详解新的沙箱机制 ShadowRealm API

大家好，我是世奇，笔名 ConardLi。

今天我们来看一个进入 statge3 的新的 JavaScript 提案：ShadowRealm API。

JavaScript 的运行环境

领域（realm），这个词比较抽象，其实就代表了一个 JavaScript 独立的运行环境，里面有独立的变量作用域。

比如下面的代码：

<body>
  <iframe>
  </iframe>
  <script>
    const win = frames[0].window;
    console.assert(win.globalThis !== globalThis); // true
    console.assert(win.Array !== Array); // true
  </script>
</body>

每个 iframe 都有一个独立的运行环境，document 的全局对象不同于 iframe 的全局对象，类似的，全局对象上的 Array 肯定也不同。

ShadowRealm API

ShadowRealm API 是一个新的 JavaScript 提案，它允许一个 JS 运行时创建多个高度隔离的 JS 运行环境（realm），每个 realm 具有独立的全局对象和内建对象。

ShadowRealm 具有下面的类型签名：

declare class ShadowRealm {
  constructor();
  evaluate(sourceText: string): PrimitiveValueOrCallable;
  importValue(specifier: string, bindingName: string): Promise<PrimitiveValueOrCallable>;
}

每个 ShadowRealm 实例都有自己独立的运行环境，它提供了两种方法让我们来执行运行环境中的代码：

.evaluate()：同步执行代码字符串，类似 eval()。
.importValue()：返回一个 Promise 对象，异步执行代码字符串。

shadowRealm.evaluate()

.evaluate() 的类型签名：

1	evaluate(sourceText: string): PrimitiveValueOrCallable;

.evaluate() 的工作原理很像 eval()：

const sr = new ShadowRealm();
console.assert(
  sr.evaluate(`'ab' + 'cd'`) === 'abcd'
);

但是与 eval() 不同的是，代码是在 .evaluate() 的独立运行环境中执行的:

globalThis.realm = 'incubator realm';

const sr = new ShadowRealm();
sr.evaluate(`globalThis.realm = 'ConardLi realm'`);
console.assert(
  sr.evaluate(`globalThis.realm`) === 'ConardLi realm'
);

如果 .evaluate() 返回一个函数，为了方便在外部调用这个函数会被包装，然后在 ShadowRealm 中运行：

globalThis.realm = 'incubator realm';

const sr = new ShadowRealm();
sr.evaluate(`globalThis.realm = 'ConardLi realm'`);

const wrappedFunc = sr.evaluate(`() => globalThis.realm`);
console.assert(wrappedFunc() === 'ConardLi realm');

每当一个值传入 ShadowRealm 时，它必须是原始类型或者可以被调用的。否则会抛出异常：

1 2	> new ShadowRealm().evaluate('[]') TypeError: value passing between realms must be callable or primitive

shadowRealm.importValue()

.importValue() 的类型签名：

1	importValue(specifier: string, bindingName: string): Promise<PrimitiveValueOrCallable>;

你可以直接导入一个外部的模块，异步执行并返回一个 Promise，用法：

// main.js
const sr = new ShadowRealm();
const wrappedSum = await sr.importValue('./my-module.js', 'sum');
console.assert(wrappedSum('hi', ' ', 'folks', '!') === 'hi ConardLi!');

// my-module.js
export function sum(...values) {
  return values.reduce((prev, value) => prev + value);
}

与 .evaluate() 一样，传入 ShadowRealms 的值（包括参数和跨环境函数调用的结果）必须是原始的或可调用的。

ShadowRealms 可以用来做什么？

在 Web IDE 或 Web 绘图应用等程序中运行插件等第三方代码。
在 ShadowRealms 中创建一个编程环境，运行用户代码。
服务器可以在 ShadowRealms 中运行第三方代码。
在 ShadowRealms 中可以运行测试，这样外部的JS执行环境不会受到影响，并且每个套件都可以在新环境中启动（这有助于提高可复用性）。
网页抓取（从网页中提取数据）和网页应用测试等可以在 ShadowRealms 中运行。

与其他方案对比

eval()和Function

ShadowRealms 与 eval() 和 Function 很像，但比它们俩都好一点：我们可以创建新的JS运行环境并在其中执行代码，这可以保护外部的JS运行环境不受代码执行的操作的影响。

Web Workers

Web Worker 是一个比 ShadowRealms 更强大的隔离机制。其中的代码运行在独立的进程中，通信是异步的。

但是，当我们想要做一些更轻量级的操作时，ShadowRealms 是一个很好的选择。它的算法可以同步计算，更便捷，而且全局数据管理更自由。

iframe

前面我们已经提到了，每个 iframe 都有自己的运行环境，我们可以在里面同步执行代码。

<body>
  <iframe>
  </iframe>
  <script>
    globalThis.realm = 'incubator';
    const iframeRealm = frames[0].window;
    iframeRealm.globalThis.realm = 'ConardLi';
    console.log(iframeRealm.eval('globalThis.realm')); // 'ConardLi'
  </script>
</body>

与 ShadowRealms 相比，还是有以下缺点：

只能在浏览器中使用 iframe；
需要向 DOM 添加一个 iframe 以对其进行初始化；
每个 iframe 环境都包含完整的 DOM，这在一些场景下限制了自定义的灵活度；
默认情况下，对象是可以跨环境的，这意味着需要额外的工作来确保代码安全。

Node.js 上的 vm 模块

Node.js 的 vm 模块与 ShadowRealm API 类似，但具有更多功能：缓存 JavaScript 引擎、拦截 import() 等等。但它唯一的缺点就是不能跨平台，只能在 Node.js 环境下使用。

用法示例：在 ShadowRealms 中运行测试

下面我们来看个在 ShadowRealms 中运行测试的小 Demo，测试库收集通过 test() 指定的测试，并允许我们通过 runTests() 运行它们：

// test-lib.js
const testDescs = [];

export function test(description, callback) {
  testDescs.push({description, callback});
}

export function runTests() {
  const testResults = [];
  for (const testDesc of testDescs) {
    try {
      testDesc.callback();
      testResults.push(`${testDesc.description}: OK\n`);
    } catch (err) {
      testResults.push(`${testDesc.description}: ${err}\n`);
    }
  }
  return testResults.join('');
}

使用库来指定测试：

// my-test.js
import {test} from './test-lib.js';
import * as assert from './assertions.js';

test('succeeds', () => {
  assert.equal(3, 3);
});

test('fails', () => {
  assert.equal(1, 3);
});

export default true;

在下一个示例中，我们动态加载 my-test.js 模块来收集然后运行测试。

唉，目前还没有办法在不导入任何东西的情况下加载模块。

这就是为什么在前面示例的最后一行中有一个默认导出。我们使用 ShadowRealm .importvalue() 方法导入 default export 。

// test-runner.js
async function runTestModule(moduleSpecifier) {
  const sr = new ShadowRealm();
  await sr.importValue(moduleSpecifier, 'default');
  const runTests = await sr.importValue('./test-lib.js', 'runTests');
  const result = runTests();
  console.log(result);
}
await runTestModule('./my-test.js');

在 ShadowRealms 中运行 Web 应用

jsdom 库创建了一个封装的浏览器环境，可以用来测试 Web 应用、从 HTML 中提取数据等。它目前使用的是 Node.js vm 模块，未来可能会更新为使用 ShadowRealms（后者的好处是可以跨平台，而 vm 目前只支持 Node.js）。

参考

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