JavaScript 的 `with` 语句底层：词法环境（Lexical Environment）动态插入对作用域链的破坏

各位编程爱好者、专家，大家好。

今天，我们将深入探讨 JavaScript 中一个充满争议且已被废弃的特性——with 语句。这个语句在现代 JavaScript 开发中几乎不被使用，甚至在严格模式下被禁止。然而，它在 JavaScript 语言的底层机制，尤其是其核心的“词法环境”和“作用域链”上，扮演了一个非常独特的角色。理解 with 语句的工作原理，特别是它如何“动态插入”并“破坏”词法环境和作用域链，对于我们深入理解 JavaScript 的作用域机制、静态作用域的本质以及为什么某些设计模式被认为是“坏实践”至关重要。

我们将以讲座的形式，从 JavaScript 作用域的基础概念出发，逐步揭示 with 语句的内部机制，分析它带来的问题，并最终探讨现代 JavaScript 中替代方案。

1. JavaScript 作用域的基础：词法环境与作用域链

要理解 with 语句的破坏性，我们首先必须对 JavaScript 的作用域机制有一个清晰的认识。JavaScript 采用的是词法作用域（Lexical Scope），这意味着变量和函数的访问权限在代码编写阶段就已经确定，与函数调用的位置无关。这个机制的核心载体就是“词法环境”（Lexical Environment）和由此构建的“作用域链”（Scope Chain）。

1.1 什么是词法环境（Lexical Environment）？

简单来说，词法环境是 JavaScript 内部用于存储标识符（变量名、函数名等）和它们对应值的抽象结构。每当 JavaScript 执行代码时，都会创建和管理一系列的词法环境。

一个词法环境主要包含两个核心组件：

1. 环境记录（Environment Record）：这是存储变量和函数声明的地方。根据环境的类型，环境记录又分为：
   • 声明式环境记录（Declarative Environment Record）：用于存储函数声明、变量声明（var、let、const）以及参数。它直接将标识符映射到它们的值。
   • 对象环境记录（Object Environment Record）：用于将标识符绑定到某个对象的属性。例如，全局环境中的 window 对象（在浏览器中）或 global 对象（在 Node.js 中）的属性，就是通过对象环境记录来管理的。
2. 外部环境引用（Outer Lexical Environment Reference）：这是一个指向其外部（即包含它的）词法环境的引用。这个引用是构建作用域链的关键。

每当以下情况发生时，都会创建一个新的词法环境：

• 全局代码执行：创建一个全局词法环境。
• 函数被调用：创建一个函数词法环境。
• 块级作用域（{ ... }，如 if 语句、for 循环、while 循环等，当使用 let 或 const 声明变量时）：创建一个块级词法环境。

1.2 作用域链（Scope Chain）

作用域链是通过词法环境的“外部环境引用”链接起来的链条。当 JavaScript 试图查找一个变量的值时，它会沿着这个链条从当前词法环境开始，逐级向上查找，直到找到该变量或到达全局环境的尽头。

变量查找过程：

1. 在当前执行环境的词法环境的环境记录中查找标识符。
2. 如果找到，则使用该值。
3. 如果未找到，则沿着“外部环境引用”指向的父级词法环境继续查找。
4. 重复此过程，直到找到标识符或到达全局环境（全局环境的外部环境引用为 null）。如果到达全局环境仍未找到，则抛出 ReferenceError（对于未声明的变量读取）或在非严格模式下创建全局变量（对于未声明的变量赋值）。

让我们通过一个简单的例子来理解词法环境和作用域链：

var globalVar = "I am global"; // 1. 全局词法环境的声明式环境记录

function outerFunction() {
    var outerVar = "I am outer"; // 2. outerFunction 词法环境的声明式环境记录

    function innerFunction() {
        var innerVar = "I am inner"; // 3. innerFunction 词法环境的声明式环境记录
        console.log(innerVar); // 查找：innerFunction -> outerFunction -> global
        console.log(outerVar); // 查找：innerFunction -> outerFunction -> global
        console.log(globalVar); // 查找：innerFunction -> outerFunction -> global
        // console.log(nonExistentVar); // 查找失败，ReferenceError
    }

    innerFunction();
}

outerFunction();

