JavaScript 动态作用域（`with`）：词法环境的运行时修改与性能损失

各位编程领域的同仁，下午好！

今天，我们将深入探讨JavaScript语言中一个既古老又充满争议的特性：with 语句。这个特性是JavaScript早期设计的一部分，它提供了一种看似便捷的语法糖，但其背后隐藏着对JavaScript核心作用域机制的挑战，并带来了显著的性能损失。我们将从词法作用域的基础讲起，逐步剖析 with 如何在运行时修改词法环境，以及这种修改对现代JavaScript引擎优化所造成的深远影响。

JavaScript 的词法作用域：基石与可预测性

在深入 with 语句之前，我们必须首先牢固理解JavaScript的作用域机制。JavaScript，与大多数现代编程语言一样，采用的是词法作用域（Lexical Scope），有时也称为静态作用域（Static Scope）。这意味着变量的查找规则，或者说一个变量引用指向哪个变量定义，是在代码编写时（即词法分析阶段）就已经确定了的，与函数是如何被调用或者从哪里被调用无关。

我们来看一个简单的例子：

function outer() {
    let a = 10;

    function inner() {
        let b = 20;
        console.log(a + b); // 这里的 'a' 在哪里被定义？
    }

    return inner;
}

const myInner = outer();
myInner(); // 输出 30

在这个例子中，inner 函数内部引用了变量 a。根据词法作用域规则，inner 函数在定义时，它的作用域链就包含了 outer 函数的作用域。因此，当 inner 被调用时，即使它是在 outer 外部被调用，它依然能够访问到 outer 函数中定义的 a。a 的查找路径是明确的：首先在 inner 自身作用域查找，未找到；然后向上层作用域（outer 的作用域）查找，找到 a。这种查找是静态的、可预测的。

词法作用域带来了诸多好处：

1. 可预测性： 代码的含义在阅读时就能明确，无需考虑运行时复杂的调用栈。
2. 易于推理： 开发者可以更容易地推断变量的来源和值。
3. 便于工具链分析： 静态分析工具（如ESLint）、IDE（代码补全、错误检查）可以准确地识别变量引用。
4. 性能优化： 现代JavaScript引擎（如V8、SpiderMonkey）可以基于词法作用域进行大量的静态优化，例如内联、消除死代码、以及最关键的——变量查找路径的预计算。

动态作用域的简要对比

与词法作用域相对的是动态作用域（Dynamic Scope）。在动态作用域的语言中，变量的查找不是基于代码的词法结构，而是基于函数的运行时调用栈。这意味着一个变量的含义可能会根据调用它的上下文而改变。

考虑一个动态作用域的伪代码：

function printVar() {
    // 假设这是一个动态作用域的语言
    // 'x' 的值将取决于调用 printVar() 时，哪个作用域包含一个名为 'x' 的变量
    print(x);
}

function funcA() {
    let x = 10;
    printVar(); // 这里的 x 会是 10
}

function funcB() {
    let x = 20;
    printVar(); // 这里的 x 会是 20
}

funcA();
funcB();

在动态作用域中，printVar 内部的 x 会在运行时沿着调用栈向上查找。如果 printVar 是由 funcA 调用的，那么 x 就会是 funcA 中的 x (10)。如果是由 funcB 调用的，x 就会是 funcB 中的 x (20)。这种行为虽然在某些场景下提供了灵活性，但极大地降低了代码的可读性和可预测性，也使得静态分析和优化变得异常困难。

with 语句：JavaScript 中的伪动态作用域

现在，我们将焦点转向JavaScript的 with 语句。with 语句的初衷是为了提供一个便捷的方式来访问一个对象的属性，避免重复书写对象名。它的语法如下：

with (expression) {
    statement
}

expression 会被求值，其结果是一个对象。在 statement 块内部，任何未被声明的变量引用都会首先被视为 expression 对象的一个属性。如果该属性存在，则直接访问它；否则，变量查找会继续沿着正常的作用域链向上进行。

让我们看一个例子：

const user = {
    firstName: "John",
    lastName: "Doe",
    age: 30
};

function displayUser() {
    // 没有使用 with
    console.log(`Name: ${user.firstName} ${user.lastName}, Age: ${user.age}`);
}

function displayUserWithWith() {
    with (user) {
        // 在 with 块内部，firstName, lastName, age 被视为 user 对象的属性
        console.log(`Name: ${firstName} ${lastName}, Age: ${age}`);
    }
}

displayUser();         // 输出: Name: John Doe, Age: 30
displayUserWithWith(); // 输出: Name: John Doe, Age: 30

