深入理解JavaScript——原型

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山头人汉波
     上海
    阅读 9 分钟
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    这篇文章将尝试回答这些问题：

    • 原型是什么
    • 为什么要有原型
    • prototype 和 __proto__ 有什么区别
    • 原型链又是什么
    • 原型是如何实现继承的
    • 原型和原型链的关系如何

    概述

    首先，JavaScript 是基于原型继承（Prototypal inheritance）的语言。原型（prototype）是给其他对象提供共享属性的对象，每个函数都有一个 prototype 属性，它指向的是一个 prototype 对象。每个对象都有一个隐式引用（[[Prototype]]），并且 [[Prototype]] 指向它的原型对象，并从中继承数据、结构和行为。同时原型对象同样拥有原型（函数也是对象，它也有[[Prototype]]），这样一层一层，最终指向 null，这种关系被称为原型链

    从本质上说，原型是为实现继承的手段。既然 JavaScript 选择了这种方式实现，我们就有必要讨论原型继承是什么？它有什么优缺点以及它与类继承的区别，以及在 JavaScript 中其他继承方式

    在文章开始，我们先统一一些概念问题，以便后文理解

    统一概念

    《JavaScript 高级程序设计第 4 版》介绍原型：

    无论何时，只要创建一个函数，就会按照特定的规则为这个函数创建一个 prototype 属性（指向原型对象）。默认情况下，所有原型对象自动获得一个名为 constructor 的属性，指回与之关联的构造函数

    《JavaScript 高级程序设计第 4 版》英文版介绍原型：

    Whenever a function is created, its prototype property is also created according to a specific set of rules. By default, all prototypes automatically get a property called constructor that points back to the function on which it is a property.

    ECMA 规范中如此定义原型：

    4.4.8 prototype

    object that provides shared properties for other objects

    其被定义为：为其他对象提供共享属性的对象

    MDN 介绍原型：

    遵循 ECMAScript 标准，someObject.[[Prototype]] 符号是用于指向 someObject 的原型。从 ECMAScript 6 开始，[[Prototype]] 可以通过 Object.getPrototypeOf()和 Object.setPrototypeOf()访问器来访问。这个等同于 JavaScript 的非标准但许多浏览器实现的属性 __proto__

    但它不应该与构造函数 func 的 prototype 属性相混淆。被构造函数创建的实例对象的 [[Prototype]] 指向 func 的 prototype 属性。Object.prototype 属性表示 Object 的原型对象

    所以我们这样理解原型：

    • 又名 prototype，它的职责是给其它对象提供共享属性
    • 从数据结构的角度看，它就是个单向链表
    • 原型对象：每个函数都有一个 prototype 属性，这个属性是一个指针，指向一个对象，这个对象称为原型对象；每个对象都有一个 [[Prototype]] 属性，它同样是个指针，指向原型对象
    • 原型属性：每个函数都有一个 prototype 属性，唤为原型属性，指向原型对象
    • 所以原型、prototype 、原型对象、原型属性其实是一个东西的不同称呼，就像一个人在父母眼里是孩子，在儿女面前是爸妈，走在路上就是一个路人。当我们称呼这个东西为原型时，想表达的是它有什么作用；当我们称它为原型对象时，是因为每个对象在其创建时会自带 [[Prototype]] 属性，并指向它；当我们称它为原型属性时，是因为每个函数都会在创建时自带 prototype 属性，而且这个属性是个指针，指向了原型对象

    除此之外，还有一些概念：

    • 函数对象：所有 Function（内置构造函数） 的实例都是函数对象
    • 普通对象：函数对象除外的均为普通对象
    • 构造函数：又称构造器，英文名叫 constructor
    • 隐式原型：__proto__，又名[[Prototype]]，它指向原型对象

    如此，我们统一了概念，接下来解释下什么是 prototype、为什么会有 prototype... 等等问题

    名词解释

    prototype

    原型会让笔者想起《百年孤独》，一族六代人的家族故事。笔者至今还记得书中的一句话：
    家族的第一个人被绑在树上，家族的最后一个人正被蚂蚁吃掉

    笔者为什么看到原型会想起《百年孤独》呢？因为笔者常被原型、原型对象、prototype、__proto__ 、[[Prototype]] 等名词和概念搞晕，就好比《百年孤独》中的人物名，过段时间就分不清谁是谁了