在这个例子中，作用域链的形成过程如下：

词法环境	环境记录	外部环境引用
innerFunction	{ innerVar: "..." }	outerFunction 词法环境
outerFunction	{ outerVar: "..." }	全局词法环境
全局环境	{ globalVar: "..." }	null

当 innerFunction 尝试访问 innerVar 时，它首先在自己的环境记录中查找，找到了。
当它尝试访问 outerVar 时，在自己的环境记录中未找到，于是沿着外部环境引用找到 outerFunction 的词法环境，并在其环境记录中找到了 outerVar。
当它尝试访问 globalVar 时，在 innerFunction 和 outerFunction 的环境记录中都未找到，最终在全局词法环境中找到了 globalVar。

这就是 JavaScript 作用域链的静态、可预测的本质。在代码编写完成的那一刻，变量的查找路径就已经确定了。

2. with 语句的机制：动态插入词法环境

现在，我们准备好理解 with 语句是如何打破这种静态和谐的了。with 语句的语法如下：

with (expression) {
    statement
}

expression 会被求值，其结果必须是一个对象。statement 则是 with 语句体内部要执行的代码。

当 JavaScript 执行到 with 语句时，它会做一件非常特别的事情：它会创建一个新的词法环境。这个新的词法环境不是普通的声明式环境记录，而是一个对象环境记录（Object Environment Record），并且它的 [[Object]] 内部属性被设置为 with 语句的 expression 求值后的那个对象。

更关键的是，这个新创建的词法环境会被动态地插入到当前执行环境的作用域链的最前端，作为 with 语句体内部代码的“当前词法环境”。

让我们用一个例子和图表来具体说明：

var x = 10;
var y = 20;

var obj = {
    x: 30,
    z: 40
};

function exampleWith() {
    var y = 50; // 函数词法环境中的 y

    with (obj) {
        // 在这里，一个新的词法环境被动态插入
        console.log(x); // 会输出什么？
        console.log(y); // 会输出什么？
        console.log(z); // 会输出什么？
    }

    console.log(x); // with 外部的 x
    console.log(y); // with 外部的 y
    console.log(z); // with 外部的 z
}

exampleWith();

在 exampleWith 函数内部，当执行到 with (obj) 时，作用域链会发生如下变化：

exampleWith 函数执行前的作用域链（简化）：

词法环境	环境记录	外部环境引用
exampleWith 函数	{ y: 50 }	全局环境
全局环境	{ x: 10, y: 20 }	null

进入 with (obj) 语句块内部时的作用域链：

词法环境	环境记录（类型）	外部环境引用
with 语句内部环境	Object Environment Record (关联 obj)	exampleWith 函数词法环境
exampleWith 函数	Declarative Environment Record	全局环境
全局环境	Declarative Environment Record	null

现在，我们来分析 with 块内部的 console.log 调用：

1. console.log(x)：
   • 在 with 语句内部环境中查找 x。由于这是一个对象环境记录，它会尝试查找 obj 对象的 x 属性。
   • obj.x 存在，其值为 30。于是 console.log(x) 输出 30。
2. console.log(y)：
   • 在 with 语句内部环境中查找 y。尝试查找 obj.y。
   • obj 没有 y 属性。
   • 查找失败，于是沿着外部环境引用向上，到 exampleWith 函数的词法环境。
   • 在 exampleWith 的声明式环境记录中找到了 y，其值为 50。于是 console.log(y) 输出 50。
3. console.log(z)：
   • 在 with 语句内部环境中查找 z。尝试查找 obj.z。
   • obj.z 存在，其值为 40。于是 console.log(z) 输出 40。

输出结果：

30
50
40

可以看到，在 with 语句内部，变量 x 和 z 的查找路径被 obj 对象“劫持”了，而 y 则继续沿着原有的作用域链查找。这就是 with 语句“动态插入”词法环境的效果。

