Prototype

Language/JavaScript

Prototype

언젠간코딩잘함 2023. 3. 15. 17:43

객체지향 프로그래밍에서 추상화(abstraction) 는 실체의 특징이나 성질을 나타내는 속성(sttribute / property) 을 프로그램에 필요한 속성만 간추려 내어 표현하는 것 이다. 이러한 속성을 통해 여러 개의 값을 하나의 단위로 구성한 복합적인 자료구조를 객체라 한다.

주제랑 다른 글 아닌가요? 라고 생각할 수 있지만 프로토타입을 제대로 알기 위하서는 알아야 하는 내용이다.

원(Circle) 이라는 개념을 객체로 만들어보자. 원에는 반지름 속성이 있다. 이 반지름을 통해 원의 지름, 둘레, 넓이를 구할 수 있다. 이때 반지름은 원의 상태를 나타내는 데이터이며 원의 지름, 둘레, 넓이를 구하는 것은 동작이다.

이처럼 객체지향 프로그래밍은 객체의 상태(state) 를 나타내는 데이터와 상태 데이터를 조작할 수 있는 동작(be-havior) 을 하나의 논리적인 단위로 묶어 생각한다. 따라서 객체는 상태 데이터와 동작을 하나의 논리적인 단위로 묶은 복합적인 자료구조라고 할 수 있다. 이때 객체의 상태 데이터를 프로퍼티, 동작을 메서드라 부른다.

객체는 다른 객체와 메시지를 주고받거나 데이터를 처리할 수 있다. 또는 다른 객체의 상태 데이터나 동작을 상속받아 사용하기도 한다.

상속과 프로토타입

상속(inheritance)은 객체지향 프로그래밍의 핵심 개념이다. 자바스크립트는 프로토타입을 기반으로 상속을 구현하여 불필요한 중복을 제거한다. 중복을 제거하는 방법은 기존의 코드를 적극적으로 재사용하는 것이다. 코드 재사용은 개발 비용을 현저히 줄일 수 있는 잠재력이 있으므로 매우 중요하다.

function Circle(radius) {
  this.radius = radius;
  this.getArea = function () {
    // Math.PI는 원주율을 나타내는 상수.
    return Math.PI * this.radius ** 2;
  };
}

// 반지름이 1인 인스턴스 생성
const circle1 = new Circle(1);
// 반지름이 2인 인스턴스 생성
const circle2 = new Circle(2);

// Circle 생성자 함수는 인스턴스를 생성할 때마다 동일한 동작을 하는
// getArea 메서드를 중복 생성하고 모든 인스턴스가 중복 소유한다.
// getArea 메서드는 하나만 생성하여 모든 인스턴스가 공유해서 사용하는 것이 바람직하다.

console.log(circle1.getArea === circle2.getArea); // false

console.log(circle1.getArea.getArea()); // 3.14...
console.log(circle1.getArea.getArea()); // 12.566...

위 예제의 Circle 생성자 함수는 인스턴스를 생성할 때마다 getArea 메서드를 중복 생성하고 모든 인스턴스가 중복 소유한다. 모든 인스턴스가 동일한 메서드를 중복 소유하는 것은 메모리를 불필요하게 낭비한다.

상속을 통해 불필요한 중복을 제거해 보자.

자바스크립트는 프로토타입(prototype) 을 기반으로 상속을 구현한다.

function Circle(radius) {
  this.radius = radius;
}

// Circle 생성자 함수가 생성한 모든 인스턴스가 getArea 메서드를
// 공유해서 사용할 수 있도록 프로토타입에 추가한다.
// 프로토타입은 Circle 생성자 함수의 prototype 프로퍼티에 바인딩되어 있다.
Circle.prototype.getArea = function () {
  return Math.PI * this.radius ** 2;
};

// 인스턴스 생성
const circle1 = new Circle(1);
const circle2 = new Circle(2);

// Circle 생성자 함수가 생성한 모든 인스턴스는 부모 객체의 역할을 하는
// 프로토타입 Circle.prototype 으로부터 getArea 메서드를 상속받는다.
// 즉, Circle 생성자 함수가 생성하는 모든 인스턴스는 하나의 getArea 메서드를 공유한다.
console.log(circle1.getArea === circle2.getArea); // true

console.log(circle1.getArea.getArea()); // 3.14...
console.log(circle1.getArea.getArea()); // 12.566...