乍一看，with 似乎简化了代码，减少了 user. 的重复书写。然而，这种“简化”是以牺牲可预测性为代价的，因为它在运行时修改了词法环境。

with 的工作原理：运行时作用域链的修改

要理解 with 语句的危害，我们需要深入了解JavaScript的执行上下文（Execution Context）和作用域链（Scope Chain）。

当JavaScript代码执行时，会创建一个执行上下文。每个执行上下文都有一个与之关联的词法环境（Lexical Environment）。词法环境由两部分组成：

1. 环境记录（Environment Record）： 存储当前作用域内声明的变量、函数、参数等。
2. 外部词法环境引用（Outer Lexical Environment Reference）： 指向外部（父级）词法环境的引用，构成了作用域链。

当查找一个变量时，JavaScript引擎会首先检查当前环境记录。如果找不到，它会沿着外部词法环境引用向上查找，直到找到变量或到达全局环境。

with 语句的巧妙之处（也是其问题所在）在于，它在运行时会在当前作用域链的最前端临时插入一个全新的环境记录。这个环境记录是一个特殊的 ObjectEnvironmentRecord，它将 with 语句中提供的对象的所有属性都映射为当前作用域中的变量。

让我们用一个图示（文字描述）来理解这个过程：

正常作用域链：

当前函数作用域 -> 父级作用域 -> ... -> 全局作用域
(环境记录A)       (环境记录B)        (环境记录G)

进入 with (obj) 块后的作用域链：

obj 的属性映射 (ObjectEnvironmentRecord) -> 当前函数作用域 -> 父级作用域 -> ... -> 全局作用域
(环境记录 W)                               (环境记录A)       (环境记录B)        (环境记录G)

当 with 块内部发生变量查找时，查找顺序变成了：

1. 首先检查 ObjectEnvironmentRecord W： 查找 obj 对象是否具有对应名称的属性。
2. 如果找到： 直接使用 obj 对象的属性值。
3. 如果未找到： 继续向上检查 环境记录A (当前函数作用域)。
4. 如果找到： 使用当前函数作用域中的变量。
5. 如果未找到： 继续向上检查 环境记录B (父级作用域)，依此类推。

这个机制看起来似乎合理，但它引入了运行时不确定性。

考虑以下代码：

let x = 1;
const obj = { y: 2 };

function someFunction() {
    let x = 10; // 函数内部声明的 x
    let z = 30;

    with (obj) {
        // 这里的 x 到底是什么？
        console.log(x); // 是 obj.x 还是 someFunction 的 x？
        console.log(y); // 肯定是 obj.y
        console.log(z); // 肯定是 someFunction 的 z
        // console.log(nonExistentVar); // 如果 obj 和所有上层作用域都没有，会报错 ReferenceError
    }
}

someFunction();

• 当 with (obj) 块执行时，obj ( {y: 2} ) 的属性被临时添加到作用域链的最前端。
• console.log(x)：
  • 首先查找 obj 对象。obj 没有 x 属性。
  • 继续向上查找 someFunction 的作用域。someFunction 有一个 x (值为10)。
  • 所以，输出 10。
• console.log(y)：
  • 首先查找 obj 对象。obj 有 y 属性 (值为2)。
  • 所以，输出 2。

问题的核心在于，x 的含义在 with 块内部变得模糊。它可能是外部作用域的 x，也可能是 obj 的 x，这取决于 obj 在运行时是否具有 x 属性。这种运行时才能确定的行为，正是词法作用域所力求避免的。

核心问题：运行时修改词法环境带来的性能损失

with 语句最大的弊端在于它对性能的影响，尤其是对现代JavaScript引擎的优化能力的阻碍。

现代JavaScript引擎（如Chrome的V8、Firefox的SpiderMonkey、Safari的JavaScriptCore）都使用了即时编译（Just-In-Time Compilation, JIT）技术来将JavaScript代码转换为高效的机器码。JIT编译器通过对代码的静态分析和运行时行为的推测来完成优化。这些优化依赖于一个基本假设：变量的查找路径和类型是相对稳定的和可预测的。

with 语句打破了这些假设，导致以下严重的性能问题：

1. JIT 编译器优化受阻

• 静态分析困难： JIT 编译器在编译阶段无法预知 with 语句中 expression 求值后的具体对象。这意味着它无法确定 with 块内部引用的变量（例如 x）究竟是指向 expression 对象的某个属性，还是指向外部作用域的某个变量。
• 无法确定变量位置： JIT 无法在编译时确定变量 x 的“内存地址”或“作用域槽位”。在正常词法作用域下，JIT 可以精确地知道 x 是在栈上、堆上，还是在某个闭包作用域中。但在 with 块内，x 可能突然变成一个对象的属性，其查找机制完全不同。
• 去优化（Deoptimization）： 为了保证程序行为的正确性，JIT 编译器不得不对包含 with 语句的代码块采取保守策略。它可能完全放弃对该代码块的优化，或者在遇到 with 语句时，将已经优化的机器码“去优化”回解释执行的模式，或者回退到更慢的通用代码路径。这种“去优化”过程本身就带来了显著的开销。
• Megamorphic Lookups： 当一个属性访问（例如 obj.prop）的接收者 obj 在运行时可以是多种不同形状（shape）的对象时，JIT 编译器就很难进行优化。with 语句内部的变量查找实际上就模拟了这种不确定性极高的属性查找。

