JavaScript 原型继承之精髓

Question

一篇文章让你搞清楚 JavaScript 继承的本质、 prototype 、 __proto__ 、 constructor 都是什么。

很多小伙伴表示不明白 JavaScript 的继承，说是原型链，看起来又像类，究竟是原型还是类？各种 prototype 、 __proto__ 、 constructor 内部变量更是傻傻搞不清楚。其实，只要明白继承的本质就很能理解，继承是为了代码复用。复用并不一定得通过类，JS 就采用了一种轻量简明的原型方案来实现。Java/C++ 等强类型语言中有类和对象的区别，但 JS 只有对象。它的原型也是对象。只要你完全抛开面向对象的继承思路来看 JS 的原型继承，你会发现它轻便但强大。

继承方案的设计要求

前面我们讲，继承的本质是为了更好地实现代码复用。再仔细思考，可以发现，这里的「代码」指的一定是「数据+行为」的复用，也就是把一组数据和数据相关的行为进行封装。为什么呢？因为，如果只是复用行为，那么使用函数就足够了；而如果只是复用数据，这使用 JavaScript 对象就可以了：

const parent = {
  some: 'data',
}
const child = {
  ...parent,
  uniq: 'data',
}

因此，只有数据+行为（已经类似于一个「对象」的概念）的封装，才是继承技术所必须出现的地方。为了满足这样的代码复用，一个继承体系的设计需要支持什么需求呢？

• 存储公用的数据和函数
• 覆盖被继承对象数据或函数的能力
• 向上查找/调用被继承对象函数的数据或函数的能力
• 优雅的语法（API）
• 增加新成员的能力
• 支持私有数据

「支持私有数据」，这个基本所有方案都没实现，此阶段我们可以不用纠结；而「增加新成员的能力」，基本所有的方案都能做到，也不再赘述，主要来看前四点。

被复用的对象： prototype

JavaScript 的继承有多种实现方式，具体有哪些，推荐读者可阅读： JavaScript 语言精粹 一书 和 这篇文章 。这里，我们直接看一版比较优秀的实现：

function Animal(name) {
  this.name = name
  this.getName = function() {
    return this.name
  }
}

function Cat(name, age) {
  Animal.call(this, name)
  this.age = age || 1
  this.meow = function() {
    return `${this.getName()}eowww~~~~~, I'm ${this.age} year(s) old`
  }
}

const cat = new Cat('Lily', 2)
console.log(cat.meow()) // 'Lilyeowww~~~~~, I'm 2 year(s) old'

这个方案，具备增添新成员的能力、调用被继承对象函数的能力等。一个比较重大的缺陷是：对象的所有方法 getName meow ，都会随每个实例生成一份新的拷贝。这显然不是优秀的设计方案，我们期望的结果是，继承自同一对象的子对象，其所有的方法都共享自同一个函数实例。

怎么办呢？想法也很简单，就是把它们放到同一个地方去，并且还要跟这个「对象」关联起来。如此一想，用来生成这个「对象」的函数本身就是很好的地方。我们可以把它放在函数的任一一个变量上，比如：

Animal.functions.getName = function() {
  return this.name
}
Cat.functions.meow = function() {
  return `${this.getName()}eowww~~~~~, I'm ${this.age} year(s) old`
}

但这样调用起来，你就要写 animal.functions.getName() ，并不方便。不要怕，JavaScript 这门语言本身已经帮你内置了这样的支持。它内部所用来存储公共函数的变量，就是你熟知的 prototype 。当你调用对象上的方法时（如 cat.getName() ），它会自动去 Cat.prototype 上去帮你找 getName 函数，而你只需要写 cat.getName() 即可。兼具了功能的实现和语法的优雅。

最后写出来的代码会是这样：

function Animal(name) {
  this.name = name
}
Animal.prototype.getName = function() {
  return this.name
}

function Cat(name, age) {
  Animal.call(this, name)
  this.age = age || 1
}
Cat.prototype = Object.create(Animal.prototype, { constructor: Cat })
Cat.prototype.meow = function() {
  return `${this.getName()}eowww~~~~~, I'm ${this.age} year(s) old`
}

请注意， 只有函数才有 prototype 属性 ，它是用来做原型继承的必需品。

优雅的 API：ES6 class

然鹅，上面这个写法仍然并不优雅。在何处呢？一个是 prototype 这种暴露语言实现机制的关键词；一个是要命的是，这个函数内部的 this ，依靠的是作为使用者的你记得使用 new 操作符去调用它才能得到正确的初始化。但是这里没有任何线索告诉你，应该使用 new 去调用这个函数，一旦你忘记了，也不会有任何编译期和运行期的错误信息。这样的语言特性，与其说是一个「继承方案」，不如说是一个 bug，一个不应出现的设计失误。

