JavaScript 中的 `eval` 与全局作用域污染：解释器如何处理不可静态化的动态变量查找

JavaScript的eval函数，一个臭名昭著的强大工具，允许开发者在运行时执行任意字符串形式的代码。它的灵活性令人惊叹，但也伴随着巨大的风险，其中最突出的便是全局作用域污染和对性能的潜在影响。深入理解eval如何与JavaScript的词法作用域机制交互，以及解释器如何处理其带来的不可静态化的动态变量查找，是每一位资深JavaScript开发者必须掌握的知识。

本讲座将带您深入eval的黑暗角落，揭示其工作原理、对作用域的破坏力，以及对JavaScript引擎优化能力的挑战。

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1. JavaScript作用域的基础：词法环境与作用域链

在探讨eval的复杂性之前，我们必须首先巩固对JavaScript作用域机制的理解。JavaScript采用的是词法作用域（Lexical Scope），这意味着变量的作用域在代码编写时就已经确定，而不是在代码执行时。

1.1 词法环境（Lexical Environment）

每个执行上下文（Execution Context），无论是全局上下文、函数上下文还是块级上下文（ES6引入let和const后），都关联着一个词法环境。词法环境是一个规范类型，用于定义标识符（变量、函数、参数）与变量实际值之间的映射关系。它由两部分组成：

1. 环境记录（Environment Record）：存储当前作用域中声明的变量和函数的实际绑定。
   • 声明式环境记录（Declarative Environment Record）：用于函数声明、变量声明（var、let、const）、参数。
   • 对象式环境记录（Object Environment Record）：用于全局上下文，它会将变量和函数声明作为属性添加到全局对象（如浏览器环境中的window）上。
2. 外部词法环境引用（Outer Lexical Environment Reference）：指向包含当前词法环境的外部词法环境。这正是作用域链的基础。

1.2 作用域链（Scope Chain）

当JavaScript引擎需要查找一个变量时，它会沿着当前执行上下文的词法环境的Outer Lexical Environment Reference向上查找，直到找到该变量的绑定或者到达全局环境。这个查找路径就构成了作用域链。

示例：

// 全局词法环境 (Global Lexical Environment)
var globalVar = "我是全局变量";

function outerFunction() { // outerFunction的词法环境
    var outerVar = "我是外部函数变量";

    function innerFunction() { // innerFunction的词法环境
        var innerVar = "我是内部函数变量";
        console.log(innerVar);  // 1. 在innerFunction中找到
        console.log(outerVar);  // 2. 向上查找，在outerFunction中找到
        console.log(globalVar); // 3. 继续向上查找，在全局中找到
        // console.log(nonExistentVar); // 4. 查到全局也找不到，报错 ReferenceError
    }

    innerFunction();
}

outerFunction();

在这个例子中，innerFunction的作用域链是：innerFunction的词法环境 -> outerFunction的词法环境 -> 全局词法环境。

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2. eval的本质：运行时代码执行

eval函数接收一个字符串作为参数，并将其解析和执行。关键在于，eval的执行环境是调用它的那个词法环境。这意味着它不像普通函数那样创建自己的独立词法作用域（除非在严格模式下或以间接方式调用）。

2.1 eval的基本行为

当eval在非严格模式下被直接调用时（即不是通过window.eval或new Function()等间接方式），它会共享并修改其所在上下文的词法环境。

示例：eval在全局作用域

// 全局作用域
var x = 10;
let y = 20;
const z = 30;

console.log("执行eval前:");
console.log("x:", typeof x !== 'undefined' ? x : '未定义'); // x: 10
console.log("y:", typeof y !== 'undefined' ? y : '未定义'); // y: 20
console.log("z:", typeof z !== 'undefined' ? z : '未定义'); // z: 30
console.log("a:", typeof a !== 'undefined' ? a : '未定义'); // a: 未定义 (尚未声明)
console.log("b:", typeof b !== 'undefined' ? b : '未定义'); // b: 未定义
console.log("c:", typeof c !== 'undefined' ? c : '未定义'); // c: 未定义

eval(`
    var a = 100; // 使用 var 声明
    let b = 200; // 使用 let 声明
    const c = 300; // 使用 const 声明
    x = 110;     // 修改现有全局变量 x
`);