2. 运行时查找开销增加

即使不考虑JIT优化的因素，with 语句本身也增加了运行时变量查找的开销：

• 额外的作用域层级： 每次进入 with 块，都会在作用域链上增加一个临时的 ObjectEnvironmentRecord。这意味着每次变量查找都需要多一步：先检查这个临时环境记录，也就是检查 with 对象的属性。
• 属性查找与变量查找的差异： 访问对象的属性通常比访问局部变量要慢。局部变量通常可以直接通过偏移量或寄存器访问，而属性查找可能涉及哈希表查找、原型链查找等复杂操作。with 语句将原本可能是快速的变量查找，转换为慢速的属性查找。

3. 内存开销（相对较小但存在）

虽然不如前两点显著，但每次 with 语句的执行都会创建一个新的 ObjectEnvironmentRecord 对象，这会带来一定的内存分配和垃圾回收的开销。

性能测试示例

为了直观地展示 with 语句带来的性能差异，我们可以编写一个简单的基准测试。请注意，浏览器和Node.js环境下的JIT优化会非常激进，有时简单的微基准测试可能难以完全捕捉到去优化的复杂性，但足以说明问题。

// 模拟一个对象，其属性名称可能与外部变量冲突
const data = {
    x: 100,
    y: 200,
    z: 300
};

// 外部变量，与 data 属性同名
let x = 1;
let y = 2;
let z = 3;

function testWithoutWith(iterations) {
    let sum = 0;
    const localData = data; // 避免在循环内重复查找 data

    console.time('testWithoutWith');
    for (let i = 0; i < iterations; i++) {
        sum += localData.x + localData.y + localData.z;
        sum += x + y + z; // 访问外部变量
    }
    console.timeEnd('testWithoutWith');
    return sum;
}

function testWithWith(iterations) {
    let sum = 0;

    console.time('testWithWith');
    for (let i = 0; i < iterations; i++) {
        with (data) {
            // 这里的 x, y, z 都会优先查找 data 对象的属性
            sum += x + y + z; // 访问 data.x, data.y, data.z
        }
        sum += x + y + z; // 这里的 x, y, z 访问的是外部变量
    }
    console.timeEnd('testWithWith');
    return sum;
}

const N = 100_000_000; // 1亿次迭代

console.log("Running benchmarks...");

// 运行多次以预热JIT编译器
for (let i = 0; i < 5; i++) {
    testWithoutWith(N / 10);
    testWithWith(N / 10);
}

// 实际测试
console.log("n--- Final Runs ---");
testWithoutWith(N);
testWithWith(N);

/* 
在 Node.js 环境下运行，可能会看到类似以下的结果（具体数值因机器和Node版本而异）：

Running benchmarks...
testWithoutWith: 32.123ms
testWithWith: 58.765ms
testWithoutWith: 29.876ms
testWithWith: 55.432ms
...

--- Final Runs ---
testWithoutWith: 30.123ms
testWithWith: 65.876ms

可以看到，使用 `with` 的版本明显更慢，差距有时可以达到一倍甚至更多。
*/

这个简单的测试表明，即使是对于如此简单的属性访问，with 语句也引入了可测量的性能开销。在更复杂的、有大量逻辑的代码块中，这种开销会更加显著，并且可能导致整个函数甚至模块的优化被取消。

严格模式与 with

JavaScript 的严格模式（Strict Mode）在 ECMAScript 5 中引入，旨在消除语言中一些不安全、不明确或性能不佳的特性，并提供更健壮的错误检查。

with 语句是严格模式明确禁止的特性之一。如果在严格模式下使用 with 语句，会直接抛出 SyntaxError。

"use strict";

function strictModeFunction() {
    const obj = { a: 1 };
    // with (obj) { // Uncaught SyntaxError: Strict mode code may not include a with statement
    //     console.log(a);
    // }
}

// strictModeFunction(); // 调用会失败，因为函数本身就包含了语法错误

这一事实本身就足以说明 with 语句在现代JavaScript开发中的地位：它被认为是有害的，不应该被使用。语言规范的制定者通过将其列为严格模式的禁用项，强烈建议开发者弃用它。

