19. 프로토타입

프로토타입은 자바스크립트가 객체지향 프로그래밍을 지원하는 방식이다. 자바스크립트는 프로토타입 기반 객체지향 언어로 프로토타입을 통해 객체지향 프로그래밍을 가능하게 한다.

 

객체지향 프로그래밍

객체지향 프로그래밍은 프로그램을 명령어 또는 함수의 목록으로 보는 전통적인 명령형 프로그래밍의 절차지향적 관점에서 벗어나 여러 개의 독립적 단위, 즉 객체의 집합으로 프로그램을 표현하려는 프로그래밍 패러다임을 말한다. 

객체지향 프로그래밍은 실세계의 실체(사물이나 개념)를 인식하는 사고를 프로그래밍에 접목하려는 시도에서 시작한다. 실체는 특징이나 성질을 나타내는 속성을 가지고 있고, 이를 통해 실체를 인식하거나 구별할 수 있다.

예를 들어, 사람은 이름, 주소, 성별, 나이, 신장, 체중, 학력, 성격 등 다양한 속성을 갖는다. 이러한 속성을 구체적으로 표현하면 특정한 사람을 다른 사람과 구별하여 인식할 수 있다. 

 

이러한 방식을 프로그래밍에 접목시켜보자. 사람에게는 다양한 속성이 있으나 우리가 구현하려는 프로그램에서는 사람의 이름과 주소라는 속성에만 관심이 있다고 가정하자. 이처럼 다양한 속성 중에서 프로그램에 필요한 속성만 간추려 내어 표현하는 것을 추상화라 한다. 이를 효과적으로 표현할 수 있는 데이터 타입이 객체이다. 객체 자료구조를 활용하면 속성을 통해 여러 개의 값을 하나의 단위로 구성할 수 있다. 객체지향 프로그래밍은 프로그램을 독립적인 객체의 집합으로 표현하려는 패러다임이다. 

 

객체지향 프로그래밍은 객체의 상태를 나타내는 데이터와 상태 데이터를 조작할 수 있는 동작을 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.

각 객체는 고유의 기능을 갖는 독립적인 부품으로 볼 수 있지만 자신의 고유한 기능을 수행하면서 다른 객체와 관계성을 가질 수 있다. 다른 객체와 메시지를 주고받거나 데이터를 처리할 수도 있다. 또는 다른 객체의 상태 데이터나 동작을 상속받아 사용하기도 한다.

 

상속과 프로토타입

상속은 객체지향 프로그래밍의 핵심 개념으로, 어떤 객체의 프로퍼티 또는 메서드를 다른 객체가 상속받아 그대로 사용할 수 있는 것을 말한다. 자바스크립트는 프로토타입을 기반으로 상속을 구현하여 불필요한 중복을 제거한다. 
앞서 살펴본 생성자 함수에서 생성자 함수를 통해 동일한 구조를 갖는 객체(인스턴스)를 생성하는 것을 살펴봤다. 여기서 불필요한 중복을 제거해보자. 생성자 함수 몸체 내에서 정의된 프로퍼티와 메서드는 모든 인스턴스 객체가 소유하고 있다. 이처럼 모든 인스턴스가 동일한 메서드를 중복 소유하는 것은 메모리를 불필요하게 낭비한다. 불필요한 중복을 제거할 수 있는 방법이 상속이다. 자바스크립트는 프로토타입을 기반으로 상속을 구현한다.

function Circle(radius){
	this.radius = radius
    // 인스턴스가 소유하는 메서드
    // this.getArea = function(){
    //		return Math.PI * this.radius ** 2
    // }
}

// 생성자 함수의 프로토타입이 소유하는 메서드
Circle.prototype.getArea = function(){
	return Math.PI * this.radius ** 2
}

생성자 함수가 생성한 모든 인스턴스는 자신의 프로토타입의 모든 프로퍼티와 메서드를 상속받는다. 프로토타입은 부모 객체의 역할을 한다. 이처럼 동일한 메서드는 프로토타입 객체가 소유하고(한번만 정의된다.) 상속을 통해 공유한다. 인스턴스 별로 다른 프로퍼티는 인스턴스가 소유한다. 상속은 코드의 재사용성을 향상시킨다.

 

프로토타입 객체

프로토타입은 어떤 객체의 부모 객체의 역할을 하는 객체로서 다른 객체에 공유 프로퍼티를 제공한다. 프로토타입을 상속받은 자식 객체는 상위 객체의 프로퍼티를 자신의 프로퍼티처럼 자유롭게 사용할 수 있다.