    无论是书还是规范，都有一个对原型的解释：

    JavaScript 的每个函数都有一个 prototype 属性，它指向原型对象；每个对象都有一个 [[Prototype]] 属性，它指向原型对象

    Give you an example

    function Foo() {}
Foo.prototype.name = 'johan';
console.dir(Foo);
console.dir(Foo.prototype);

    打印之后：

    原型

    打印 Foo 的原型，看到了三个属性。而我们只赋值了 name，为什么会多两个参数呢？

    实际上，语言底层帮我们实现了，无论是什么对象，只要一创建，就会自带 constructor 和 [[Prototype]]。而原型对象亦是对象，即 Foo.prototype 是对象，所以它也有 constructor 和 [[Prototype]]

    当然，因为函数也是对象，所以它也有 constructor 和 [[Prototype]]

    函数也是对象

    这里需要说明：虽然在浏览器中打印 Foo 没看到 constructor 属性，但它确实存在，它指向 Function 内置构造函数

    这里我们可以确认一点，只要创建一个函数，函数就会自带 prototype 属性，它是个对象，并带有 [[Prototype]] 和 constructor 。那什么是 [[Prototype]] 呢

    [[Prototype]] 和 __proto__

    前文例子中用 Foo.__proto__ 来打印日志，而不是用 Foo.[[Prototype]]，而在打印 Foo 时，却看到隐式原型的名字是 [[Prototype]]，然而在其他文章中能看到__proto__

    实际上，无论是 [[Prototype]] ，还是 __proto__，指的都是同一个东西，在较早的文章中，为区分原型，我们叫它隐式原型。而它的出现，是一个历史问题

    官方 ECMAScript 规定了 prototype 是个隐式引用，但是民间浏览器开了口子，实现了一个属性 __proto__，让实例对象可以通过 __proto__ 访问原型对象。再后来官方只好向事实低头，将 __proto__ 属性纳入规范中。后来在 ECMAScript 2015 提出了 getPrototypeOf() 及 setPrototypeOf() 方法来获取/设置原型对象

    至于 [[Prototype]]，是在浏览器打印才显示的，它和 __proto__ 是一个含义，只是浏览器厂商换了个马甲。而且我们能在开发者工具中查看到的 [[Prototype]]（或 __proto__ ）是浏览器厂商故意渲染的一个虚拟节点。实际上并不存在该对象

    所以 [[Prototype]] 属性既不能被 for in 遍历，也不能被 Object.key(obj) 查找出来

    在前文中我们解释了每个对象都有 [[Prototype]] 属性，它指向原型对象，而原型对象也有自己的隐式引用（ [[Prototype]]），也有自己的原型对象，我们可以理解为父类对象。它的作用是当你在访问一个属性时，如果对象内部不存在这个属性，就会循着 [[Prototype]] 属性指向它的原型对象（父类对象）上查找，如果父类对象依然没有这个值，就会沿着父类对象的 [[Prototype]] 往它的父类对象上查找。以此类推，直到找到 null 为止。这一层层的追溯查找过程，就构成了原型链

    prototype chain

    原型链是 prototype 和 [[Prototype]] 的结合形成的产物

    Give you an example

    function Person(name) {
  this.name = name;
}
Person.prototype.sayName = function () {
  return this.name;
};
var johan = new Person('johan');
console.log(johan.sayName()); // 'johan'
console.log(johan.toString()); // '[object Object]'
    这里涉及到继承、new 关键字，后文会再做说明，这里假设你已明白基础概念

    我们创建了一个构造函数 Person，在它的原型上创建一个方法 sayName，new Person 实例对象 johan，此时的 johan 属性上唯一的值就是 name

    对象johan

    当我们使用方法 johan.sayName() 时，它在自有属性上找，找不到 sayName 方法，就沿着 [[Prototype]] 往它的原型对象上找，即 Person.prototype，在这里它找到了 sayName，调用它返回值

