JavaScript内核与高级编程之：`JavaScript` 的 `Private Fields`：其在 `JavaScript` 引擎中的实现与编译过程。 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

各位观众老爷们，大家好！我是今天的主讲人，很高兴和大家一起聊聊JavaScript中一个略带神秘色彩，但又极其重要的特性——Private Fields（私有字段）。

今天咱们要扒一扒它的底裤，看看它在JavaScript引擎里是怎么实现的，以及在编译过程中都经历了些什么。

开场白：为什么要搞私有字段？

在JavaScript的世界里，一切都显得那么自由奔放。对象属性可以随意访问和修改，这固然带来了灵活性，但也埋下了隐患。设想一下，你辛辛苦苦封装了一个组件，结果别人随意修改了内部状态，导致程序崩溃，那画面太美我不敢看。

于是，为了解决这个问题，ECMAScript标准引入了Private Fields，让我们可以真正地隐藏对象的内部状态，防止外部世界的恶意窥探和修改。

第一部分：Private Fields 的基本用法

Private Fields 使用 # 前缀来声明，只能在声明它的类内部访问。让我们来看几个简单的例子：

class Counter {
  #count = 0; // 私有字段

  increment() {
    this.#count++;
  }

  getCount() {
    return this.#count;
  }
}

const counter = new Counter();
counter.increment();
console.log(counter.getCount()); // 输出 1

// 尝试直接访问私有字段，会报错
// console.log(counter.#count); // SyntaxError: Private field '#count' must be declared in an enclosing class

在这个例子中，#count 是一个私有字段，只能在 Counter 类内部通过 this.#count 访问。如果在类外部尝试访问，就会抛出 SyntaxError。

再来一个稍微复杂点的例子，展示 Private Fields 和 Public Fields 的区别：

class Person {
  name; // 公有字段
  #age; // 私有字段

  constructor(name, age) {
    this.name = name;
    this.#age = age;
  }

  getAge() {
    return this.#age;
  }

  setAge(newAge) {
    if (newAge > 0 && newAge < 150) {
      this.#age = newAge;
    } else {
      console.warn("Invalid age!");
    }
  }
}

const person = new Person("Alice", 30);
console.log(person.name); // 输出 "Alice"
// console.log(person.#age); // SyntaxError: Private field '#age' must be declared in an enclosing class
person.setAge(35);
console.log(person.getAge()); // 输出 35
person.setAge(-5); // 输出 "Invalid age!"

在这个例子中，name 是公有字段，可以随意访问，而 #age 是私有字段，只能通过 getAge 和 setAge 方法间接访问和修改。

第二部分：Private Fields 在 JavaScript 引擎中的实现

现在进入正题，咱们来聊聊 Private Fields 在 JavaScript 引擎中的实现。这部分内容相对底层，需要一些编译原理和虚拟机相关的知识。

一般来说，JavaScript 引擎不会简单地把 #count 替换成一个普通的属性名，然后用某种访问控制机制来限制访问。这样做效率太低，而且容易被绕过。

常见的实现方式是使用 WeakMap。每个类实例都会关联一个 WeakMap，用于存储该实例的私有字段。

具体来说，引擎会做以下几件事：

在类定义阶段，为每个私有字段生成一个唯一的 key（通常是一个 Symbol）。
在构造函数中，为每个实例创建一个 WeakMap，并将私有字段的 key 和值存储到 WeakMap 中。
在访问私有字段时，使用该 key 从 WeakMap 中查找对应的值。

让我们用伪代码来模拟一下这个过程：

// 伪代码，仅用于演示原理

class Counter {
  #count; // 私有字段

  constructor() {
    // 1. 为每个实例创建一个 WeakMap
    this.__privateFields = new WeakMap();

    // 2. 为 #count 生成一个唯一的 key (Symbol)
    const countKey = Symbol("#count");
    this.#count = countKey; // 这里只是为了方便演示，实际实现不会这么写

    // 3. 将私有字段的值存储到 WeakMap 中
    this.__privateFields.set(this.#count, 0);
  }

  increment() {
    // 4. 使用 key 从 WeakMap 中查找对应的值
    let count = this.__privateFields.get(this.#count);
    count++;
    this.__privateFields.set(this.#count, count);
  }

  getCount() {
    return this.__privateFields.get(this.#count);
  }
}

const counter = new Counter();
counter.increment();
console.log(counter.getCount()); // 输出 1

这个伪代码只是为了帮助理解，实际的实现会更加复杂和高效。

使用 WeakMap 的好处是：

安全性高： 外部无法直接访问 WeakMap，也无法伪造 key。
内存管理友好： 当实例被垃圾回收时，WeakMap 也会被自动回收，避免内存泄漏。
性能较好： WeakMap 的查找效率相对较高。