 

모든 객체는 [[Prototype]]이라는 내부 슬롯을 가지며, 이 내부 슬롯의 값은 프로토타입의 참조다. [[Prototype]]에 저장되는 프로토타입은 객체 생성 방식에 의해 결정된다. 즉 객체가 생성될 때 생성 방식에 따라 프로토타입이 결정되고 [[Protoype]]에 저장된다.

모든 객체는 하나의 프로토타입을 갖는다. 그리고 모든 프로토타입은 생성자 함수와 연결되어 있다. 생성자 함수의 prototype 프로퍼티는 프로토타입 객체를 참조하며, 프로토타입 객체의 constructor 프로퍼티는 생성자 함수를 가리킨다. 객체는 [[Prototype]]내부 슬롯에 직접 접근할 수 없지만 __proto__라는 접근자 프로퍼티를 통해 자신의 프로토타입에 간접적으로 접근할 수 있다.

__proto__ 접근자 프로퍼티

Object.prototype의 접근자 프로퍼티인 __proto__는 getter/setter 함수라고 부르는 접근자 함수를 통해 [[Prototype]] 내부 슬롯의 값인 프로토타입을 취득하거나 할당한다. 

 

__proto__접근자 프로퍼티는 상속을 통해 사용된다.

__protp__접근자 프로퍼티는 객체가 직접 소유하는 프로퍼티가 아니라 Object.prototype의 프로퍼티다. 모든 객체는 상속을 통해

Object.prototype.__proto__접근자 프로퍼티를 사용할 수 있다.

 

모든 객체는 프로토타입의 계층 구조인 프로토타입 체인에 묶여 있다. 자바스크립트 엔진은 객체의 프로퍼티에 접근하려고 할 때 해당 객체에 접근하려는 프로퍼티가 없다면 __proto__ 접근자 프로퍼티가 가리키는 참조를 따라 자신의 부모 역할을 하는 프로토타입의 프로퍼티를 순차적으로 검색한다. 프로토타입 체인의 종점, 프로토타입 체인의 최상위 객체는 Object.prototype이며, 이 객체의 프로퍼티와 메서드는 모든 객체에 상속된다.

 

__proto__ 접근자 프로퍼티를 통해 프로토타입에 접근하는 이유

[[Prototype]] 내부 슬롯의 값, 즉 프로토타입에 접근하기 위해 접근자 프로퍼티를 사용하는 이유는 상호 참조에 의해 프로토타입 체인이 생성되는 것을 방지하기 위해서다. 프로토타입 체인은 단방향 링크드 리스트로 구현되어야 한다. 즉 프로퍼티 검색 방향이 한쪽 방향으로만 흘러가야 한다. 서로가 자신의 프로토타입이 되는 비정상적인 프로토타입 체인, 순환 참조하는 체인이 만들어지면 프로토타입 체인 종점이 존재하지 않기 때문에 프로토타입 체인에서 프로퍼티를 검색할 때 무한 루프에 빠진다. 따라서 아무런 체크 없이 무조건적으로 프로토타입을 교체할 수 없도록 접근자 프로퍼티를 통해 프로토타입에 접근하고 교체할 수 있도록 구현되어있다.

 

__proto__ 접근자 프로퍼티를 코드 내에서 직접 사용하는 것은 권장하지 않는다. 

직접 상속을 통해 Object.prototype을 상속받지 않는 객체를 생성할 수 있다. 따라서 모든 객체가 __proto__ 접근자 프로퍼티를 사용할 수 있는 것은 아니다. 대신, Object.getPrototypeOf/setPrototypeOf 메서드를 통해 프로토타입을 취득하고 교체하는 것을 권장한다. 

함수 객체의 prototype 프로퍼티

함수 객체만이 소유하는 prototype 프로퍼티는 생성자 함수가 생성할 인스턴스의 프로토타입을 가리킨다. 따라서 non-constructor 함수는 prototype 프로퍼티를 소유하지 않으며 프로토타입도 생성하지 않는다. 

생성자 함수의 prototype 프로퍼티와 모든 객체의 __proto__ 접근자 프로퍼티는 동일한 프로토타입 객체를 참조한다. 동일한 프로토타입 객체를 참조하고, 프로퍼티를 사용하는 주체가 다른 것이다.