3. with 语句对作用域链的破坏

with 语句之所以被认为是“坏实践”，甚至在严格模式下被禁用，正是因为它这种动态插入词法环境的机制，对 JavaScript 的静态作用域规则造成了显著的破坏。这种破坏主要体现在以下几个方面：

3.1 变量查找的不确定性与歧义（Ambiguity）

这是 with 语句最直接也是最严重的问题。在 with 块内部，一个标识符到底是指向 with 对象的属性，还是指向外部作用域的变量，变得模糊不清。

考虑以下例子：

var value = "全局值";

var obj1 = {
    value: "obj1的值"
};

var obj2 = {
    anotherProp: "其他属性"
};

function demoWithAmbiguity() {
    var value = "函数内部值";

    with (obj1) {
        console.log("obj1 with 内部：", value); // 1. 期望什么？
    }

    with (obj2) {
        console.log("obj2 with 内部：", value); // 2. 期望什么？
    }

    console.log("函数外部：", value);
}

demoWithAmbiguity();

分析：

1. with (obj1) 内部：
   • 查找 value。首先在 with 语句创建的对象环境记录中查找 obj1.value。
   • obj1.value 存在，值为 "obj1的值"。
   • 输出 obj1 with 内部： obj1的值。
2. with (obj2) 内部：
   • 查找 value。首先在 with 语句创建的对象环境记录中查找 obj2.value。
   • obj2 没有 value 属性。
   • 查找失败，沿着外部环境引用向上，到 demoWithAmbiguity 函数的词法环境。
   • 在 demoWithAmbiguity 的声明式环境记录中找到了 value，值为 "函数内部值"。
   • 输出 obj2 with 内部： 函数内部值。

输出结果：

obj1 with 内部： obj1的值
obj2 with 内部： 函数内部值
函数外部： 函数内部值

这个例子清晰地展示了，同一个标识符 value 在不同的 with 块中可能解析到不同的值，甚至在同一个 with 块中，其解析结果也取决于 with 传入对象的属性是否存在。这种不确定性极大地降低了代码的可读性和可维护性。阅读代码的人需要时刻记住 with 传入的对象有哪些属性，才能正确判断变量的来源。

3.2 变量赋值的副作用与隐式全局变量（在非严格模式下）

with 语句不仅影响变量的读取，也影响变量的赋值。

当在 with 块内部对一个未声明的变量进行赋值时，其行为也变得不可预测：

• 如果 with 传入的对象拥有该名称的属性，那么这个属性会被修改。
• 如果 with 传入的对象没有该名称的属性，那么 JavaScript 会继续沿着作用域链向上查找。
  • 如果外部作用域存在同名变量，该变量会被修改。
  • 如果直到全局作用域都没有找到，在非严格模式下，会创建一个新的全局变量。

这尤其危险，因为它可能在无意中创建全局变量，污染全局命名空间，并导致难以追踪的错误。

var globalVar = "全局";

var myObject = {
    propA: 1
};

function assignInWith() {
    var localVar = "局部";

    with (myObject) {
        propA = 2; // 修改 myObject.propA
        localVar = "新的局部"; // 修改函数作用域的 localVar
        newVar = "新变量"; // ！！！这里是重点 ！！！
    }

    console.log(myObject.propA); // 2
    console.log(localVar);      // 新的局部
    console.log(typeof newVar); // 'undefined' (因为 with 块结束后，其作用域被销毁)
    console.log(typeof window.newVar); // 'string' (在浏览器环境中)
    console.log(window.newVar); // 新变量 (在浏览器环境中)
}

assignInWith();
console.log(globalVar); // 全局
// console.log(newVar); // ReferenceError: newVar is not defined (如果不在浏览器全局环境直接访问)