console.log("n执行eval后:");
console.log("x:", typeof x !== 'undefined' ? x : '未定义'); // x: 110 (被修改)
console.log("y:", typeof y !== 'undefined' ? y : '未定义'); // y: 20 (未受影响)
console.log("z:", typeof z !== 'undefined' ? z : '未定义'); // z: 30 (未受影响)
console.log("a:", typeof a !== 'undefined' ? a : '未定义'); // a: 100 (通过 var 声明，污染全局)
// 注意：在浏览器环境中，通过 var 在全局作用域声明的变量会成为 window 对象的属性。
console.log("window.a:", typeof window.a !== 'undefined' ? window.a : '未定义'); // window.a: 100

// let 和 const 在全局作用域下声明的变量不会成为 window 对象的属性，
// 但它们仍然是全局词法环境的一部分。
console.log("b:", typeof b !== 'undefined' ? b : '未定义'); // b: 200
console.log("c:", typeof c !== 'undefined' ? c : '未定义'); // c: 300
// console.log("window.b:", typeof window.b !== 'undefined' ? window.b : '未定义'); // window.b: 未定义
// console.log("window.c:", typeof window.c !== 'undefined' ? window.c : '未定义'); // window.c: 未定义

从上面的例子可以看出：

• eval执行的var a = 100;直接在全局作用域中创建了变量a，并使其成为window对象的属性。这就是典型的全局作用域污染。
• eval执行的let b = 200;和const c = 300;也在全局作用域中创建了变量b和c。虽然它们不会成为window的属性，但它们确实在全局词法环境中引入了新的绑定，同样是全局作用域污染的一种形式。
• eval能够直接修改其所在作用域中已存在的变量，如x = 110;。

示例：eval在函数作用域

function myFunction() {
    var funcVar = "函数内部变量";
    let blockVar = "块级内部变量";

    console.log("eval前 funcVar:", funcVar); // 函数内部变量
    console.log("eval前 blockVar:", blockVar); // 块级内部变量
    console.log("eval前 newVar:", typeof newVar !== 'undefined' ? newVar : '未定义'); // 未定义

    eval(`
        var newVar = "由eval声明的变量"; // 使用 var 声明
        funcVar = "eval修改了funcVar"; // 修改函数作用域的变量
        // let blockVar2 = "eval声明的let变量"; // ⚠️ 注意：这行代码会创建其自己的块级作用域
        // blockVar = "eval修改了blockVar"; // ⚠️ 错误：let/const声明的变量不能在eval中直接修改
                                            // 除非 eval 内部也使用 let/const 声明同名变量，
                                            // 那样会创建新的局部变量，而不是修改外部的。
    `);

    console.log("eval后 funcVar:", funcVar); // eval修改了funcVar
    console.log("eval后 blockVar:", blockVar); // 块级内部变量 (未被修改)
    console.log("eval后 newVar:", newVar); // 由eval声明的变量

    // console.log("eval后 blockVar2:", blockVar2); // ReferenceError: blockVar2 is not defined
                                                  // 因为 let/const 在 eval 内部会创建自己的块级作用域
                                                  // 但 var newVar 会提升到 myFunction 的作用域
}

myFunction();
console.log("myFunction外部 newVar:", typeof newVar !== 'undefined' ? newVar : '未定义'); // 未定义
// 外部访问不到 myFunction 内部通过 eval var 声明的 newVar

// 进一步测试 let/const 在 eval 内部的行为
function anotherFunction() {
    let externalLet = "外部let";
    console.log("eval前 externalLet:", externalLet); // 外部let

    eval(`
        let externalLet = "eval内部的let"; // 这会创建一个新的 externalLet，而不是修改外部的
        console.log("eval内部的 externalLet:", externalLet); // eval内部的let
    `);

    console.log("eval后 externalLet:", externalLet); // 外部let (未被修改)
}
anotherFunction();

关键点总结：

• var声明： 在函数内部的eval中，使用var声明的变量会提升到eval所在的函数作用域中。
• let/const声明： 在任何地方的eval中，使用let/const声明的变量会创建eval自身内部的块级作用域，而不是污染其所在的外部函数作用域。这意味着它们不会覆盖外部的同名let/const变量，也不会在外部函数作用域中可见。
• 变量修改： eval可以直接修改其所在作用域中的var变量，也可以修改全局作用域中的let/const变量（如果eval本身在全局作用域）。但它无法修改其所在函数作用域中的let/const变量（因为它内部的let/const声明会创建新的局部绑定）。

