Scratch-VM

Scratch虚拟机（英文：Scratch Virtual Machine，简称Scratch VM或scratch-vm）是Scratch 3.0的核心执行引擎与运行时库，由麻省理工学院媒体实验室（MIT Media Lab）终身幼儿园组（Lifelong Kindergarten Group）开发，现由Scratch基金会（Scratch Foundation）维护。该库以JavaScript实现，负责将用户通过拖拽积木构建的图形化程序解析为抽象语法树（AST），并管理程序状态的表示、运行与维护。作为Scratch 3.0技术架构的中间层，Scratch虚拟机向上与Scratch Blocks对接以接收积木变更事件，向下调用Scratch Render等模块完成舞台渲染，同时通过扩展系统支持硬件与第三方服务的接入。

Scratch虚拟机
中文名	Scratch虚拟机
英文名	Scratch Virtual Machine
缩写	Scratch VM / scratch-vm
开发者	MIT Media Lab 终身幼儿园组
维护者	Scratch Foundation
初始发布	2016年
编程语言	JavaScript
运行环境	浏览器、Node.js、桌面端
许可证	BSD-3-Clause
代码仓库	scratch-editor（mono-repo）
上游模块	scratch-blocks
下游模块	scratch-render、scratch-audio

概述

Scratch虚拟机是Scratch 3.0生态系统的底层引擎，其核心职责包括项目文件的加载与序列化、积木逻辑的解析与执行、多角色（Sprite）并发线程的调度，以及扩展功能的管理。与Scratch 2.0基于Adobe Flash的架构不同，Scratch 3.0完全基于HTML5、CSS与JavaScript构建，虚拟机作为纯JavaScript库可在浏览器、Node.js及桌面端等多种环境中运行。

架构设计

核心组件

Scratch虚拟机的架构围绕两个关键类构建：VirtualMachine与Runtime。VirtualMachine类位于src/virtual-machine.js，作为外部交互的主要接口，负责协调舞台、积木与扩展之间的连接；其内部包含一个runtime实例，来自src/engine/runtime.js，是实际管理程序执行的核心引擎。Runtime存储所有关键运行时数据，包括目标对象（角色与舞台）、积木定义与执行逻辑、I/O设备状态（键盘、鼠标、视频等）以及线程调度队列。

抽象语法树

虚拟机通过blockListener监听scratch-blocks工作区发出的事件，据此构建并维护抽象语法树（AST）。每个可执行目标（如角色）均保有独立的AST，可在运行时通过vm.runtime.targets[...].blocks查看其状态。AST中的每个积木节点包含标识符、操作码（opcode）、输入参数、字段值及执行链接等完整信息，为后续线程执行提供结构化依据。

线程与执行模型

Scratch采用协作式多任务模型。Runtime维护一个线程队列，每个线程对应一条积木脚本链。虚拟机通过周期性的"步进"（step）机制调度线程执行：在每个帧周期内，线程依次执行其积木链中的指令，直至遇到 yield 点（如等待、重绘请求）或脚本结束。该设计保证了单线程JavaScript环境下的并发表现，同时避免了传统抢占式调度带来的复杂性。

功能特性

项目加载与序列化

虚拟机支持解析.sb2与.sb3格式的项目文件，加载其中包含的图片、声音等资源，并将角色渲染到舞台上。同时，虚拟机可将当前项目状态反向序列化，打包为.sb3文件以供导出或分享。

扩展系统

Scratch虚拟机通过src/extensions/目录支持功能扩展。开发者可基于官方API创建自定义扩展，为Scratch添加新的积木分类与硬件支持。内置扩展包括画笔（Pen）、音乐（Music）、视频感知（Video Sensing）以及Micro:bit、LEGO Mindstorms等硬件连接扩展。

运行时监控

虚拟机内置Playground调试环境，开发者启动开发服务器后可访问本地端口查看项目性能实时监控、积木执行次数统计、内存使用跟踪及帧速率分析等数据。

开发与部署

仓库迁移

2024年至2025年间，Scratch团队将scratch-vm模块迁移至新的单体仓库（mono-repo）scratch-editor中，原独立仓库被归档并设为只读。新版本以@scratch/scratch-vm名称发布于NPM registry。迁移旨在统一管理编辑器各包的依赖关系，降低跨模块变更的维护成本，计划于2025年内分四批完成全部迁移工作。

使用方式

开发者可通过NPM直接安装：npm install scratch-vm，或在浏览器中通过独立构建版本引入。在Node.js环境中，通过require('scratch-vm')获取VirtualMachine类，实例化后监听积木变更事件并调用vm.start()启动运行时。