分析 newVar 的赋值：

1. 在 with (myObject) 内部对 newVar = "新变量" 赋值。
2. 首先，在 with 语句创建的对象环境记录中查找 myObject.newVar。myObject 没有 newVar 属性。
3. 向上查找，在 assignInWith 函数的词法环境和全局词法环境中都没有找到 newVar 变量声明。
4. 在非严格模式下，JavaScript 遇到对未声明变量的赋值，默认会将其视为对全局对象的属性赋值。因此，window.newVar (或 Node.js 的 global.newVar) 被创建并赋值为 "新变量"。

这种行为使得代码的维护者很难判断一个变量的赋值到底是针对 with 对象的属性、外部作用域的变量，还是不小心创建了一个全局变量。这完全破坏了静态作用域的可预测性。

3.3 性能问题

动态修改作用域链还会带来显著的性能开销。JavaScript 引擎（尤其是现代的 JIT 编译器）在编译和优化代码时，非常依赖于作用域链的静态特性来提前确定变量的查找路径。

当遇到 with 语句时：

• JIT 编译器难以优化：由于 with 块内部的变量查找路径在运行时才能完全确定（取决于 with 对象的实际属性），JIT 编译器无法进行像直接属性访问或局部变量访问那样的激进优化。它必须假定任何标识符都可能指向 with 对象的某个属性，或者其原型链上的某个属性。
• 动态查找开销：每次在 with 块内部访问变量时，都需要额外地检查 with 对象的属性，这比直接访问声明式环境记录中的变量要慢。如果 with 对象具有复杂的原型链，那么查找过程会更慢。
• 缓存失效：由于作用域链的动态变化，任何关于变量位置的假设都可能失效，导致缓存被频繁清除，进一步影响性能。

简而言之，with 语句的存在使得 JavaScript 引擎无法在编译时完全确定变量的绑定关系，从而阻止了许多本可以进行的性能优化。

3.4 可读性和可维护性降低

如前所述，with 语句使得代码难以阅读和理解。开发者需要花费更多精力去推断变量的来源，这增加了认知负担。在大型项目中，这会导致调试困难，并增加引入 bug 的风险。

考虑以下场景：

// 假设这是第三方库代码，或者一个很大的对象
var config = {
    url: "default.com",
    timeout: 5000,
    headers: {
        "Content-Type": "application/json"
    }
};

// 你的代码
function sendRequest(options) {
    // 假设 options 也是一个包含 url, timeout 等属性的对象
    // ...
    with (config) {
        // ... 假设这里有几百行代码 ...
        console.log("请求URL:", url); // 这个 url 是 config.url 还是 options.url 还是某个外部变量？
        // ...
        timeout = 10000; // 这修改的是 config.timeout 还是某个局部变量？
        // ...
    }
    // ...
}

在 with 块内部，url 和 timeout 的来源变得模糊。如果 options 对象也传入了 url 属性，并且 config 中没有 url 属性，那么 url 可能会意外地指向 options.url。这种依赖于上下文和对象属性的动态查找，使得代码难以静态分析，也难以进行代码审查。

3.5 严格模式下的禁止

鉴于 with 语句带来的诸多问题，ECMAScript 5 引入了严格模式（Strict Mode），并在严格模式下完全禁止了 with 语句。如果在严格模式下使用 with 语句，会直接抛出 SyntaxError。

"use strict";

var obj = { x: 1 };

try {
    with (obj) { // Uncaught SyntaxError: Strict mode code may not contain 'with' statements
        console.log(x);
    }
} catch (e) {
    console.error(e);
}

这表明了 JavaScript 语言设计者对 with 语句的态度：它是一个应该被淘汰的特性。

4. with 语句的历史背景与设计初衷

尽管 with 语句问题重重，但它并非毫无用处而被设计出来。在早期 JavaScript 中，with 语句的主要设计初衷是为了简化对某个对象属性的重复访问，减少代码冗余。

例如，在 DOM 操作中，如果需要频繁访问 document.forms[0] 的多个属性，而不使用 with，代码可能会变得冗长：

// 不使用 with
var form = document.forms[0];
console.log(form.name);
console.log(form.action);
console.log(form.method);

