JavaScript 原型机制

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前言

原型链的概念相信大家都知道,ES6 出来以后可能关注度没有以前那么高的。虽然在 ES2015/ES6 中引入了 class 关键字,但那只是语法糖,JavaScript 仍然是基于原型的,作为 JavaScript 中的主要继承方式,我们有必要深入理解它。理解了原型之后,你对对象的理解也会更深入。

原型机制

原型机制说起来很简单,就是一个对象可以访问它原型对象上的属性和方法,从而实现属性和方法的复用。而原型对象又有自己的原型对象,这样原型就构成了一个链式结构,也就是我们说的原型链。一个对象可以访问自己原型链上的所有方法和属性。

JavaScript 中的继承只有一种结构:对象。每个实例对象( object )都有一个私有属性(称之为 __proto__,引擎内部是 [[prototype]] )指向它的构造函数的原型对象(prototype )。该原型对象也有一个自己的原型对象( __proto__ ) ,层层向上直到一个对象的原型对象为 null。根据定义,null 没有原型,并作为这个原型链中的最后一个环节。

JavaScript 中,我们知道的数据类型有 Number, String, Undefined, Null, Boolean, BigInt, Symbol 七个基础类型,还有就是一个引用类型 Object。在内置对象比如 Function, Array, Date, RegExp 等中,Function 是一个特殊的内置对象。

我们将 JavaScript 中的对象分成两大类,一类是 Object ,一类就是 Function。我们来说一下他们之间的关系。


我们创建对象有很多种方法,Object.create()new Object()new function(),和对象字面量等。但其实他们的本质都是 new Object() (关于 new 和对象创建的内容参考另外两篇文章:JavaScript对象属性类型和赋值细节JavaScript中new操作符的解析和实现)。

Object.prototype.__proto__

我们用 new Object() 创建一个空对象,它在 Chrome 中打印出的结果如下。

proto3

我们可以看到所谓的 空对象,并不是完全空的,它内部有一个 __proto__ 属性。但其实这个属性并不是它自身的,这个属性是 Object.prototype.__proto__,一个访问器属性(一个 getter 函数和一个 setter 函数), 暴露了通过它访问的对象的内部 [[Prototype]] (一个对象或 null)。

这里要注意,Object.prototype.__proto__ 和内部的 [[prototype]] 并不是同一个东西。我们的原型是靠内部的 [[prototype]] 链接的,Object.prototype.__proto__ 只是浏览器提供的一个访问器属性向我们暴露 [[prototype]]

这个属性是由浏览器厂商提供的,并且目前绝大多数的浏览器都支持这个属性,所以 ECMAScript 2015 中也将其写入标准附录中,保持浏览器的兼容性。但是直接修改对象的 [[prototype]] 在任何引擎和浏览器中都是非常慢并且影响性能的操作,使用这种方式来改变和继承属性是对性能影响非常严重的,并且性能消耗的时间也不是简单的花费在 obj.__proto__ = ... 语句上, 它还会影响到所有继承来自该 [[Prototype]] 的对象。标准中还提供了两组关于读写原型对象的方法 Object.getPrototypeOf/Reflect.getPrototypeOfObject.setPrototypeOf/Reflect.setPrototypeOf。不过写对象和上面说的一样,依然是一个影响性能的操作,如果你关心性能,不应该用这些方法。比较好的实践是用 Object.create() 来设置原型,用 Object.getPrototypeOf() 来读取原型对象。

我们同样可以用对象字面量来设置 __proto__,也可以自定义 __proto__ 来覆盖 Object.prototype.__proto__。参考文章:JavaScript对象属性类型和赋值细节

不同类型的对象其 [[prototype]] 是不同的,对于使用数组字面量创建的对象,这个值是 Array.prototype。对于 functions,这个值是 Function.prototype。对于使用 new fun 创建的对象,其中 fun 是由 js 提供的内建构造器函数之一(Array, Boolean, Date, Number, Object, String 等等),这个值总是 fun.prototype。对于用 js 定义的其他 js 构造器函数创建的对象,这个值就是该构造器函数的 prototype 属性。关于内置对象之间的关系,我们后面会详细讨论。

Object 和 Function

ObjectFunctionJavaScript 中最重要的两个对象,他们同时也是构造函数 function Object(), function Function()。几乎所有对象都是 function Object() 的实例,而所有函数都是 function Function() 的实例,包括 Object 也是由 Function 构造的。

我们上面说过对象内部有一个 [[prototype]] 属性指向它的源性对象;而每一个函数都有一个 prototype 属性,指向由这个函数构造出的对象的 [[prototype]]。更准确的说,在函数被创建的时候,就有一个 prototype 属性指向一个对象,这个对象本身只有一个 constructor 属性指向这个函数。当用 new func() 创建对象的时候,新对象的 [[prototype]] 就指向构造函数的 prototype 对应的对象。不过需要注意的是 prototypeconstructor 都是可以 重写 的。

proto3

对于我们的自定义对象,这是很好理解的。那么内置对象之间的关系,特别是 ObjectFunction 之间的关系是怎么样的呢。先明确两点:

  1. 一切函数都是由 function Function() 构造的,所以函数的 [[prototype]] 指向 Function.prototype
  2. 所有由 function Object() 构造的非函数对象的 [[prototype]] 指向 Object.prototype
  3. 函数的创建的同时,会创建一个 function.prototype 对象,该对象是一个由 function Object() 构造的对象。prototype 属性可以任意指定,指定的对象内可能没有 constructor 属性或者是错误的 constructor
  4. 所有非函数对象都是由构造函数通过 new 运算符创建的(本质都是 new Object(),很多内置对象可以省略 new,比如 FunctionObjectArray,省略和不省略效果是一样的)。这个构造函数要么是自定义的(由 function Function() 构造),要么是 function Object()
  5. 自定义函数手动指定 prototype 为其它自定函数的实例, 可以让我们实现链式继承,这条链最终有一个节点会是有 function Object() 构造的对象,它的 [[protottype]] 指向 Object.prototype。所以我们可以说,所有的非函数对象都是 function Object() 的实例。

其实记住这几点就可以应对绝大部分问题,如果你还对内置对象的关系有兴趣,可以继续往下看。


根据我们上面的两条规律我们可以知道 Object[[prototype]] 指向 Function.prototype,那么 function Function()Function.prototypeObject.prototype[[prototype]] 都分别是什么呢?

先说 Object.prototype,它是所有非函数对象的 [[prototype]] 指向,而它自己的 [[prototype]] 指向的就是 null,也就是一切对象的原型链的终点。它的 constructor 属性指向 function Object()

function Function()[[prototype]] 和其它的函数一样,指向 Function.prototype,也就是说 function Function()prototype[[prototype]]指向的是同一个对象 Function.prototype

Function.prototype[[prototype]] 指向的是 Object.prototypeconsctructor 指向的是 function Function()。其实 Function.prototype 本身就是函数,可以直接调用,接受任何参数并返回 undefined

为什么要这样呢?我认为是确保每一个函数对象,非函数对象,他们的原型链上都有 Object.prototype,都能够访问 Object.prototype 上定义的一些公有方法。

constructor: ƒ Object()
hasOwnProperty: ƒ hasOwnProperty()
isPrototypeOf: ƒ isPrototypeOf()
propertyIsEnumerable: ƒ propertyIsEnumerable()
toLocaleString: ƒ toLocaleString()
toString: ƒ toString()
valueOf: ƒ valueOf()
__defineGetter__: ƒ __defineGetter__()
__defineSetter__: ƒ __defineSetter__()
__lookupGetter__: ƒ __lookupGetter__()
__lookupSetter__: ƒ __lookupSetter__()
get __proto__: ƒ __proto__()
set __proto__: ƒ __proto__()

想要更清晰的看清楚我上面说的关系,可以借助于这张来自网上的图,画的非常好。

proto3

其他内置对象

最后在说一说其他的内置对象,绝大多数内置对象都是函数对象(BigIntMathJSONReflect 不是函数对象),虽然有些不能用 new 操作符(比如 Symbol,有些对象用不用 new 表现一样,比如 ObjectFunctionArray 等)。所以内置对象的 [[prototype]] 指向 function.prototype。内置对象的 prototype 一般来说就是一个普通的对象(用 function Object() 构造的)。这个对象上挂载了很多该类型可以使用的方法,比如 Array.prototype 有如下属性:

concat: ƒ concat()
constructor: ƒ Array()
copyWithin: ƒ copyWithin()
entries: ƒ entries()
every: ƒ every()
fill: ƒ fill()
filter: ƒ filter()
find: ƒ find()
findIndex: ƒ findIndex()
flat: ƒ flat()
flatMap: ƒ flatMap()
forEach: ƒ forEach()
includes: ƒ includes()
indexOf: ƒ indexOf()
join: ƒ join()
keys: ƒ keys()
lastIndexOf: ƒ lastIndexOf()
length: 0
map: ƒ map()
pop: ƒ pop()
push: ƒ push()
reduce: ƒ reduce()
reduceRight: ƒ reduceRight()
reverse: ƒ reverse()
shift: ƒ shift()
slice: ƒ slice()
some: ƒ some()
sort: ƒ sort()
splice: ƒ splice()
toLocaleString: ƒ toLocaleString()
toString: ƒ toString()
unshift: ƒ unshift()
values: ƒ values()
Symbol(Symbol.iterator): ƒ values()
Symbol(Symbol.unscopables): {copyWithin: true, entries: true, fill: true, find: true, findIndex: true, …}
__proto__: Object

需要注意的一点是,几乎所有内置对象的属性都是不可枚举的,所以无论是 for ... in 还是 Object.keys() 都是无法枚举这些属性的。我们自己也可以在内置对象的 prototype 上添加属性或者方法,让所有该类型的对象都能使用。

基本包装类型 StringNumberBoolean 在一般情况下不要使用创建对象的方式来初始化对应的类型。使用这种方式创建的值都是对象(使用 typeof 返回 object),而且所有基本包装类型的对象都会被转换为布尔值 true。看下面的代码。

console.log(typeof String('')) //string
console.log(typeof new String('')) //object
console.log(!!'') //false
console.log(!!String('')) //false
console.log(!!new String('')) //true

console.log(typeof Number(0)) //number
console.log(typeof new Number(0)) //object
console.log(!!0) //false
console.log(!!Number(0)) //false
console.log(!!new Number(0)) //true

console.log(typeof Boolean('')) //string
console.log(typeof new Boolean('')) //object
console.log(!!Boolean('')) //false
console.log(!!new Boolean('')) //true

关于 constructorprototype 有一个有趣的小题目,可以看一看:关于constructor和prototype的思考

参考文章

  1. 继承与原型链 – MDN
  2. Object.prototype.proto – MDN

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