    Person.prototype

    当我们调用方法 johan.toString()，同样，自有属性上找，找不到沿着 [[Prototype]] 往它的原型对象上找，如上，还是找不到，就沿着 Person.prototype 的原型对象再往上找，即 Person.prototype.__proto__，在这里，找到了属性 toString，调用并返回值

    Person.prototype的原型对象

    如果你眼熟这上面的属性，就能明白它是 Object.prototype，也就是说

    Person.prototype.__proto__ === Object.prototype; // true

    即构造函数 Person 的原型继承自 Object.prototype

    这就是原型链的作用，所以说 JavaScript 是基于原型继承的语言

    所以依靠原型，就能实现继承，至于构造函数（constructor）它同样也能实现继承，不过是另一个话题了

    constructor

    前文中一直有使用构造函数，它的作用是初始化对象，为对象成员变量赋初始值

    关于 constructor ，我们能衍生出 constructor 的始祖 Function （内置构造函数）与 原型的始祖 Object.prototype 的鸡生蛋和蛋生鸡问题，具体可看这篇——JavaScript 中的始皇

    也能通过盗用构造函数来实现继承，更能通过与原型的结合，实现更多可能的继承，具体所有的方法笔者会写在这篇——继承

    不过在了解继承之前，不妨先看看原型继承

    创建对象和原型继承

    在讲 Object 时，曾讲到对象的创建有三种方法，对象字面量、关键字 new、Object.create，而这三者都为原型继承

    所谓的原型继承，无非是将一个对象设置为另一个对象的原型

    在 JavaScript 中，有两类原型继承的方法：显式继承和隐式继承。两者的区别在于是否主动操作。像对象字面量、关键字 new 就是隐式继承，语言底层帮我们做了继承（正如前文第一个例子），像 Object.create，就是显式继承，需要开发者手动操作。除此之外，还有一种显式继承——Object.setPrototypeOf

    Object.setPrototypeOf

    此方法设置一个特定的对象的原型到另一个对象或 null。ES6 新增方法。语法为：Object.setPrototypeOf(obj, prototype)。具体例子为：

    const obja = { a: 1 };
const objb = { b: 1 };

Object.setPrototypeOf(obja, objb);
console.log(obja);

    Object.setPrototypeOf

    能看出，我们通过 Object.setPrototypeOf 方法，将 objb 设置为 obja 的原型，打印 obja 时，我们能看到 obja 的隐式原型（[[Prototype]]）指向 objb

    除此之外，还有一个方法能显式继承原型——Object.create

    Object.create

    它用于创建一个新对象，使用现有的对象作为新创建对象的原型。ES5 新增方法。它的语法是 Object.create(proto, propertiesObject) 。可看案例：

    const obja = { a: 1 };
const a = Object.create(obja);
console.log(a);

    Object.create

    笔者在此之前曾写过一篇文章——Object.create，介绍它是如何实现的，其底层就是用到了原型继承

    我们对 Object.setPrototypeOf 和 Object.create 进行对比

    • Object.setPrototypeOf，给我两个对象，将其中一个设置为另一个的原型
    • Object.create，给我一个对象，将它作为我所创建的新对象的原型

    从发展的角度看，Object.create 是 ES5 出现，但它不满足两个对象设置原型时，ES6 就提供了新的方法——Object.setPrototypeOf。但无论如何，它们都是后来因为个别需求而新增的 API，无法与 JavaScript 一开始采用的隐式继承相媲美

    隐式原型继承

    这里，我们不妨温习一下 new 实现原理：

    1. 创建一个新对象
    2. 设置该对象的 [[Prototype]] 为构造函数 prototype 属性
    3. 将构造函数内部的 this 赋值给该对象
    4. 执行构造函数的内部代码
    5. 如果构造函数返回非空对象，则返回该对象；否则，返回刚创建的新对象

    这就是隐式继承，只要我们使用 new 创建对象，就会执行以上步骤，当然，用对象字面量是有一样的隐式操作

    var obj = {}; // === new Object() 对象字面量
var arr = []; // === new Array() 数组字面量
function func() {} //  new Function(); 函数字面量
var str = '123'; // === new Srting('123') 字符串字面量
var bool = true; // === new Boolean(true) 布尔字面量
// ...