第三部分：Private Fields 的编译过程

接下来，咱们来聊聊 Private Fields 在编译过程中都经历了些什么。JavaScript 代码通常需要经过解析、编译和执行三个阶段。

在编译阶段，编译器会将 Private Fields 转换成引擎可以理解的形式。这个过程涉及到语法分析、语义分析和代码生成。

语法分析： 编译器会检查代码的语法是否正确，例如 #count 是否在类内部使用。如果语法错误，编译器会报错。
语义分析： 编译器会分析代码的含义，例如 #count 是否在同一个类中多次声明。如果语义错误，编译器也会报错。
代码生成： 编译器会将 Private Fields 转换成 WeakMap 相关的代码。这部分代码会将私有字段的 key 和值存储到 WeakMap 中，并在访问时从 WeakMap 中查找对应的值。

让我们用一个简单的例子来演示一下编译过程：

class MyClass {
  #privateField = 10;

  getValue() {
    return this.#privateField;
  }
}

经过编译后，这段代码可能会变成这样（这仍然是伪代码，仅用于演示）：

class MyClass {
  constructor() {
    this.__privateFields = new WeakMap();
    const privateFieldKey = Symbol("#privateField");
    this.__privateFields.set(privateFieldKey, 10);
    this["#privateField"] = privateFieldKey; // 编译后的代码会使用一个内部属性来存储key
  }

  getValue() {
    return this.__privateFields.get(this["#privateField"]);
  }
}

注意，这只是一个简化的例子，实际的编译过程会更加复杂，涉及到更多的优化和细节。

第四部分：Private Fields 的局限性和注意事项

Private Fields 虽然强大，但也存在一些局限性和注意事项。

只能在类内部访问： 这是 Private Fields 最主要的特点，也是它的优点和缺点。优点是安全性高，缺点是灵活性低。
不能被继承： 子类无法访问父类的私有字段。如果需要在父类和子类之间共享状态，可以考虑使用 protected fields（目前还在提案阶段）。
不能动态添加： Private Fields 必须在类定义时声明，不能在运行时动态添加。
性能影响： 访问 Private Fields 的性能可能会比访问 Public Fields 略低，因为需要进行 WeakMap 查找。

在使用 Private Fields 时，需要注意以下几点：

不要滥用： 只有真正需要隐藏的状态才应该使用 Private Fields。
合理设计 API： 通过 Public Methods 暴露必要的功能，避免过度暴露内部状态。
考虑性能影响： 在性能敏感的场景下，需要仔细评估 Private Fields 的性能影响。

第五部分：Private Fields 的应用场景

Private Fields 在很多场景下都非常有用。

封装组件： 可以隐藏组件的内部状态，防止外部修改。
实现数据结构： 可以保护数据结构的内部数据，防止外部破坏。
控制访问权限： 可以限制对某些属性的访问，例如只允许读取，不允许修改。
避免命名冲突： 可以避免与外部代码中的命名冲突。

例如，我们可以使用 Private Fields 来实现一个安全的栈数据结构：

class Stack {
  #items = []; // 使用私有字段存储栈中的元素

  push(item) {
    this.#items.push(item);
  }

  pop() {
    if (this.#items.length === 0) {
      return undefined;
    }
    return this.#items.pop();
  }

  peek() {
    if (this.#items.length === 0) {
      return undefined;
    }
    return this.#items[this.#items.length - 1];
  }

  getSize() {
    return this.#items.length;
  }

  isEmpty() {
    return this.#items.length === 0;
  }
}

const stack = new Stack();
stack.push(1);
stack.push(2);
console.log(stack.pop()); // 输出 2
console.log(stack.getSize()); // 输出 1
// console.log(stack.#items); // SyntaxError: Private field '#items' must be declared in an enclosing class

在这个例子中，#items 是一个私有字段，外部无法直接访问，从而保证了栈数据结构的安全性。

第六部分：Private Fields 和其他访问控制机制的比较

在 JavaScript 中，还有一些其他的访问控制机制，例如闭包和约定。让我们来比较一下它们和 Private Fields 的区别。

特性	Private Fields	闭包	约定（例如 `_` 前缀）
强制性	强制	强制	弱
语法支持	原生	需要技巧	无
性能	较好	可能有影响	无
可读性	较好	较差	一般
安全性	高	较高	低
适用场景	需要强封装	各种场景	轻量级提示

闭包： 闭包可以实现类似 Private Fields 的效果，但需要更多的技巧，而且可能会影响性能。
约定： 约定是一种君子协定，靠自觉遵守，没有强制性，安全性较低。

Private Fields 是最安全、最简洁、最易读的访问控制机制。

总结：

Private Fields 是 JavaScript 中一个非常重要的特性，它可以帮助我们更好地封装组件、保护数据结构、控制访问权限。虽然它存在一些局限性和注意事项，但在很多场景下都非常有用。希望通过今天的讲解，大家对 Private Fields 有了更深入的了解。

好了，今天的讲座就到这里，谢谢大家！如果大家还有什么问题，欢迎提问。

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