使用 with 语句，代码看起来更简洁：

// 使用 with (在非严格模式下)
with (document.forms[0]) {
    console.log(name);
    console.log(action);
    console.log(method);
}

这种“语法糖”在某些特定场景下确实能减少一些击键次数，尤其是在 ES5 之前，JavaScript 缺乏更优雅的解构或属性访问的替代方案。然而，这种短暂的便利性所带来的长期维护和性能成本是巨大的。

5. 现代 JavaScript 中的替代方案

既然 with 语句如此糟糕，那么在现代 JavaScript 中，我们应该如何实现类似的功能，同时避免其带来的问题呢？幸运的是，ES6 及后续版本提供了许多优雅的替代方案。

5.1 对象解构（Object Destructuring）

这是 with 语句最直接、最推荐的替代方案。它允许我们从对象中提取属性，并将它们赋值给新的变量。

const form = document.forms[0];

// 使用对象解构
const { name, action, method } = form;

console.log(name);
console.log(action);
console.log(method);

// 如果需要更改属性，直接操作原对象
form.name = "newFormName";

对象解构不仅提供了 with 语句的简洁性，还具备以下优势：

• 静态作用域：解构出的变量是明确声明在当前作用域中的，其来源一目了然。
• 可预测性：不会有意外的变量覆盖或全局变量创建。
• 性能优异：JIT 编译器可以很好地优化解构操作。

5.2 临时变量别名

如果只需要访问少数几个属性，或者不希望将所有属性都解构出来，可以使用临时变量为对象创建一个更短的别名，然后通过点语法或方括号语法访问其属性。

const form = document.forms[0];

// 使用临时变量别名
const f = form;
console.log(f.name);
console.log(f.action);
console.log(f.method);

这种方式虽然不如解构直接，但仍然清晰且没有 with 的副作用。

5.3 明确的属性访问

最直接、最基础的方式，就是始终使用点语法或方括号语法明确地访问对象的属性。虽然可能看起来略显冗长，但它的可读性和可维护性是最高的。

const form = document.forms[0];

console.log(form.name);
console.log(form.action);
console.log(form.method);

5.4 使用 call 或 apply 绑定 this（针对特定上下文场景）

有时，开发者可能会误用 with 语句来改变某个函数内部 this 的指向。虽然 with 本身不是设计用来做这个的，但如果 with 内部的代码恰好是某个方法调用，并且该方法使用了 this，那么 with 传入的对象会作为 this 的隐式绑定上下文。

正确的做法是使用 call(), apply(), 或 bind() 方法来显式控制 this 的绑定。

const person = {
    name: "Alice",
    greet: function() {
        console.log("Hello, " + this.name);
    }
};

const anotherPerson = {
    name: "Bob"
};

// 错误示范 (with 并非为此设计，且在严格模式下禁用)
// with (anotherPerson) {
//     person.greet(); // 期望输出 "Hello, Bob"，但这行为是未定义的，因为 this 绑定规则复杂
// }

// 正确做法：使用 call/apply 显式绑定 this
person.greet.call(anotherPerson); // 输出 "Hello, Bob"

这与 with 语句的直接替代关系不大，但澄清了 this 绑定和作用域链查找是两个不同的概念。

结束语

通过今天的深入探讨，我们详细剖析了 JavaScript with 语句的底层机制。我们理解了它如何通过创建并动态插入一个对象环境记录来修改作用域链，以及这种动态性如何导致变量查找的歧义、赋值的副作用、性能的下降以及可读性和可维护性的严重问题。

with 语句的衰落和在严格模式下的禁用，是 JavaScript 语言演进的一个缩影，它强调了静态作用域和可预测性对于构建健壮、高效和易于维护的应用程序的重要性。在现代 JavaScript 开发中，我们应当完全避免使用 with 语句，转而采用更清晰、更安全、性能更好的替代方案，特别是对象解构。理解其原理，有助于我们更好地理解 JavaScript 的核心机制，并编写出更高质量的代码。