    JavaScript 提供了几个内置的构造函数，如 Object、Array、Boolean、String、Number 等等，当我们使用 {}、[]、function 等符号或关键字时，就是在执行与new操作一样的隐式原型继承

    我们可以这样说：隐式原型继承的目的是方便开发者更简洁的实现继承

    隐式原型继承和显式原型继承的互相转换

    无论是隐式原型继承，还是显式原型继承，都是对对象隐式引用的应用。两者之间具有一定的互操作性，也就是说，用其中一个，能实现另一个的部分行为

    例如我们用隐式原型继承实现 Object.create，实现上是手写 Object.create 方法，正如我们在 Object.create 中曾实现的那样：

    function create(proto) {
  function F() {}
  F.prototype = proto;
  return new F();
}

    原理也很简单，创建一个函数，将它的原型赋值为目标对象，在实例化这个函数，返回实例化后的值。new 实例化，相当于实例化的值的 [[Prototype]] 指向了目标对象

    function create(proto) {
  function F() {}
  // 创建一个函数，每个函数都有一个 prototype 属性，指向原型对象
  F.prototype = proto;
  // 原本的 prototype 是一个对象，其中有两个属性，一个是 constructor，即构造函数，指向 F；另一个为 [[Prototype]]，指向 Object.prototype
  // 现在将它赋值为 proto
  return new F();
  // new的作用是创建空对象，将该对象的原型赋值为另一个构造函数的 prototype 属性，并执行该构造函数
  // 所以 new F() 后的实例的的[[Prototype]]指向 F.prototype，也就是传入的 proto
}

    以上，我们就用 new 实现了显式原型继承

    那么如何用显式原型继承实现 new （或者对象字面量）呢

    我们在手写 new 中已经实现过，这里贴上代码：

    function new2(Constructor, ...args) {
  var obj = Object.create(null); // 创建一个对象
  obj.__proto__ = Constructor.prototype; // 将新对象的 [[Prototype]] 属性赋值为构造函数的原型对象
  var result = Constructor.apply(obj.args); // this赋值新对象并初始化
  return typeof result === 'object' ? result : obj; // 非空返回结果
}

    这也解释了面试时常考的两个面试题：手写 new 和手写 Object.create，两者一个是隐式原型继承，另一个是显式原型继承，两者间能通过各自特性实现对方方法

    总结

    如此，我们就明白了原型是什么，原型与原型链的关系等等。而且我们知道 「JavaScript 是基于原型继承的语言」这句话的涵义。

    虽然现在原型在面试中已经显得不重要，知乎上曾有过这样的问题——面试一个 5 年的前端，却连原型链也搞不清楚，满口都是 Vue，React 之类的实现，这样的人该用吗？。不懂原型照样开发业务也很正常。笔者觉得这并不奇怪，毕竟前端的前端开发已经从面向对象转向函数式编程

    在文末回答下文章开头的问题

    Q：原型是什么？

    A：给其他对象提供共享属性的对象

    Q：为什么要有原型？

    A： JavaScript 是基于原型继承的语言，在这里是为了实现继承

    Q： prototype 和 __proto__ 有什么区别

    A： prototype 是函数特有的属性，每个函数创建时都会自带 prototype 属性，它指向一个对象，这个对象叫做原型对象。而每个对象都有一个 __proto__ 属性，它也指向原型对象。如果说两者有什么关系？那么 子对象的__proto__ === 父对象的 prototype

    Q：原型链又是什么

    A：每个对象都有 __proto__ 属性，它指向原型对象，原型对象也是对象，也有 __proto__ 属性，并指向它的原型对象，这样一层一层，最终指向 null，这种关系被称为原型链。

    Q：原型是如何实现继承的

    A：原型继承有四种方法，以是否手动操作为依据分为隐式原型继承和显式原型继承。隐式原型继承在我们开发中占大多数，即对象字面量和 new，即这两种方法语言底层会帮我们实现创建对象、关联原型和属性初始化。显式原型继承分为 Object.create 和 Object.setPrototypeOf，它能主动设置某个对象为另一个对象的原型

    Q：原型和原型链的关系如何

    A：原型是实现继承的方法，原型链是继承的产物

    参考资料

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