2.2 全局作用域污染的直接与间接形式

污染类型	描述	eval执行上下文	var声明	let/const声明	现有变量修改
直接污染	在全局作用域通过eval引入新的全局变量。	全局	是	是	N/A
间接污染	在函数作用域通过eval引入新的var变量，这些变量提升到函数作用域，从而增加了函数的复杂性。	函数	是	否	N/A
副作用	eval修改了其所在作用域中已存在的变量。	全局/函数	N/A	N/A	是

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3. eval如何扭曲词法作用域：解释器的噩梦

理解eval对JavaScript引擎最大的挑战，需要我们回到词法作用域的核心：在代码编写时确定作用域。

3.1 静态分析与JIT优化

现代JavaScript引擎（如V8、SpiderMonkey）都包含复杂的即时编译器（Just-In-Time Compiler, JIT）。JIT编译器通过静态分析代码，在执行前尽可能地优化。这包括：

• 作用域链的预计算： 引擎在编译阶段就能确定每个函数或块的作用域链，知道在哪里查找变量。
• 变量的类型推断： 预测变量可能存储的数据类型，从而生成更高效的机器码。
• 内联（Inlining）： 将小函数的代码直接嵌入到调用点，减少函数调用开销。
• 死代码消除（Dead Code Elimination）： 移除永远不会执行的代码。

这些优化都依赖于一个前提：代码的结构和变量的绑定是静态的、可预测的。

3.2 eval的动态性：不可静态化的变量查找

eval的存在彻底打破了这一前提。当引擎遇到eval("...")时，它无法在编译时知道...中会包含什么代码。这个字符串可能：

1. 声明新的变量或函数： eval("var newVar = 1;")或eval("function dynamicFn(){}")
2. 修改现有变量： eval("existingVar = 'newValue';")
3. 引用外部变量： eval("console.log(outerVar);")
4. 执行任意复杂的逻辑。

因为eval可以在运行时修改其所在作用域的词法环境，引擎就无法在静态分析阶段确定完整的变量绑定和作用域链。

示例：eval带来的动态变量查找

function calculateSum(a, b) {
    var result = a + b;
    // 假设这里有一个复杂的逻辑，但其中混入了 eval
    if (Math.random() > 0.5) {
        eval("var dynamicVar = result * 2;"); // 动态引入新变量
    } else {
        eval("var dynamicVar = result / 2;");
    }

    // 引擎在编译 calculateSum 时，无法确定 dynamicVar 是否存在，以及它的值是什么类型。
    // 也无法确定 calculateSum 的词法环境是否会被 eval 改变。
    // 因此，对于 dynamicVar 的查找和 result 的类型，都无法进行充分的静态优化。

    // 如果没有 eval，引擎可以知道 result 是一个数字，dynamicVar 不存在。
    // 有了 eval，引擎必须在运行时进行动态查找和处理。
    console.log("dynamicVar:", typeof dynamicVar !== 'undefined' ? dynamicVar : '未定义');
    return result;
}

calculateSum(5, 7);

3.3 解释器如何处理不可静态化的动态变量查找

面对eval这种运行时修改作用域的能力，JavaScript引擎不得不采取保守策略，这导致了性能的下降：

1. 取消JIT优化（De-optimization）：

   • 当JIT编译器遇到eval时，它通常会放弃对包含eval的整个函数（或至少是包含eval的块）的优化。
   • 这意味着，原本可以编译成高效机器码的代码，现在可能不得不回退到更慢的解释器模式执行。
   • 即使没有直接使用eval，但如果一个函数引用了另一个可能被eval修改的变量，也可能导致优化被取消。
   • 更糟的是，如果eval在全局作用域被使用，它甚至可能影响到整个全局上下文的优化。

