JS `ShadowRealm` (提案)：独立运行环境与异步通信

各位朋友们，晚上好！ 今天咱们聊点新鲜玩意儿，一个还在提案阶段，但已经引起不少关注的东西——JavaScript 的 ShadowRealm。 别看名字挺唬人，什么“影子领域”，其实它就是一个独立的 JavaScript 运行环境，让你可以在里面跑代码，而不用担心污染或被污染你的主环境。 想象一下，你写了一个插件，或者引入了一个第三方库，结果它把你的全局变量给改了，或者偷偷摸摸地往 Array.prototype 上加了个方法，这简直让人崩溃！ ShadowRealm 就是来解决这个问题的。

一、ShadowRealm 是什么？

简单来说，ShadowRealm 提供了一个隔离的 JavaScript 执行上下文。 它可以加载模块、创建全局对象，并且与主 Realm（也就是你的主 JavaScript 环境）共享一些基础对象，比如 Array、Object、String 等构造函数。 但是，每个 ShadowRealm 拥有自己独立的全局对象 (如 globalThis) 和模块注册表。 这意味着在一个 ShadowRealm 里定义一个变量，不会影响到主 Realm，反之亦然。

二、为什么我们需要 ShadowRealm？

• 模块隔离: 避免第三方库污染全局作用域。
• 安全沙箱: 运行不可信的代码，防止恶意脚本影响主应用。
• 并发计算: 在不同的 ShadowRealm 中运行耗时任务，避免阻塞主线程 (虽然 ShadowRealm 本身是同步的，但结合 Web Workers 可以实现并发)。
• 版本隔离: 加载不同版本的依赖，解决版本冲突问题。

三、ShadowRealm 的基本用法

1. 创建 ShadowRealm 实例:

   const realm = new ShadowRealm();

   这会创建一个新的、空的 ShadowRealm。

2. evaluate(code): 在 ShadowRealm 中执行代码

   const result = realm.evaluate("2 + 2");
   console.log(result); // 输出: 4

   evaluate() 方法接收一个字符串形式的 JavaScript 代码，并在 ShadowRealm 中执行它。 返回值是代码执行的结果。 重要的是，evaluate 内部的代码无法直接访问外部 Realm 的变量。

   let outsideVariable = 10;
   const realm = new ShadowRealm();
   
   // 尝试访问外部变量，会抛出 ReferenceError
   try {
     realm.evaluate("console.log(outsideVariable)");
   } catch (e) {
     console.error(e); // ReferenceError: outsideVariable is not defined
   }

3. importValue(specifier, bindingName): 从 ShadowRealm 导入值

   这可能是 ShadowRealm 最强大的功能之一。 它允许你从 ShadowRealm 中导入模块的特定绑定 (变量、函数、类等)。

   首先，我们需要在 ShadowRealm 中加载一个模块。 这通常通过 evaluate 来完成，并且需要一个模块加载器。 一个简单的模块加载器示例如下 (后面会详细讨论模块加载器):

   const realm = new ShadowRealm();
   // 一个简单的模块加载器
   const moduleLoader = `
     globalThis.moduleCache = {};
     globalThis.import = async function(specifier) {
       if (globalThis.moduleCache[specifier]) {
         return globalThis.moduleCache[specifier];
       }
   
       // 模拟从 URL 获取模块代码
       const moduleCode = await fetchModuleCode(specifier); // 替换为你的模块获取逻辑
   
       // 使用 Function 构造器安全地执行模块代码，并导出模块的导出对象
       const module = { exports: {} };
       const moduleFunction = new Function('module', 'exports', moduleCode);
       moduleFunction(module, module.exports);
   
       globalThis.moduleCache[specifier] = module.exports;
       return module.exports;
     };
   
     async function fetchModuleCode(specifier) {
         // 这里需要替换成你自己的模块获取逻辑
         // 可以通过 fetch 从 URL 获取，也可以直接返回字符串
         // 为了演示方便，我们直接返回一个简单的模块字符串
         if (specifier === 'my-module') {
             return `
                 module.exports = {
                     message: 'Hello from ShadowRealm!',
                     add: (a, b) => a + b
                 };
             `;
         } else {
             throw new Error(`Module not found: ${specifier}`);
         }
     }
   `;
   
   await realm.evaluate(moduleLoader); // 加载模块加载器

   然后，加载模块并导出值：

   await realm.evaluate(`
     import('my-module').then(module => {
       globalThis.myModule = module; // 将模块存储在全局对象中，方便后续导入
     });
   `);

   最后，从 ShadowRealm 导入值:

   const message = await realm.importValue("my-module", "message");
   console.log(message); // 输出: Hello from ShadowRealm!
   
   const addFunction = await realm.importValue("my-module", "add");
   const sum = addFunction(5, 3);
   console.log(sum); // 输出: 8

   importValue() 方法接收两个参数：

   • specifier: 模块标识符 (字符串)。
   • bindingName: 要导入的绑定名称 (字符串)。

   它返回一个 Promise，resolve 的值是导入的绑定。

四、模块加载器

ShadowRealm 本身不提供内置的模块加载机制。 你需要自己提供一个模块加载器，通常通过 evaluate 方法注入到 ShadowRealm 中。 上面的例子就是一个简单的模块加载器。

一个更完整的模块加载器可能需要处理以下问题：

• 模块缓存: 避免重复加载同一个模块。
• 模块解析: 将模块标识符解析为实际的 URL 或文件路径。
• 模块获取: 从 URL 或文件系统中获取模块代码。
• 依赖解析: 解析模块的依赖关系，并递归加载依赖模块。
• 错误处理: 处理模块加载过程中出现的错误。

