Scratch-VM

Scratch虛擬機（英文：Scratch Virtual Machine，簡稱Scratch VM或scratch-vm）是Scratch 3.0的核心執行引擎與運行時庫，由麻省理工學院媒體實驗室（MIT Media Lab）終身幼兒園組（Lifelong Kindergarten Group）開發，現由Scratch基金會（Scratch Foundation）維護。該庫以JavaScript實現，負責將用戶通過拖拽積木構建的圖形化程序解析為抽象語法樹（AST），並管理程序狀態的表示、運行與維護。作為Scratch 3.0技術架構的中間層，Scratch虛擬機向上與Scratch Blocks對接以接收積木變更事件，向下調用Scratch Render等模塊完成舞台渲染，同時通過擴展系統支持硬件與第三方服務的接入。

Scratch虛擬機
中文名	Scratch虛擬機
英文名	Scratch Virtual Machine
縮寫	Scratch VM / scratch-vm
開發者	MIT Media Lab 終身幼兒園組
維護者	Scratch Foundation
初始發布	2016年
編程語言	JavaScript
運行環境	瀏覽器、Node.js、桌面端
許可證	BSD-3-Clause
代碼倉庫	scratch-editor（mono-repo）
上游模塊	scratch-blocks
下游模塊	scratch-render、scratch-audio

概述

Scratch虛擬機是Scratch 3.0生態系統的底層引擎，其核心職責包括項目文件的加載與序列化、積木邏輯的解析與執行、多角色（Sprite）並發線程的調度，以及擴展功能的管理。與Scratch 2.0基於Adobe Flash的架構不同，Scratch 3.0完全基於HTML5、CSS與JavaScript構建，虛擬機作為純JavaScript庫可在瀏覽器、Node.js及桌面端等多種環境中運行。

架構設計

核心組件

Scratch虛擬機的架構圍繞兩個關鍵類構建：VirtualMachine與Runtime。VirtualMachine類位於src/virtual-machine.js，作為外部交互的主要接口，負責協調舞台、積木與擴展之間的連接；其內部包含一個runtime實例，來自src/engine/runtime.js，是實際管理程序執行的核心引擎。Runtime存儲所有關鍵運行時數據，包括目標對象（角色與舞台）、積木定義與執行邏輯、I/O設備狀態（鍵盤、鼠標、視頻等）以及線程調度隊列。

抽象語法樹

虛擬機通過blockListener監聽scratch-blocks工作區發出的事件，據此構建並維護抽象語法樹（AST）。每個可執行目標（如角色）均保有獨立的AST，可在運行時通過vm.runtime.targets[...].blocks查看其狀態。AST中的每個積木節點包含標識符、操作碼（opcode）、輸入參數、字段值及執行鏈接等完整信息，為後續線程執行提供結構化依據。

線程與執行模型

Scratch採用協作式多任務模型。Runtime維護一個線程隊列，每個線程對應一條積木腳本鏈。虛擬機通過周期性的"步進"（step）機制調度線程執行：在每個幀周期內，線程依次執行其積木鏈中的指令，直至遇到 yield 點（如等待、重繪請求）或腳本結束。該設計保證了單線程JavaScript環境下的並發表現，同時避免了傳統搶占式調度帶來的複雜性。

功能特性

項目加載與序列化

虛擬機支持解析.sb2與.sb3格式的項目文件，加載其中包含的圖片、聲音等資源，並將角色渲染到舞台上。同時，虛擬機可將當前項目狀態反向序列化，打包為.sb3文件以供導出或分享。

擴展系統

Scratch虛擬機通過src/extensions/目錄支持功能擴展。開發者可基於官方API創建自定義擴展，為Scratch添加新的積木分類與硬件支持。內置擴展包括畫筆（Pen）、音樂（Music）、視頻感知（Video Sensing）以及Micro:bit、LEGO Mindstorms等硬件連接擴展。

運行時監控

虛擬機內置Playground調試環境，開發者啟動開發服務器後可訪問本地端口查看項目性能實時監控、積木執行次數統計、內存使用跟蹤及幀速率分析等數據。

開發與部署

倉庫遷移

2024年至2025年間，Scratch團隊將scratch-vm模塊遷移至新的單體倉庫（mono-repo）scratch-editor中，原獨立倉庫被歸檔並設為只讀。新版本以@scratch/scratch-vm名稱發布於NPM registry。遷移旨在統一管理編輯器各包的依賴關係，降低跨模塊變更的維護成本，計劃於2025年內分四批完成全部遷移工作。

使用方式

開發者可通過NPM直接安裝：npm install scratch-vm，或在瀏覽器中通過獨立構建版本引入。在Node.js環境中，通過require('scratch-vm')獲取VirtualMachine類，實例化後監聽積木變更事件並調用vm.start()啟動運行時。