2. 动态作用域查找：

   • 对于eval内部声明的变量或修改的外部变量，引擎无法预先确定它们的位置。
   • 运行时，当遇到这些变量时，解释器需要执行一个完整的作用域链遍历来查找它们。这比静态确定的查找要慢得多。
   • 这就像图书馆的目录被动态修改，每次找书都得从头开始翻阅所有书架，而不是直接去指定位置。

3. 无法进行类型推断：

   • eval可以引入任何类型的数据，使得引擎无法对变量进行可靠的类型推断。这阻碍了基于类型优化的进一步可能。

表格：静态分析与eval对引擎优化的影响

特性/阶段	静态分析 (无eval)	eval存在时
作用域链	编译时确定并优化	运行时动态修改，需运行时查找
变量绑定	编译时确定	运行时动态创建/修改，不可预测
JIT优化	高度优化，生成高效机器码	频繁的去优化（De-optimization），回退到解释器模式
类型推断	较准确，利于生成类型特化代码	困难或不可能，导致通用且低效的代码
性能	卓越	显著下降
可预测性	高	低

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4. eval在严格模式下的行为

ES5引入的严格模式（Strict Mode）对eval的行为做出了重要改变，旨在限制其对作用域的破坏力。

在严格模式下，eval不再能够在其所在的局部作用域中声明新的变量或函数（通过var、function声明）。它会为自己创建一个独立的词法环境，所有通过var、let、const声明的变量都将绑定到这个eval的内部作用域中，而不会污染外部作用域。

"use strict"; // 开启严格模式

var strictGlobalVar = "严格模式下的全局变量";

function strictFunction() {
    var strictFuncVar = "严格模式下的函数变量";
    let strictBlockVar = "严格模式下的块级变量";

    console.log("eval前 strictFuncVar:", strictFuncVar); // 严格模式下的函数变量
    console.log("eval前 strictBlockVar:", strictBlockVar); // 严格模式下的块级变量
    console.log("eval前 newStrictVar:", typeof newStrictVar !== 'undefined' ? newStrictVar : '未定义'); // 未定义

    eval(`
        // 在严格模式的eval内部，var, let, const 都会创建局部于eval自身的绑定
        var newStrictVar = "eval内部的var变量";
        let anotherStrictLet = "eval内部的let变量";
        const anotherStrictConst = "eval内部的const变量";

        // 尝试修改外部变量 (仍然可以修改，因为是查找外部作用域的现有绑定)
        strictFuncVar = "eval修改了严格模式下的函数变量"; 
        strictGlobalVar = "eval修改了严格模式下的全局变量";

        console.log("eval内部 newStrictVar:", newStrictVar); // eval内部的var变量
        console.log("eval内部 anotherStrictLet:", anotherStrictLet); // eval内部的let变量
        console.log("eval内部 anotherStrictConst:", anotherStrictConst); // eval内部的const变量
    `);

    console.log("neval后:");
    console.log("strictFuncVar:", strictFuncVar); // eval修改了严格模式下的函数变量 (被修改)
    console.log("strictBlockVar:", strictBlockVar); // 严格模式下的块级变量 (未被修改，因为eval内部的let/const是独立的)

    // newStrictVar 在 eval 内部声明，不会污染外部函数作用域
    console.log("newStrictVar:", typeof newStrictVar !== 'undefined' ? newStrictVar : '未定义'); // 未定义
    // anotherStrictLet 和 anotherStrictConst 同样不会污染外部
    // console.log("anotherStrictLet:", anotherStrictLet); // ReferenceError
    // console.log("anotherStrictConst:", anotherStrictConst); // ReferenceError
}

strictFunction();
console.log("strictGlobalVar:", strictGlobalVar); // eval修改了严格模式下的全局变量 (被修改)

// 再次强调：严格模式下，eval 内部的 var 声明不会提升到外部函数作用域，
// 但在全局作用域下直接调用 eval 仍然会污染全局作用域（即创建全局变量）。
"use strict"; // 严格模式
eval("var globalVarInStrict = '我也会污染全局';");
console.log("globalVarInStrict:", globalVarInStrict); // 我也会污染全局

严格模式下eval的关键行为：

• 局部作用域隔离： 在函数内部，eval不再能通过var、let、const声明变量来污染其所在的函数作用域。它会创建一个临时的、独立的词法环境。
• 全局作用域污染不变： 如果eval在全局作用域中被调用，并且其中包含var、let、const声明，它仍然会污染全局作用域。严格模式对此无能为力。
• 修改现有变量： eval仍然可以查找并修改其所在作用域链中已存在的变量（无论这些变量是var、let还是const声明的）。

