我最近正好奇著大家讀完我的技術文章後的感想,有空的話可以幫我填一下:表單連結

從「為什麼不能用這個函式」談執行環境(runtime)

我認為在理解 JavaScript 這個程式語言的時候,還需要認識到「執行環境(runtime)」這件事情,你心中的架構圖才會完整。有許多人並沒有意識到這一環,導致對於 JavaScript 或是一些技術的理解有認知上的差異;因此這一篇,就讓我們好好來談談執行環境。

附註:除了 runtime 叫做執行環境以外,execution environment 也叫做執行環境,但這兩個是完全不同的東西。為了避免歧義,底下會盡量用原文 runtime 這個詞。

另外,runtime 有許多意思,這邊的 runtime 比較像是 runtime environment 的意思。

存在又不存在的函式

故事的主角小明在工作上接到了一個需求,那就是要把一個字串做 base64 編碼。

在 JavaScript 裡面,我們要怎麼把一個字串轉成 base64 編碼?有一個叫做 btoa 的函式可以做到這件事情,你可以打開 Chrome 的 devtool console,輸入以下程式碼:

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console.log(btoa('hello')) // aGVsbG8=

如果要把字串從 base64 轉回來,把函式名稱轉一下,變成 atob 即可:

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console.log(atob('aGVsbG8=')) // hello

有些人可能會跟我一樣好奇,為什麼函式要取做 atobbtoa,我自己一開始很容易誤會 atob 的 b 代表 base64 的意思,所以是把東西轉成 base64,但其實正好相反,atob 是把字串從 base64 轉回來。

根據 Why were Javascript atob() and btoa() named like that? 的解答,a 是 ASCII 的意思,b 是 binary,而不是 Base64,所以 atob 指的是把 ASCII 的資料(也就是字串)轉成 binary,就是把 base64 編碼過的字串轉回原始的形式。

雖然說在 JavaScript 裡面無論是 atob 還是 btoa,接收的參數都是字串,沒有什麼 binary,因此上面的解釋看起來有點怪,但如果你把眼光放寬,不要侷限在 JavaScript 的話,就會變得比較合理。

舉例來說,base64 可以把任何二進位(binary)的資料轉成字串,這是它最有價值的地方。例如說你可能有用過 data URI,其中一個用法就是把圖片用 base64 編碼成字串。

因此,btoa 代表著 binary to ASCII,也就是把任何東西用 base64 來編碼,輸出會是一個 base64 編碼過的字串,atob 則相反,ASCII to binary,就是把 base64 編碼過的字串還原成原始的形式。

好,講了這麼多 base64 的東西以後,讓我們回到重點。

小明查到要用 atobbtoa 以後,順利解決了工作上的需求,在網頁上完成了這個功能。過了兩個月,主管要他在一個用 Node.js 跑的伺服器上面也實作同樣的功能。

小明心想:「這有什麼難的?」,於是就一樣用了 btoa,可是這次卻出現了不同的結果,居然噴出了錯誤:

Uncaught ReferenceError: btoa is not defined

小明百思不得其解,為什麼同樣的函式,之前可以用,現在卻不能用了?難道這個函式同時存在也不存在於 JavaScript 之中?

會發生這件事情,就是因為小明心中並沒有 runtime 的概念。

什麼是 runtime?

JavaScript 是一個程式語言,所以像 varif elsefor 或是 function 等等,這些都是 JavaScript 的一部分。但是除了語言本身以外,JavaScript 需要有地方執行,而這個地方就叫做執行環境(runtime),舉個例子,大家最常用的 runtime 就是「瀏覽器」。

所以你的 JavaScript 是在瀏覽器這個 runtime 上執行的,而這個 runtime 會提供給你一些東西使用,例如說 DOM(document)、console.logsetTimeoutXMLHttpRequest 或是 fetch,這些其實都不是 JavsScript(或是更精確地說,ECMAScript)的一部分。

這些是瀏覽器給我們使用的,所以我們只有在瀏覽器上面執行 JavaScript 時才能使用。開頭時小明所使用的 atobbtoa 也是,這兩個函式並不是 ECMAScript 規格中的一部份,而是瀏覽器提供給 JavaScript 的,這也是為什麼我們在使用 Node.js 時,就突然沒辦法用了,因為 Node.js 這個 runtime 並沒有提供這兩個函式。

以下圖為例,左邊是 Node.js 這個 runtime,中間是 JS 本身的東西,右邊則是瀏覽器這個 runtime,各有各的東西:

因此你可能有過類似的經驗,想說為什麼一樣的 code 搬到 Node.js 去就沒辦法執行。現在你知道了,那是因為 Node.js 並沒有提供這些東西,例如說 document 或是 atob,你沒辦法直接在 Node.js 裡面使用它(如果可以,那就代表你有用其它 library 或是 polyfill)。

相反過來也是,你用 Node.js 執行一段 JavaScript 程式碼時,你可以用 process 或是 fs,但你在瀏覽器上面就沒辦法。不同的 runtime 會提供不同的東西,你要很清楚現在是在哪個 runtime。

該如何分辨某個功能是 runtime 提供的,還是 JS 內建的?