Circle 생성자 함수가 생성한 모든 인스턴스는 자신의 프로토타입, 즉 상위(부모) 객체 열할을 하는 Circle.prototype의 모든 프로퍼티와 메서드를 상속받는다.

getArea 메서드는 단 하나만 생성되어 프로토타입인 Cricle.prototype의 메서드로 할당되어 있다. 따라서 Circle 생성자 함수가 생성하는 모든 인스턴스는 getArea 메서드를 상속받아 사용할 수 있다.

상속은 코드의 재사용이란 관점에서 매우 유용하다. 모든 인스턴스가 공통적으로 사용할 프로퍼티나 메서드를 프로토타입에 미리 구현해 두면 생성자 함수가 생성할 모든 인스턴스는 별도의 구현없이 상위(부모) 객체인 프로토 타입의 자산을 공유하여 사용할 수 있다.

프로토타입 객체

프로토타입 객체란 객체지향 프로그래밍의 근간을 이루는 객체 간 상속을 구현하기 위해 사용된다.

모든 객체는 [[Prototype]] 이라는 내부 슬롯을 가지며, 이 내부 슬롯의 값은 프로토타입의 참조(null인 경우도 있다) 다. [[Prototype]]에 저장되는 프로토타입은 객체 생성 방식에 의해 결정된다. 즉, 객체가 생성될 때 객체 생성 방식에 따라 프로토타입이 결정되고 [[Prototype]] 에 저장된다.

모든 객체는 하나의 프로토타입을 갖는다. 그리고 모든 프로토타입은 생성자 함수와 연결되어 있다. 즉, 객체와 프로토타입과 생성자 함수는 서로 연결되어 있다.

[[Prototype]] 내부 슬롯에는 직접 접근할 수 없지만, 위 그림처럼 __proto__ 접근자 프로퍼티를 통해 자신의 프로토타입, 즉 자신의 [[Prototype]] 내부 슬롯이 가리키는 프로토타입에 간접적으로 접근할 수 있다.

그리고 프로토타입은 자신의 constructor 프로퍼티를 통해 생성자 함수에 접근할 수 있고, 생성자 함수는 자신의 prototype 프로퍼티를 통해 프로퍼티에 접근할 수 있다.

proto 접근자 프로퍼티

모든 객체는 __proto__ 접근자 프로퍼티를 통해 자신의 프로토타입, 즉 [[prototype]] 내부 슬롯에 간접적으로 접근할 수 있다.

내부 슬롯은 프로퍼티가 아니다. 따라서 자바스크립트는 원칙적으로 내부 슬롯과 내부 메서드에 직접적으로 접근하거나 호출할 수 있는 방법을 제공하지 않는다. 단, 일부는 간접적으로 접근 가능하다.

[[prototype]] 내부 슬롯에도 직접 접근할 수 없으며 __proto__ 접근자 프로퍼티를 통해 간접적으로 [[prototype]] 내부 슬롯의 값, 즉 프로토타입에 접근할 수 있다.

Object.prototype의 접근자 프로퍼티인 __proto__는 getter/setter 함수라고 부르는 접근자 함수([Get], [Set] 프로퍼티 어트리뷰트에 할당된 함수)를 통해 [[prototype]] 내부 슬롯의 값, 즉 프로토타입을 취득 하거나 할당한다.

const obj = {};
const parent = { x: 1 };

// getter 함수인 get __proto__가 호출되어 obj 객체의 프로토타입을 취득
obj.__proto__;

// setter 함수인 set __proto__가 호출되어 obj 객체의 프로토타입을 교체
obj.__proto__ = parent;

console.log(obj.x) // 1

__proto__ 접근자 프로퍼티는 상속을 통해 사용된다. 객체가 직접 소유하는 프로퍼티가 아니라 Object.prototype의 프로퍼티다. 모든 객체는 상속을 통해 Object.prototype.__proto__ 접근자 프로퍼티를 사용할 수 있다.