프로토타입의 constructor 프로퍼티와 생성자 함수

모든 프로토타입은 constructor 프로퍼티를 갖는다. 이 constructor 프로퍼티는 prototype 프로퍼티로 자신을 참조하고 있는 생성자 함수를 가리킨다. 이 연결은 생성자 함수가 생성될 때, 즉 함수 객체가 생성될 때 이뤄진다. 따라서 프로토타입과 생성자 함수는 단독으로 존재할 수 없고 언제나 쌍으로 존재한다. 생성자 함수에 의해 생성된 인스턴스는 프로토타입의 constructor 프로퍼티를 통해 생성자 함수와 연결된다.

 

프로토타입의 생성 시점

프로토타입은 생성자 함수가 생성되는 시점에 더불어 생성된다. 생성자 함수는 사용자가 직접 정의한 사용자 정의 생성자 함수와 자바스크립트가 기본 제공하는 빌트인 생성자 함수로 구분할 수 있다.

사용자 정의 생성자 함수와 프로토타입 생성 시점

생성자 함수로서 호출할 수 있는 함수, 즉 constructor는 함수 정의가 평가되어 함수 객체를 생성하는 시점에 프로토타입도 더불어 생성된다. non-constructor 함수는 프로토타입이 생성되지 않는다. 생성된 프로토타입 객체는 constructor 프로퍼티를 갖는 객체다. 프로토타입 객체 역시 일반적인 객체와 동일하게 자신의 프로토타입을 가지는데 이는 Object.prototype이다.

빌트인 생성자 함수와 프로토타입 생성 시점

Object, String, Number, Function, Array, RegExp, Date, Promise 등과 같은 빌트인 생성자 함수도 생성되는 시점에 프로토타입이 생성된다. 빌트인 생성자 함수가 생성되는 시점은 전역 객체가 생성되는 시점이다. 생성된 프로토타입은 빌트인 생성자 함수의 prototype 프로퍼티에 바인딩된다.

 

전역 객체는 코드가 실행되기 이전에 생성되는 특수한 객체다. 전역 객체는 클라이언트 사이드 환경(브라우저)에서는 window, 서버 사이드 환경(Node.js)에서는 global 객체를 의미한다. 전역 객체는 표준 빌트인 객체들과 호스트 객체, var 키워드로 선언한 전역 변수와 전역 함수를 프로퍼티로 갖는다. Math, Reflect, JSON을 제외한 모든 표준 빌트인 객체는 생성자 함수다.

 

객체 생성 방식과 프로토타입 결정

객체는 다음과 같이 다양한 생성 방법이 있다.

• 객체 리터럴
• Object 생성자 함수
• 생성자 함수
• Object.create 메서드
• 클래스

다양한 방식으로 생성된 객체는 추상 연산 OrdinaryObjectCreate에 의해 생성된다는 공통점이 있다. 추상 연산 OrdinaryObjectCreate는 필수적으로 자신이 생성할 객체의 프로토타입을 인수로 전달받는다. 이때 전달되는 프로토타입이 객체 생성 방식에 의해 결정된다. 객체 리터럴과 Object 생성자 함수를 통해 객체를 생성하면 Object.prototype을 프로토타입으로 전달하며, 생성자 함수를 통해 객체를 생성하면 생성자 함수의 prototype 프로퍼티에 바인딩된 객체를 프로토타입으로 전달한다. Object.create 메서드를 사용하면 바인딩할 프로토타입 객체를 명시적으로 전달할 수 있으며(직접 상속, 글 후반부에 설명됨), null을 전달할 수도 있다.

 

프로토타입 체인

객체의 프로퍼티에 접근하려고 할 때 해당 객체에 접근하려는 프로퍼티가 없다면 [[Prototype]] 내부 슬롯의 참조를 따라 자신의 부모 역할을 하는 프로토타입의 프로퍼티를 순차적으로 검색한다. 이를 프로토타입 체인이라 한다. 프로토타입 체인은 상속과 프로퍼티 검색을 구현하는 메커니즘이다.

 

프로토타입 체인은 단방향으로 연결되어 있으며 체인의 최상위에는 언제나 Object.prototype 객체가 존재한다. 따라서 모든 객체는 Object.prototype을 상속받는다(명시적으로 상속을 해제하지 않는 한). Object.prototype을 프로토타입 체인의 종점이라 한다. Object.prototype의 프로토타입은 null이다. 최종적으로 프로퍼티를 검색하지 못하면 undefined를 반환한다. 에러는 발생하지 않는다. 

