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該來理解 JavaScript 的原型鍊了

JavaScript

前言

老實說 JavaScript 的原型鍊一直是我很懼怕的一個主題，理由很簡單，因為真的不太好理解。光是一堆名詞跟錯綜複雜的關係就可以把你搞瘋，例如說prototype, __proto__, constructor, Object.prototype, Function.prototype, new等等。

可是呢，這又確實是 JavaScript 很重要的一部分，而且是面試的必考題，就算現在不懂，以後遲早有一天要把它弄懂，不然的話永遠都沒辦法把自己的技術能力往上提高一個檔次。

有關原型鍊的文章你可以在網路上搜到一大堆，每一篇的理解方式都不太一樣，有些直接搬出一大堆專有名詞，嚇都把你嚇死了。而我也是一直到最近，看了幾篇我覺得切入角度比較不錯的文章，才真正對原型鍊有比較深刻的理解。

就趁著現在這個機會，讓我們多瞭解一點 JavaScript 的原型鍊吧！這篇適合對 JavaScript 有一點概念但又不是很清楚的人觀看，如果文章中有講錯的地方，也麻煩不吝在評論中指出，感謝。

JavaScript 中的 class

要理解原型鍊，可以先從這兩篇我覺得很棒的切入角度開始：

  1. Javascript继承机制的设计思想
  2. 从设计初衷解释 JavaScript 原型链

這兩篇講到為什麼當初 JavaScript 的機制是這樣設計的，我認為從這個角度開始理解，會是一個比較好的開始。（強烈建議先看過這兩篇之後再往下看，會幫助你更瞭解原型鍊到底是什麼東西）

首先呢，JavaScript 不像 Java 或是其他物件導向的程式語言，它是沒有 class 的（ES6 的 class 也只是語法糖而已）。可是儘管沒有 class，卻還是可以設計出一個類似的機制來達成差不多的功能。

在 Java 裡面，如果你要從 class 生出一個 instance 的話，你可以這樣寫：

Point p = new Point();

於是 JavaScript 就把這個語法拿來用，有了new這個關鍵字。可是 JavaScript 又沒有 class，new後面要接什麼呢？

這時候他就想到，每一個 class 在初始化的時候，不是都會呼叫 constructor 嗎？也就是構造函數，那在 JavaScript 裡面，後面就接構造函數吧！

於是，下面的程式碼就很好理解了：

// constructor
function Person(name, age) {
  this.name = name;
  this.age = age;
}
  
var nick = new Person('nick', 18);
var peter = new Person('peter', 18);

就如同上面講到的一樣，Person就是一個構造函數，可以用new這個關鍵字 new 出一個 instance 來。

如果你只看下面宣告 nick 那一行（var nick = new Person('nick', 18);），語法是不是跟你在寫 Java 的時候有 87 分像？除此之外，你也可以幫Person加入一些方法。

function Person(name, age) {
  this.name = name;
  this.age = age;
  this.log = function () {
    console.log(this.name + ', age:' + this.age);
  }
}
  
var nick = new Person('nick', 18);
nick.log(); // nick, age:18
  
var peter = new Person('peter', 20);
peter.log(); // peter, age:20

可是這樣其實還有一個小問題， name 跟 age 這兩個屬性，很明顯是每一個 instance 都會不一樣的。可是 log 這個 method，其實是每一個 instance 彼此之間可以共享的，因為都在做同一件事情。

在現在這種情況下，雖然 nick 的 log 這個 function 跟 peter 的 log 這個 function 是在做同一件事，但其實還是佔用了兩份空間，意思就是他們其實是兩個不同的 function。

function Person(name, age) {
  this.name = name;
  this.age = age;
  this.log = function () {
    console.log(this.name + ', age:' + this.age);
  }
}
  
var nick = new Person('nick', 18);
var peter = new Person('peter', 20);
  
console.log(nick.log === peter.log) // false

那怎麼辦呢？我們可以把這個 function 抽出來，變成所有 Person 都可以共享的方法。講到這邊，你應該有聽過一個東西叫做prototype。只要把 log 這個 function 指定在 Person.prototype 上面，所有 Person 的 instance 都可以共享這個方法。

function Person(name, age) {
  this.name = name;
  this.age = age;
}
  
Person.prototype.log = function () {
  console.log(this.name + ', age:' + this.age);
}
  
var nick = new Person('nick', 18);
var peter = new Person('peter', 20);
  
console.log(nick.log === peter.log) // true
  
// 功能依舊跟之前一樣
nick.log(); // nick, age:18
peter.log(); // peter, age:20

有些人會直接在 Array.prototype 上面加一些函式，讓自己可以更方便地做一些操作，原理也是這樣。可是一般來說，不推薦直接去修改不屬於你的 Object。

Array.prototype.last = function () {
    return this[this.length - 1];
};
  
console.log([1,2,3].last()) // 3

最後幫大家總結一下，上面這一段其實主要是幫大家複習一下 JavaScript 的一些基礎。

你有一個叫做Person的函數，就可以把Person當作 constructor，利用var obj = new Person()來 new 出一個Person的 instance，並且可以在Person.prototype上面加上你想讓所有 instance 共享的屬性或是方法。