[[prototype]] 내부 슬롯의 값, 즉 프로토타입에 접근하기 위해 접근자 프로퍼티를 사용하는 이유는 상호 참조에 의해 프로토타입 체인이 생성되는 것을 방지하기 위해서다.

const parent = {};
const child = {};

// child의 프로토타입을 parent로 설정
child.__proto__ = parent;

// parent의 프로토타입을 child로 설정
parent.__proto__ = child; // TypeError: Cyclic __proto__ value

이러한 코드가 에러 없이 정상적으로 처리되면 서로가 자신의 프로토타입이 되는 비정상적인 프로토타입 체인이 만들어지기 때문에 __proto__ 접근자 프로퍼티는 에러를 발생시킨다.

프로토타입 체인은 단방향 링크드 리스트로 구현되어야 한다. 즉, 프로퍼티 검색이 한쪽 방향으로만 흘러가야 한다. 하지만 위 코드와 같이 서로가 자신의 프로토타입이 되는 비정상적인 프로토타입 체인, 다시 말해 순환 참조하는 프로토타입 체인이 만들어지면 체인의 종점이 존재하지 않기 떄문에 무한 루프에 빠진다.

근데 코드 내에서 __proto__ 접근자 프로퍼티를 직접 사용하는 것은 권장하지 않는단다. 모든 객체가 __proto__ 접근자 프로퍼티를 사용할 수 있는 것은 아니기 때문이다. 직접 상속을 통해 Object.prototype을 상속받지 않는 객체를 생성할 수도 있기 때문에 __proto__ 접근자 프로퍼티를 사용할 수 없는 경우가 있다.

따라서 __proto__ 접근자 프로퍼티 대신 프로토타입의 참조를 취득하고 싶을땐 Object.getPrototypeOf 메서드를 사용하고, 교체하고 싶은 경우에는 Object.setPrototypeOf 메서드를 사용할 것을 권장한다.

const obj = {};
const parent = { x: 1};

// obj 객체의 프로토타입을 취득
Object.getPrototypeOf(obj); // obj.__proto__;
// obj 객체의 프로토타입을 교체
Object.setPrototypeOf(obj, parent); // obj.__proto__ = parent;

console.log(obj.x); // 1

함수 객체의 prototype 프로퍼티

함수 객체만이 소유하는 prototype 프로퍼티는 생성자 함수가 생성할 인스턴스의 프로토타입을 가리킨다.

// 함수 객체는 prototype 프로퍼티를 소유한다.
(function () {}).hasOwnProperty('prototype'); // true

// 일반 객체는 prototype 프로퍼티를 소유하지 않는다.
({}).hasOwnProperty('prototype'); // false

prototype 프로퍼티는 생성자 함수가 생성할 객체(인스턴스) 의 프로토타입을 가리킨다. 따라서 생성자 함수로서 호출할 수 없는 함수, 즉 non-constructor인 화살표 함수와 ES6 메서드 축약 표현으로 정의한 메서드는 prototype 프로퍼티를 소유하지 않으며 프로토타입도 생성하지 않는다.

// ES6의 메서드 축약 표현
const obj = {
  foo () {}
};

일반함수는 prototype 프로퍼티를 소유하지만 객체를 생성하지 않는 일반 함수의 prototype 프로퍼티는 아무런 의미가 없다.

모든 객체가 가지고 있는(엄밀히 말하면 Object.prototype으로부터 상속받은) __proto__ 접근자 프로퍼티와 함수 객체만이 가지고 있는 prototype 프로퍼티는 결국 동일한 프로토타입을 가리킨다. 하지만 이들 프로퍼티를 사용하는 주체가 다르다.

구분	소유	값	사용 주체		사용 목적
__proto__ 접근자 프로퍼티	모든 객체	프로토타입의 참조	모든 객체	객체가 자신의 프로토타입에 접근 또는 교체하기 위해 사용
prototype 프로퍼티	constructor	프로토타입의 참조	생성자 함수	생성자 함수가 자신이 생성할 객체(인스턴스) 의 프로토타입을 할당하기 위해 사용