而这两个问题，在 ES6 提供的 class 关键词下，已经得到了非常妥善的解决，尽管它叫一个 class，但本质上其实是通过 prototype 实现的：

class Animal {
  constructor(name) {
    this.name = name
  }

  getName() {
    return this.name
  }
}

class Cat extends Animal {
  constructor(name, age) {
    super(name)
    this.age = age || 1
  }

  meow() {
    return `${this.getName()}eowww~~~~~, I'm ${this.age} year(s) old`
  }
}

• 如果你没有使用 new 操作符，编译器和运行时都会直接报错。为什么呢，我们将在 下一篇文章 讲解
• extends 关键字，会使解释器直接在底下完成基于原型的继承功能

现在，我们已经看到了一套比较完美的继承 API，也看到其底下使用 prototype 存储公共变量的地点和原理。接下来，我们要解决另外一个问题： prototype 有了，实例对象应该如何访问到它呢？这就关系到 JavaScript 的向上查找机制了。

简明的向上查找机制： __proto__

function Animal(name) {
  this.name = name
}
Animal.prototype.say = function() {
  return this.name
}
const cat = new Animal('kitty')

console.log(cat) // Animal { name: 'kitty' }
cat.hasOwnProperty('say') // false

看上面一个最简单的例子。打出来的 cat 对象本身并没有 say 方法。那么，被实例化的 cat 对象本身，是怎样向上查找到 Animal.prototype 上的 say 方法的呢？如果你是 JavaScript 引擎的设计者，你会怎样来实现呢？

我拍脑袋这么一想，有几种方案：

• 在 Animal 中初始化实例对象 cat 时，顺便存取一个指向 Animal.prototype 的引用
• 在 Animal 中初始化实例对象时，记录其「类型」（也即是 Animal ）

// 方案 1
function Animal(name) {
  this.name = name
  // 以下代码由引擎自动加入
  this.__prototype__ = Animal.prototype
}

const cat = new Animal('kitty')
cat.say() // -> cat.__prototype__.say()

// 方案 2
function Animal(name) {
  this.name = name
  // 以下代码由引擎自动加入
  this.__type__ = Animal
}

const cat = new Animal('kitty')
cat.say() // -> cat.__type__.prototype.say()

究其实质，其实就是： 实例对象需要一个指向其函数的引用（变量） ，以拿到这个公共原型 prototype 来实现继承方案的向上查找能力。读者如果有其他方案，不妨留言讨论。

无独有偶，这两种方案，在 JavaScript 中都有实现，只不过变量的命名与我们的取法有所差异：第一种方案中，实际的变量名叫 __proto__ 而不是 __prototype__ ；第二种方案中，实际的变量名叫 constructor ，不叫俗气的 __type__ 。实际上，用来实现继承、做向上查找的这个引用，正是 __proto__ ；至于 constructor，则另有他用。不过要注意的是，[尽管基本所有浏览器都支持 __proto__ ][mdn __proto__ ]，它并不是规范的一部分，因此并不推荐在你的业务代码中直接使用 __proto__ 这个变量。

从上图可以清楚看到， prototype 是用来存储类型公共方法的一个对象（正因此每个类型有它基本的方法），而 __proto__ 是用来实现向上查找的一个引用。任何对象都会有 __proto__ 。 Object.prototype 的 __proto__ 是 null，也即是原型链的终点。

构造函数又是个啥玩意儿？

再加入 constructor 这个东西，它与 prototype 、 __proto__ 是什么关系？这个地方，说复杂就很复杂了，让我们尽量把它说简单一些。开始之前，我们需要查阅一下[语言规范][ecmascript 2015(es6) specification]，看一些基本的定义：

• 对象 ： 对象是一组集合，其中可包含零个或多个属性。对象都有一个原型对象（译者注：即 Prototype/ __proto__ ）
• 函数： 是对象类型的一员
• 构造函数： 构造函数是个用于创建对象的 函数对象 。每个构造函数都有一个 prototype 对象，用以实现原型式继承，作属性共享用

这里说明了什么呢？说明了构造函数是函数，它比普通函数多一个 prototype 属性；而函数是对象，对象都有一个原型对象 __proto__ 。这个东西有什么作用呢？

上节我们深挖了用于继承的原型链，它链接的是原型对象。而对象是通过构造函数生成的，也就是说，普通对象、原型对象、函数对象都将有它们的构造函数，这将为我们引出另一条链——

在 JavaScript 中，谁是谁的构造函数，是通过 constructor 来标识的。正常来讲，普通对象（如图中的 cat 和 { name: 'Lin' } 对象）是没有 constructor 属性的，它是从原型上继承而来；而图中粉红色的部分即是函数对象（如 Cat Animal Object 等），它们的原型对象是 Function.prototype ，这没毛病。关键是，它们是函数对象，对象就有构造函数，那么函数的构造函数是啥呢？是 Function 。那么问题又来了， Function 也是函数，它的构造函数是谁呢？ 是它自己 ： Function.constructor === Function 。由此， Function 即是构造函数链的终结。