探究原理

不知道你會不會好奇一件事，以上面var nick = new Person('nick', 18);的例子來說，當我在呼叫nick.log()的時候，JavaScript 是怎麼找到這個 function 的？

因為 nick 這個 instance 本身並沒有 log 這個 function。但根據 JavaScript 的機制，nick 是 Person 的 instance，所以如果在 nick 本身找不到，它會試著從Person.prototype去找。

可是，JavaScript 怎麼知道要到這邊去找？所以一定是 nick 跟Person.prototype會透過某種方式連接起來，才知道說要往哪邊去找 log 這個 function。

而這個連接的方式，就是__proto__。
（附註：其實比較好的方式是用Object.getPrototypeOf()，但這邊為了方便起見，還是使用比較常見的__proto__，更詳細的說明可參考：MDN: Object.prototype.proto）

function Person(name, age) {
  this.name = name;
  this.age = age;
}
  
Person.prototype.log = function () {
  console.log(this.name + ', age:' + this.age);
}
  
var nick = new Person('nick', 18);
  
console.log(nick.__proto__ === Person.prototype) // true

nick 的__proto__會指向Person.prototype，所以在發現 nick 沒有 log 這個 method 的時候，JavaScript 就會試著透過__proto__找到Person.prototype，去看Person.prototype裡面有沒有 log 這個 method。

那假如Person.prototype還是沒有呢？那就繼續依照這個規則，去看Person.prototype.__proto__裡面有沒有 log 這個 method，就這樣一直不斷找下去。找到時候時候為止？找到某個東西的__proto__是 null 為止。意思就是這邊是最上層了。

而上面這一條透過__proto__不斷串起來的鍊，就叫做原型鍊。透過這一條原型鍊，就可以達成類似繼承的功能，可以呼叫自己 parent 的 method。

看下面這段程式碼你大概會有一些感覺：

function Person(name, age) {
  this.name = name;
  this.age = age;
}
  
Person.prototype.log = function () {
  console.log(this.name + ', age:' + this.age);
}
  
var nick = new Person('nick', 18);
  
// 這個剛講過了，nick.__proto__ 會指向 Person.prototype
console.log(nick.__proto__ === Person.prototype) // true
  
// 那 Person.prototype.__proto__ 會指向誰呢？會指向 Object.prototype
console.log(Person.prototype.__proto__ === Object.prototype) // true
  
// 那 Object.prototype.__proto__ 又會指向誰呢？會指向 null，這就是原型鍊的頂端了
console.log(Object.prototype.__proto__) // null

如果想知道一個屬性是存在 instance 身上，還是存在於它屬於的原型鍊當中，可以用hasOwnProperty這個方法：

function Person(name, age) {
  this.name = name;
  this.age = age;
}
  
Person.prototype.log = function () {
  console.log(this.name + ', age:' + this.age);
}
  
var nick = new Person('nick', 18);
console.log(nick.hasOwnProperty('log')); // false
console.log(nick.__proto__.hasOwnProperty('log')); // true

有了hasOwnProperty之後，我們就可以自己來模擬這段往上找的過程：

function Person(name, age) {
  this.name = name;
  this.age = age;
}
  
Person.prototype.log = function () {
  console.log(this.name + ', age:' + this.age);
}
  
var nick = new Person('nick', 18);
  
function call(obj, methodName) {
  var realMethodOwner = obj;
  
  // 不斷往上找，直到 null 或者是找到真的擁有這個 method 的人為止
  while(realMethodOwner && !realMethodOwner.hasOwnProperty(methodName)) {
    realMethodOwner = realMethodOwner.__proto__;
  }
  
  // 找不到就丟一個 error，否則執行這個 method
  if (!realMethodOwner) {
    throw 'method not found.';
  } else {
    realMethodOwner[methodName].apply(obj);
  }
}
  
call(nick, 'log'); // nick, age:18
call(nick, 'not_exist'); // Uncaught method not found.

做到這邊，其實你已經對原型鍊有了比較深刻的了解了。

來考你一題，Person.__proto__會是什麼？

function Person(name, age) {
  this.name = name;
  this.age = age;
}
  
Person.prototype.log = function () {
  console.log(this.name + ', age:' + this.age);
}
  
var nick = new Person('nick', 18);
  
console.log(Person.__proto__ === Function.prototype); // true
console.log(Function.prototype.__proto__ === Object.prototype) // true
console.log(Object.prototype.__proto__); //null

因為Person其實就是個 Function 的 instance，所以Person.__proto__當然就是Function.prototype囉！

instanceof

顧名思義，A instanceof B 就是拿來判斷 A 是不是 B 的 instance，舉例來說：

function Person(name, age) {
  this.name = name;
  this.age = age;
}
  
Person.prototype.log = function () {
  console.log(this.name + ', age:' + this.age);
}
  
var nick = new Person('nick', 18);
  
console.log(nick instanceof Person); // true
console.log(nick instanceof Object); // true
console.log(nick instanceof Array); // false