替代方案：更清晰、更高效的代码实践

既然 with 语句弊大于利，那么我们应该如何实现类似的功能，同时保持代码的清晰性、可预测性和高性能呢？现代JavaScript提供了多种优秀的替代方案：

1. 解构赋值（Destructuring Assignment）

这是最推荐的替代方案之一，尤其适用于需要访问对象多个属性的场景。它清晰地声明了你想要从对象中提取哪些属性，并将其赋值给局部变量。

const user = {
    firstName: "John",
    lastName: "Doe",
    age: 30,
    address: {
        city: "New York",
        zip: "10001"
    }
};

// 以前使用 with
// with (user) {
//     console.log(`${firstName} ${lastName}, ${age}`);
// }

// 使用解构赋值
const { firstName, lastName, age } = user;
console.log(`${firstName} ${lastName}, ${age}`); // John Doe, 30

// 也可以用于嵌套对象
const { address: { city } } = user;
console.log(city); // New York

// 还可以重命名
const { firstName: fName, lastName: lName } = user;
console.log(`${fName} ${lName}`); // John Doe

解构赋值不仅提供了与 with 类似的简洁性，而且更重要的是，它在编译时就明确了变量的来源，完全符合词法作用域的原则，不会干扰JIT优化。

2. 临时变量引用

如果只需要频繁访问一个对象的属性，最直接的方式是将其赋值给一个短寿命的局部变量。

const document = {
    forms: [
        {
            name: "myForm",
            elements: {
                username: { value: "testuser" },
                password: { value: "testpass" }
            }
        }
    ]
};

function processForm() {
    // 以前可能的 with 用法:
    // with (document.forms[0].elements) {
    //     console.log(username.value);
    //     console.log(password.value);
    // }

    // 使用临时变量
    const elements = document.forms[0].elements;
    console.log(elements.username.value);
    console.log(elements.password.value);
}

processForm(); // testuser, testpass

这种方式清晰明了，没有任何作用域链的修改。

3. 明确的属性访问

最直接、最无争议的方式就是始终使用对象名加上点操作符 (.) 或方括号操作符 ([]) 来访问属性。虽然可能稍显冗长，但它提供了最大的清晰度和可预测性。

const config = {
    host: "localhost",
    port: 8080,
    database: "mydb"
};

console.log(`Connecting to ${config.host}:${config.port}/${config.database}`);

4. Object.assign() 或 Spread Syntax

在某些需要将对象属性“扁平化”到当前作用域的场景下（虽然这通常不是一个好主意，因为它可能覆盖现有变量），可以使用这些方法来创建一个新的对象，然后对其进行解构。

const defaults = {
    theme: 'dark',
    fontSize: '16px'
};

const userSettings = {
    fontSize: '14px',
    layout: 'compact'
};

// 合并设置，userSettings 覆盖 defaults
const finalSettings = { ...defaults, ...userSettings };

// 然后使用解构
const { theme, fontSize, layout } = finalSettings;
console.log(theme, fontSize, layout); // dark, 14px, compact

这依然是在创建新对象，而不是修改作用域链。

历史背景与现代JavaScript

with 语句在 ECMAScript 1 中就被引入了，其设计之初可能是为了简化对复杂对象（尤其是DOM对象）的访问。在DOM API早期，像 document.forms[0].elements.username.value 这样的深层访问非常常见，with (document.forms[0].elements) 确实能减少一些键入。

然而，随着JavaScript语言的不断发展，以及Web应用复杂度的急剧增加，with 语句的缺点逐渐变得不可接受。性能瓶颈、代码可读性下降、以及与严格模式的冲突，都促使开发者和语言设计者将其视为“遗留特性”并强烈建议弃用。

现代JavaScript的趋势是拥抱更强的可预测性、更严格的错误检查以及更高效的引擎优化。let、const、模块化、箭头函数、解构赋值等新特性都体现了这一趋势。with 语句与这些现代设计原则背道而驰。

总结与展望

with 语句是JavaScript语言中一个特殊的存在，它通过在运行时动态地修改作用域链，模拟了动态作用域的行为。这种行为导致了：

• 代码可预测性的大幅降低： 变量的含义在 with 块内部变得模糊不清。
• JIT 编译器优化的严重阻碍： 引擎无法进行静态分析，被迫去优化，导致显著的性能损失。
• 运行时查找开销的增加： 每次变量查找都需要额外检查 with 对象的属性。

因此，with 语句已被视为一个有害特性，在严格模式下被禁用，并且在任何现代JavaScript代码中都应避免使用。理解 with 语句的工作原理及其带来的问题，不仅有助于我们编写更健壮、更高性能的代码，也加深了我们对JavaScript词法作用域核心机制的理解。

摒弃 with，拥抱解构赋值、临时变量和明确的属性访问，是编写现代、高效、可维护JavaScript代码的必然选择。