上面我们提到， constructor 也可以用来实现原型链的向上查找，然后它却别有他用。有个啥用呢？一般认为，它是用以支撑 instanceof 关键字实现的数据结构。

双链合璧：终极全图

好了，是时候进入最烧脑的部分了。前面我们讲了两条链：

• 原型链。它用来实现原型继承，最上层是 Object.prototype ，终结于 null ，没有循环
• 构造函数链。它用来表明构造关系，最上层循环终结于 Function

把这两条链结合到一起，你就会看到一条双螺旋 DNA这几张你经常看到却又看不懂的图：

图都是引用自其它文章，点击图片可跳转到原文。其中，第一篇文章 [一张图理解 JS 的原型][] 是我见过解析得最详细的，本文的很多灵感也来自这篇文章。

理解了上面两条链以后，这两个全图实际上就不难理解了。分享一下，怎么来读懂这个图：

• 首先看构造函数链。所有的普通对象， constructor 都会指向它们的构造函数；而构造函数也是对象，它们最终会一级一级上溯到 Function 这个构造函数。 Function 的构造函数是它自己，也即此链的终结；
• Function 的 prototype 是 Function.prototype ，它是个普通的原型对象；
• 其次看原型链。所有的普通对象， __proto__ 都会指向其构造函数的原型对象 [Class].prototype ；而所有原型对象，包括构造函数链的终点 Function.prototype ，都会最终上溯到 Object.prototype ，终结于 null。

也即是说，构造函数链的终点 Function ，其原型又融入到了原型链中： Function.prototype -> Object.prototype -> null ，最终抵达原型链的终点 null 。至此这两条契合到了一起。

总结下来，可以概括成这几句话：

• JS 世界的变量除了普通类型外都是对象，包括函数也是对象
• 所有对象都必须由函数生成，包括普通对象、原型对象及函数对象
• 所有函数最终都生成自 Function ，包括 Function 自己
• 所有对象最终都继承自 Object.prototype ，包括 Function.prototype ，终止于 null

这里还有最后一个所谓「鸡生蛋还是蛋生鸡」的问题：是先有 Object.prorotype ，还是先有 Function ？如果先有前者，那么此时 Function 还不在，这个对象又是由谁创建呢？如果先有后者，那么 Function 也是个对象，它的原型 Function.prototype.__proto__ 从哪去继承呢？这个问题，看似无解。但从 [这篇文章：从__proto__和 prototype 来深入理解 JS 对象和原型链][从__proto__和 prototype 来深入理解 JS 对象和原型链] 中，我们发现了一个合理的解释，那就是：

Object.prototype 是个神之对象。它不由 Function 这个函数构造产生。

证据如下：

Object.prototype instanceof Object                // false
Object.prototype instanceof Function              // false
Object.prototype.__proto__ === Function.prototype // false

JS 对象世界的构造次序应该是： Object.prototype -> Function.prototype -> Function -> Object -> ...

总结

讲到这里，我想关于 JavaScript 继承中的一些基本问题可以解释清楚了：

JavaScript 继承是类继承还是原型继承？不是使用了 new 关键字么，应该跟类有关系吧？

是完全的原型继承。尽管用了 new 关键字，但其实只是个语法糖，跟类没有关系。JavaScript 没有类。它与类继承完全不同，只是长得像。好比雷锋和雷峰塔的关系。

prototype 是什么东西？用来干啥？

prototype 是个对象，只有函数上有。它是用来存储对象的属性（数据和方法）的地方，是实现 JavaScript 原型继承的基础。

__proto__ 是什么东西？用来干啥？

__proto__ 是个指向 prototype 的引用。用以辅助原型继承中向上查找的实现。虽然它得到了所有浏览器的支持，但并不是规范所推荐的做法。严谨地说，它是一个指向 [[Prototype]] 的引用。

constructor 是什么东西？用来干啥？

是对象上一个指向构造函数的引用。用来辅助 instanceof 等关键字的实现。

鸡生蛋还是蛋生鸡？

神生鸡，鸡生蛋。

参考

• 一张图理解 JS 的原型
• Prototypal Inheritance in JavaScript
• How Prototypal Inheritance really works
• ECMAScript 2015(ES6) Specification
• 从__proto__和 prototype 来深入理解 JS 对象和原型链
• JavaScript 深入之继承的多种方法
• MDN: Inheritance in JavaScript
• MDN: Inheritance and the prototype chain
• MDN: Details of the object model
• MDN: __proto__