严格模式虽然限制了eval在局部作用域的破坏力，但并未完全消除其全局污染和性能影响。它仍然是一个强大的、需要警惕的工具。

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5. 间接eval：始终在全局作用域执行

除了直接调用eval，还有一些“间接”调用eval的方式。这些方式的共同特点是：它们总是在全局作用域中执行其代码，无论eval函数本身是在哪里被调用的。

常见的间接eval调用方式包括：

1. 通过全局对象调用： window.eval(...) (在浏览器中) 或 global.eval(...) (在Node.js中)。
2. 使用逗号操作符： (0, eval)('...')。逗号操作符会确保eval函数的引用不再绑定到其原始的this上下文，从而使其行为类似于全局函数调用。

var indirectGlobalVar = "外部全局变量";

function indirectEvalTest() {
    var indirectFuncVar = "函数内部变量";
    console.log("间接eval前 indirectFuncVar:", indirectFuncVar); // 函数内部变量
    console.log("间接eval前 newIndirectVar:", typeof newIndirectVar !== 'undefined' ? newIndirectVar : '未定义'); // 未定义

    // 方式1: 通过 window.eval 调用
    window.eval(`
        var newIndirectVar = "由 window.eval 声明的变量";
        indirectGlobalVar = "window.eval 修改了全局变量";
        // indirectFuncVar = "window.eval 尝试修改函数变量"; // ⚠️ 错误：ReferenceError
                                                            // 因为 window.eval 在全局作用域执行，无法访问函数局部变量
    `);

    // 方式2: 通过 (0, eval) 调用
    // (0, eval)(`
    //     var anotherNewIndirectVar = "由 (0, eval) 声明的变量";
    //     indirectGlobalVar = "(0, eval) 修改了全局变量";
    // `);

    console.log("n间接eval后:");
    console.log("indirectFuncVar:", indirectFuncVar); // 函数内部变量 (未被修改)
    // newIndirectVar 在全局作用域声明，函数内部无法直接访问
    // console.log("newIndirectVar:", newIndirectVar); // ReferenceError
}

indirectEvalTest();

console.log("indirectGlobalVar:", indirectGlobalVar); // window.eval 修改了全局变量 (被修改)
console.log("newIndirectVar:", typeof newIndirectVar !== 'undefined' ? newIndirectVar : '未定义'); // 由 window.eval 声明的变量 (全局可见)
// console.log("anotherNewIndirectVar:", typeof anotherNewIndirectVar !== 'undefined' ? anotherNewIndirectVar : '未定义'); // 由 (0, eval) 声明的变量 (全局可见)

间接eval的特点：

• 始终在全局作用域执行： 无论在哪里调用，代码都会在全局上下文执行。
• 无法访问局部变量： 由于在全局作用域执行，它无法访问调用它的函数所定义的局部变量。
• 污染全局作用域： 任何通过var、let、const声明的变量都会污染全局作用域。
• 性能影响： 同样会带来解释器去优化和动态查找的问题，但由于它只在全局作用域操作，其影响范围可能略有不同。

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6. 避免eval：替代方案与最佳实践

鉴于eval带来的安全风险、性能问题和调试困难，几乎在所有情况下都应该避免使用它。幸运的是，JavaScript提供了许多安全且高效的替代方案。

6.1 替代方案

1. JSON.parse() 用于数据解析：
   如果你需要解析一个JSON格式的字符串，请使用JSON.parse()。它比eval更安全、更高效，因为它只解析JSON，不会执行任意代码。

   const jsonString = '{"name": "Alice", "age": 30}';
   const data = JSON.parse(jsonString);
   console.log(data.name); // Alice
   // eval(`var data = ${jsonString};`); // 极度不安全！

