大多数情况下，它的可读性、可预测性和性能都是最佳的。

   const event = {
       type: "click",
       target: "button",
       timestamp: Date.now()
   };
   
   // 替代 with (event) { console.log(type, target, timestamp); }
   console.log(event.type, event.target, event.timestamp);

3. 使用临时变量或函数参数：
   如果需要多次访问某个对象的属性，但又不希望污染当前作用域，可以将其封装在一个函数中，或者将对象作为参数传递。

   const product = {
       id: "P123",
       name: "Laptop",
       price: 1200,
       currency: "USD"
   };
   
   // 替代 with (product) { ... }
   
   // 方式一：临时变量
   const pId = product.id;
   const pName = product.name;
   // ...
   console.log(`Product ID: ${pId}, Name: ${pName}`);
   
   // 方式二：封装在函数中，利用参数解构
   function displayProductDetails({ id, name, price, currency }) {
       console.log(`ID: ${id}`);
       console.log(`Name: ${name}`);
       console.log(`Price: ${price} ${currency}`);
   }
   displayProductDetails(product);

4. Object.assign() 或 展开语法（Spread Syntax）：
   如果需要将一个对象的属性合并到另一个对象中，或者创建一个新对象并覆盖某些属性，Object.assign()或展开语法可以派上用场。这并不是with的直接替代，但在某些需要“扁平化”对象属性的场景下，可以考虑。

   const defaults = { x: 0, y: 0, color: "black" };
   const userSettings = { y: 10, color: "blue" };
   
   // 合并属性，创建一个新对象
   const finalSettings = { ...defaults, ...userSettings };
   console.log(finalSettings); // { x: 0, y: 10, color: "blue" }

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七、 历史背景与现状

with语句最初被引入JavaScript（以及其前身LiveScript）是为了提供一种在特定上下文中简化代码的机制，尤其是在处理浏览器DOM对象时。例如，在旧版浏览器中操作document.forms[0]的多个属性，使用with可以减少冗余的document.forms[0].前缀。这在当时的编程语言（如Perl）中也有类似的概念，被视为一种“语法糖”。

然而，随着JavaScript语言的发展，其复杂性、性能要求以及对更严格代码质量的追求日益增长，with语句的缺点变得越来越突出。

• ECMAScript 5（2009年）：引入了严格模式，明确规定在严格模式下禁用with语句，试图将其从语言中逐步淘汰。
• 现代JavaScript开发：在ES6及更高版本中，解构赋值和其他语言特性提供了更好的替代方案，使得with语句的存在变得毫无必要。
• 工具链支持：现代IDE、Linter（如ESLint）和静态分析工具都会将with语句标记为错误或警告，并推荐使用替代方案。
• 浏览器和Node.js环境：为了向后兼容，with语句在非严格模式下仍然受支持。但在新项目中，绝对不应该使用它。ES Modules默认处于严格模式，这意味着在模块文件中使用with语句会直接导致语法错误。

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八、 展望

with语句是JavaScript语言设计中一个有趣的案例研究。它展示了一个看似方便的特性，如何在实践中因为其对底层机制的动态干扰而带来巨大的复杂性、性能瓶颈以及可维护性问题。理解with语句的工作原理，不仅仅是为了避免使用它，更是为了加深我们对JavaScript词法环境、作用域链以及JIT编译器工作方式的理解。

现代JavaScript社区和语言规范已经明确地拒绝了with语句。通过拥抱解构赋值等现代特性，我们能够编写出更清晰、更健壮、性能更优的代码，这正是我们作为编程专家所追求的目标。虽然with语句在某些遗留代码中仍可能出现，但作为一名专业的开发者，我们应将其视为一个需要警惕的“反模式”，并积极地将其替换为更现代、更安全的编程范式。