靠著一個原則,就可以有大概八成的機率分辨正確,那就是:「這個功能是否跟 runtime 本身有關?」

舉例來說,DOM 跟 BOM 這兩組 API,就跟瀏覽器有很大的關係。在使用 Node.js 這個 runtime 時,我們不會有 document,因為根本沒有所謂的頁面,也不會有 localStorage,因為那是瀏覽器才有的東西,所以像是 documentlocalStorage,都是瀏覽器給的,而不是 JavaScript 這個語言本身的東西。

又或者像是 process,可以讀到許多執行緒相關的資訊,瀏覽器不可能讓你做這種事情,所以顯然在瀏覽器上面無法使用,是 Node.js 這個 runtime 專屬的東西。

而另外兩成就是一些例外了,看起來與 runtime 無關,但其實有關。例如說 btoa,只是轉成 Base64 而已,跟 runtime 有什麼關係?可是好巧不巧,它就是由 runtime 所提供的。

還有 console,這其實也是 runtime 提供的,而且有個特性要注意,那就是有時候不同的 runtime 會提供相同的東西。例如說 consolesetTimeout,在瀏覽器以及 Node.js 都有,可是他們都不是 JavaScript 的一部份,而是 runtime 提供的。

但儘管他們看起來一樣,內部實作卻是完全不同,表現方法也可能不同。舉例來說,瀏覽器的 console.log 會輸出在 devtool 的 console,而 Node.js 則是會輸出在你的 terminal 上面。

setTimeoutsetInterval 也是,雖然說瀏覽器跟 Node.js 都有,可是背後的實作卻完全不同。

如果你想確認一個 API 是不是 runtime 提供的,有個簡單又正確的方式,那就是去找 ECMAScript 的規格或是 MDN 來看。以 atob 為例,MDN 下方 Specifications 的段落中,你可以看見它的出處是 HTML Standard,並不是 ECMAScript,就代表它並不是 ECMAScript 的一部分:

簡單來說呢,只要你在 ECMAScript 的規格上找不到它,就代表它是由 runtime 所提供的。

在 MDN 上面,這些並不是由 ECMAScript 原生提供,而是由瀏覽器所提供的 API,叫做 Web API:https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/API

底下我列幾個比較常誤會是 JavaScript 的一部分,但其實是 runtime 提供的 API:

  1. console
  2. fetch
  3. performance
  4. URL
  5. setTimeout
  6. setInterval

從不同 runtime 學習 JavaScript

有許多人在學習 JavaScript 時,第一個碰到的都是瀏覽器,而且說不定會留下:「JavaScript 只能在瀏覽器上執行」這個印象。

除了瀏覽器以外,JavaScript 還有另一個 runtime 叫做 Node.js,官網上的介紹是:

Node.js® is a JavaScript runtime built on Chrome’s V8 JavaScript engine.

透過 Node.js 這個 runtime,我們的 JavaScript 程式碼可以脫離瀏覽器執行。我很推薦大家都去看一下 Node.js,使用一下它提供的 API,像是 process 或是 fs 之類的,寫一點小玩具出來。

當你熟悉不同的 runtime 以後,你會發現 runtime 除了會提供更多 API 以外,它同時也是個限制器。

當你的 runtime 是瀏覽器時,你可以做的功能自然而然就會受到瀏覽器限制。舉例來說,你不能「主動讀取」電腦中的檔案,因為瀏覽器基於資安上的考量,不讓你做這件事情。你也不能把電腦重新開機,因為瀏覽器不讓你這樣做。在進行網路相關操作的時候,也會受到同源政策跟 CORS 的限制,這些都是瀏覽器這個執行環境才有的限制。

上面講的這些限制,一旦你換了個 runtime,就都沒問題了。使用 Node.js 來執行程式碼時,你可以讀取檔案,可以把電腦重開機,也沒有什麼同源政策跟 CORS 這些限制,你想幹嘛就幹嘛,想發送 request 給誰就給誰,response 都不會被攔截住。

之所以建議大家去學習 Node.js,是為了讓大家清楚意識到自己在執行程式碼時,所受的限制是誰給的限制。是 JavaScript 本身的限制,還是 runtime 給的限制?

意識到這點以後,就會對 JavaScript 的認知更為全面。

結語

當你在使用 JavaScript 時,有些 API 是這個語言本身內建的,例如說 JSON.parse 或是 Promise,你可以在 ECMAScript 的規格書中找到他們的說明。

而有些 API 則是 runtime 提供的,例如說 atoblocalStorage 或是 document,就是瀏覽器所提供的 API,一旦脫離了瀏覽器這個 runtime,你就沒有這些 API 可以用。

但這並不代表在瀏覽器跟在 Node.js 這兩個 runtime 上面都可以使用的 API,就是語言內建的 API。舉例來說,console 以及 setTimeout 還有最近 Node.js 也要原生支援的 fetch,在瀏覽器以及 Node.js 上面都可以使用,可是它們都是 runtime 提供的,

也就是說,瀏覽器實作了 consolesetTimeout 的 API,時做了計時器的機制,並且提供給 JavaScript 使用,而 Node.js 也實作了同樣的 API,也提供給 JavaScript 使用。雖然說表面上看起來是同一個 function,但背後的實作卻不同,這就好像你去全家可以買到鮪魚飯糰,你去 711 也可以買到鮪魚飯糰,雖然說都是鮪魚飯糰,但背後的供應商其實不一樣,製作方法也不同。

有了 runtime 的概念之後,以後如果碰到某個 function 在瀏覽器可以用,但是在 Node.js 上不能用,你就知道是為什麼了。

來數數 JavaScript 的所有資料型別 我從 DiceCTF 2022 中學到的各種 JS 與前端冷知識

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