2. new Function() 用于动态函数：
   如果你需要动态地创建函数，new Function()构造函数是一个比eval更安全的选择。它创建的函数总是在全局作用域中执行，这意味着它无法访问其创建时所在的局部作用域，从而避免了局部作用域污染。

   function createDynamicMultiplier(factor) {
       // new Function 接受参数字符串和函数体字符串
       // 它创建的函数总是运行在全局作用域，无法访问 factor 局部变量
       const dynamicFunc = new Function('a', 'b', `
           // console.log("factor:", factor); // ReferenceError: factor is not defined
           return a * b * ${factor}; 
       `);
       return dynamicFunc;
   }
   
   const multiplyBy10 = createDynamicMultiplier(10);
   console.log(multiplyBy10(2, 3)); // 60 (2 * 3 * 10)
   
   // 对比 eval：
   // function createDynamicMultiplierWithEval(factor) {
   //     // eval 会污染当前作用域，且性能差
   //     eval(`var dynamicFuncEval = function(a, b) { return a * b * ${factor}; };`);
   //     return dynamicFuncEval;
   // }
   // const multiplyBy10Eval = createDynamicMultiplierWithEval(10);
   // console.log(multiplyBy10Eval(2, 3));
   // console.log(typeof dynamicFuncEval); // function (污染了 createDynamicMultiplierWithEval 所在的外部作用域)

3. 方括号表示法用于动态属性访问：
   如果你需要动态地访问对象的属性，而不是执行代码，使用方括号表示法即可。

   const obj = {
       name: "Bob",
       age: 25
   };
   const propName = "name";
   console.log(obj[propName]); // Bob
   // eval(`console.log(obj.${propName});`); // 不必要且危险

4. 模板字符串：
   对于简单的字符串拼接或包含表达式的字符串，模板字符串提供了清晰且安全的方式。

   const user = "Charlie";
   const greeting = `Hello, ${user}!`;
   console.log(greeting); // Hello, Charlie!
   // eval(`var greeting = "Hello, " + user + "!";`); // 没必要

5. 映射（Map）或对象（Object）用于动态逻辑选择：
   如果你需要根据字符串输入来执行不同的代码分支，可以创建一个映射，将字符串键映射到函数或值。

   const actions = {
       'add': (a, b) => a + b,
       'subtract': (a, b) => a - b,
       'multiply': (a, b) => a * b
   };
   
   const operation = 'add';
   if (actions[operation]) {
       console.log(actions[operation](5, 3)); // 8
   } else {
       console.log("未知操作");
   }
   // eval(`var result = ${operation}(5, 3);`); // 极其危险，易受注入攻击

6. WebAssembly 或其他编译到JS的语言：
   对于高性能或需要执行外部代码的场景，WebAssembly提供了一个沙箱环境，比eval安全得多。或者，使用TypeScript、CoffeeScript等语言，它们在编译时生成JavaScript代码。

6.2 最佳实践

• 永远不要在用户输入上直接使用eval。 这是最常见的安全漏洞（跨站脚本攻击 XSS）来源。恶意用户可以通过注入代码来窃取数据、劫持会话或进行其他恶意操作。
• 优先考虑明确的API和结构化数据。 如果有明确的API可以实现相同功能，或者数据可以通过JSON等结构化格式传输，就不要使用eval。
• 如果实在无法避免（例如构建编译器、沙盒环境等极端情况），请务必在严格受控的环境下使用。 这通常意味着代码来源是完全可信的，并且经过了严格的验证和沙箱隔离。在这些情况下，通常会使用new Function()而不是eval，因为它提供了更好的作用域隔离。
• 代码可读性和可维护性： 使用eval的代码难以阅读、理解和调试。它隐藏了执行流程，使得静态分析工具（如ESLint）难以发挥作用。

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7. 总结

eval是JavaScript提供的一个强大但危险的工具。它能够动态执行代码并修改其所在的作用域，从而导致全局作用域污染、难以预测的变量查找行为，并严重阻碍JavaScript引擎的JIT优化，导致性能下降。在严格模式下，eval在局部作用域的行为有所限制，但其全局污染和性能问题依然存在。间接调用eval（如window.eval）则始终在全局作用域执行。鉴于其潜在的安全漏洞和性能开销，现代JavaScript开发应尽可能避免使用eval，转而采用JSON.parse()、new Function()、动态属性访问等更安全、更高效的替代方案。理解eval的工作原理及其对解释器动态变量查找的挑战，是编写健壮、高性能JavaScript代码的关键一步。