五、ShadowRealm 与 Web Workers

ShadowRealm 本身是同步的。 这意味着在一个 ShadowRealm 中执行耗时任务仍然会阻塞主线程。 为了实现真正的并发，你可以结合 Web Workers 使用 ShadowRealm。

基本思路是：

1. 在 Web Worker 中创建一个 ShadowRealm。
2. 将耗时任务的代码发送给 Web Worker。
3. Web Worker 在 ShadowRealm 中执行任务。
4. Web Worker 将结果发送回主线程。

这样，耗时任务的执行就不会阻塞主线程。

六、ShadowRealm 的局限性

• 同步性: ShadowRealm 本身是同步的，需要结合 Web Workers 才能实现并发。
• 模块加载器: 需要自己提供模块加载器。
• 提案阶段: ShadowRealm 仍然是提案阶段，API 可能会发生变化。
• 性能开销: 创建和管理 ShadowRealm 会有一定的性能开销。
• 无法访问 DOM: ShadowRealm 无法直接访问 DOM，因为它没有关联的 document 对象。 需要通过消息传递与主 Realm 进行交互。

七、ShadowRealm 的使用场景示例

1. 运行用户提交的代码:

   假设你正在开发一个在线代码编辑器，允许用户提交 JavaScript 代码并执行。 为了防止用户提交的恶意代码破坏你的应用，你可以将代码放在 ShadowRealm 中运行。

   async function runUserCode(code) {
     const realm = new ShadowRealm();
     try {
       const result = await realm.evaluate(code);
       return result;
     } catch (error) {
       console.error("User code error:", error);
       return "Error: " + error.message;
     }
   }
   
   // 示例：运行用户提交的代码
   const userCode = `
     // 模拟一个可能出错的代码
     throw new Error("Oops!");
   `;
   
   runUserCode(userCode)
     .then(result => {
       console.log("User code result:", result);
     });

2. 加载不同版本的依赖:

   假设你的应用依赖于两个库，A 和 B。 A 依赖于 Lodash v3，而 B 依赖于 Lodash v4。 为了解决版本冲突，你可以使用 ShadowRealm 将 A 和 B 运行在不同的环境中。

   // 假设有两个模块加载器，分别加载不同版本的 Lodash
   const lodashV3Loader = `
     globalThis.import = async function(specifier) {
       if (specifier === 'lodash') {
         // 模拟加载 Lodash v3
         return {
           map: (array, fn) => array.map(fn), // 简化版的 Lodash v3 map
           version: '3.0.0'
         };
       }
       throw new Error('Module not found: ' + specifier);
     };
   `;
   
   const lodashV4Loader = `
     globalThis.import = async function(specifier) {
       if (specifier === 'lodash') {
         // 模拟加载 Lodash v4
         return {
           map: (array, fn) => array.map(fn), // 简化版的 Lodash v4 map
           version: '4.0.0'
         };
       }
       throw new Error('Module not found: ' + specifier);
     };
   `;
   
   // 创建两个 ShadowRealm
   const realmA = new ShadowRealm();
   const realmB = new ShadowRealm();
   
   // 加载不同版本的 Lodash
   await realmA.evaluate(lodashV3Loader);
   await realmB.evaluate(lodashV4Loader);
   
   // 在 realmA 中使用 Lodash v3
   const lodashA = await realmA.importValue('lodash', 'version');
   console.log('Lodash version in realmA:', lodashA); // 输出: Lodash version in realmA: 3.0.0
   
   // 在 realmB 中使用 Lodash v4
   const lodashB = await realmB.importValue('lodash', 'version');
   console.log('Lodash version in realmB:', lodashB); // 输出: Lodash version in realmB: 4.0.0

八、异步通信

ShadowRealm 之间的通信，或者 ShadowRealm 与主 Realm 之间的通信，通常需要借助消息传递机制，例如 postMessage。 由于 ShadowRealm 无法直接访问 DOM，因此通常会通过 Web Workers 作为桥梁。

一个简单的例子：

// 主线程 (main.js)
const worker = new Worker('worker.js');

worker.onmessage = (event) => {
  console.log('Main thread received:', event.data);
};

worker.postMessage({ type: 'runInShadowRealm', code: '2 + 2' });

// Web Worker (worker.js)
self.onmessage = async (event) => {
  if (event.data.type === 'runInShadowRealm') {
    const realm = new ShadowRealm();
    const result = await realm.evaluate(event.data.code);
    self.postMessage(result);
  }
};

在这个例子中，主线程将一段代码发送给 Web Worker。 Web Worker 在 ShadowRealm 中执行这段代码，并将结果发送回主线程。

九、总结

ShadowRealm 是一个非常有潜力的提案，它可以为 JavaScript 提供更强的隔离性和安全性。 虽然它还处于提案阶段，并且有一些局限性，但它已经引起了广泛的关注，并有望在未来成为 JavaScript 开发的重要组成部分。

表格总结

特性	描述
隔离性	提供独立的 JavaScript 运行环境，防止代码污染主环境。
安全性	运行不可信的代码，防止恶意脚本影响主应用。
并发性	可以结合 Web Workers 实现并发计算。
模块加载	需要自定义模块加载器。
异步通信	需要通过消息传递机制进行通信。
局限性	同步性、模块加载器、提案阶段、性能开销、无法访问 DOM。
主要API	new ShadowRealm(), evaluate(code), importValue(specifier, bindingName)

希望今天的分享对大家有所帮助！ ShadowRealm 还在发展中，让我们一起期待它在未来的表现吧！ 谢谢大家！