從範例中可以看出，只要能在 A 的原型鍊裡面找到 B 的 prototype，就會回傳 true。知道原理之後，我們也可以來簡單模擬一下 instnaceof 在做的事：

function Person(name, age) {
  this.name = name;
  this.age = age;
}
  
Person.prototype.log = function () {
  console.log(this.name + ', age:' + this.age);
}
  
var nick = new Person('nick', 18);
  
function instanceOf(A, B) {
  
  // 已經找完了
  if (!A) return false;
  
  // 沒找到的話，繼續往上找
  return A.__proto__ === B.prototype ? true : instanceOf(A.__proto__, B);
}
  
console.log(instanceOf(nick, Person)); // true
console.log(instanceOf(nick, Object)); // true
console.log(instanceOf(nick, Array)); // false

而 instanceof 有一個很有趣的現象，那就是：

// 這兩個互為彼此的 instance
console.log(Function instanceof Object); // true
console.log(Object instanceof Function); // true
  
// Function 的 __proto__ 會指向 Function.prototype
// 而 Function.prototype 的 __proto__ 會指向 Object.prototype
console.log(Function.__proto__ === Function.prototype); // true
console.log(Function.__proto__.__proto__ === Object.prototype); //true
  
// Object 的 __proto__ 會指向 Function.prototype
console.log(Object.__proto__ === Function.prototype); // true

這個東西又會把問題搞得更複雜，在這邊就先不提了。如果想知道的話，可以參考下面這兩篇文章：

  1. 从__proto__和prototype来深入理解JS对象和原型链
  2. 理解JavaScript的原型链和继承

constructor

順帶一提，每一個 prototype 都會有一個叫做constructor的屬性，例如說Person.prototype.constructor，而這個屬性就會指向構造函數。Person.prototype的構造函數是什麼？當然就是Person囉。

function Person(name, age) {
  this.name = name;
  this.age = age;
}
  
Person.prototype.log = function () {
  console.log(this.name + ', age:' + this.age);
}
  
var nick = new Person('nick', 18);
  
// 這段是要讓大家知道，這邊其實是往原型鍊的上面去找
console.log(nick.constructor === Person); // true
console.log(nick.hasOwnProperty('constructor')); // false
  
// Person 的 constructor 就是 Person
console.log(Person.prototype.constructor === Person); // true
console.log(Person.prototype.hasOwnProperty('constructor')); // true

所以其實constructor也沒什麼好講的，A.prototype.constructor === A，你把 A 用 Function, Person, Object 之類的值帶進去都成立。

有一個比較有趣的地方是，你可以透過這樣的方式來執行一段程式碼：[].slice.constructor('alert(1)')()。原理其實就是把Function('alert(1)')()的Function用[].slice.constructor來取代掉。

new

有了原型鍊的概念之後，就不難理解new這個關鍵字背後會做的事情是什麼。

假設現在有一行程式碼是：var nick = new Person('nick');，那它有以下幾件事情要做：

  1. 創出一個新的 object，我們叫它 O
  2. 把 O 的 __proto__ 指向 Person 的 prototype，才能繼承原型鍊
  3. 拿 O 當作 context，呼叫 Person 這個建構函式
  4. 回傳 O

我們可以寫一段程式碼來模擬這個情形：

function Person(name, age) {
  this.name = name;
  this.age = age;
}
  
Person.prototype.log = function () {
  console.log(this.name + ', age:' + this.age);
}
  
function newObj(Constructor, arguments) {
  var o = new Object();
  
  // 讓 o 繼承原型鍊
  o.__proto__ = Constructor.prototype;
  
  // 執行建構函式
  Constructor.apply(o, arguments);
  
  // 回傳建立好的物件
  return o;
}
  
var nick = newObj(Person, ['nick', 18]);
nick.log(); // nick, age:18

延伸閱讀：JS 对象机制深剖——new 运算符

總結

今天不但更理解了原型鍊到底是什麼東西，也寫了一些簡單的小程式來模擬 JavaScript 在查找原型鍊的過程。藉由自己實作這些機制之後，應該會對原型鍊有更多的一些理解。

在 JavaScript 這個程式語言當中，就是透過原型鍊這樣子的機制，把上下關係給串起來，當你在 A 找不到某個東西的時候，就可以到 A 的 parent（也就是 A.__proto__）去找，還是找不到的話就再往上。而原型鍊的盡頭就是Object.prototype，再往上找就是null了。

在寫這篇文章的時候參考了許多資料，我都附在下面了。有些文章會附上精美圖片，但我覺得從圖片開始反而會有點霧煞煞，因為不知道彼此之間的關聯是怎麼來的。

建議大家看完這篇之後可以看一下底下那些參考資料，也順便複習一下自己的觀念是否正確。

參考資料

  1. JavaScript深入之从原型到原型链
  2. JS原型链图解教程
  3. 理解JavaScript的原型链和继承
  4. 从__proto__和prototype来深入理解JS对象和原型链
  5. Javascript 原型链
  6. 彻底理解JavaScript原型
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