 

이에 반해 프로퍼티가 아닌 식별자는 스코프 체인에서 검색한다. 함수의 중첩 관계로 이루어진 스코프의 계층적 구조에서 식별자를 검색한다. 스코프 체인은 식별자 검색을 위한 메커니즘이라고 할 수 있다. 스코프 체인과 프로토타입 체인은 서로 협력하여 식별자와 프로퍼티를 검색하는데 사용된다.

 

오버라이딩과 프로퍼티 섀도잉

프로토타입이 소유한 프로퍼티를 프로토타입 프로퍼티, 인스턴스가 소유한 프로퍼티를 인스턴스 프로퍼티라고 부른다. 프로토타입 프로퍼티와 같은 이름의 프로퍼티를 인스턴스에 추가하면 프로토타입 프로퍼티를 덮어쓰는 것이 아니라 인스턴스 프로퍼티로 추가한다. 이때 인스턴스 프로퍼티는 프로토타입 프로퍼티를 오버라이딩했고, 프로토타입 프로퍼티는 가려진다. 이처럼 상속 관계에 의해 프로퍼티가 가려지는 현상을 프로퍼티 섀도잉이라 한다. 오버라이딩은 상위 클래스가 가지고 있는 메서드를 하위 클래스가 재정의하여 사용하는 방식이다.

 

인스턴스에서 프로퍼티를 추가하거나 삭제할 때, 프로토타입 프로퍼티는 변경되지 않는다. 인스턴스에서 프로토타입 객체에 get 엑세스는 허용되나 set 엑세스는 허용되지 않는다. 프로토타입 프로퍼티를 변경 또는 삭제하려면 프로토타입에 직접 접근해야 한다.

 

프로토타입의 교체

프로토타입은 임의의 다른 객체로 변경할 수 있다. 이것은 부모 객체인 프로토타입을 동적으로 변경할 수 있다는 것을 의미한다. 객체 간의 상속 관계를 동적으로 변경할 수 있다. 프로토타입은 생성자 함수 또는 인스턴스에 의해 교체할 수 있다.

생성자 함수에 의한 프로토타입 교체

생성자 함수의 프로토타입 객체를 교체하면 교체되는 객체는 constructor 프로퍼티를 가지고 있어야 자신의 생성자 함수를 참조할 수 있다(제 역할을 할 수 있다). 따라서 임의의 객체로 교체한다면 constructor 프로퍼티를 추가하고 생성자 함수를 할당해 프로토타입과 생성자함수를 다시 연결해 주자.

인스턴스에 의한 프로토타입의 교체

인스턴스에 바인딩된 프로토타입을 교체하는 것은 생성자 함수에 의한 프로토타입 교체와 차이가 있다. 이는 생성자 함수의 프로토타입을 변경하는 것은 미래에 생성할 인스턴스의 프로토타입을 변경하는 것이고, 인스턴스의 프로토타입을 변경하는 것은 해당 인스턴스의(이미 생성된) 프로토타입을 교체하는 것이다. Object.setPrototypeOf 메서드에 인수로 인스턴스와 프로토타입 객체를 전달하는 것으로 교체할 수 있다. 생성자 함수에 의한 프로토타입 교체와 마찬가지로, constructor 프로퍼티를 설정해 생성자 함수와 프로토타입 간의 연결을 되살린다. 이때 생성자 함수의 프로토타입은 인스턴스의 변경된 프로토타입을 가리키지 않으므로, 필요시 생성자 함수의 프로토타입을 변경된 프로토타입을 가리키도록 재설정 해줄 필요가 있다. 

 

프로토타입 교체를 통해 객체 간의 상속 관계를 재설정하는것은 꽤나 번거롭다. 보다 간단하게 설정하려면 직접 상속이 더 편리하고 안전하다. 또한 클래스를 사용하면 직관적으로 상속 관계를 구현할 수 있다.

 

instanceof 연산자

instanceof 연산자는 이항 연산자로서 좌변에 객체를 가리키는 식별자, 우변에 생성자 함수를 가리키는 식별자를 피연산자로 받는다. 우변의 생성자 함수의 prototype에 바인딩된 객체가 좌변의 객체의 프로토타입 체인 상에 존재하면 true로 평가되고 그렇지 않은 경우에는 false로 평가된다. 연산자는 프로토타입의 constructor가 가리키는 생성자 함수를 찾는 것이 아니라 생성자 함수의 prototype에 바인딩된 객체가 인스턴스의 프로토타입 체인 상에 존재하는지 확인한다. 

 

직접 상속

Object.create에 의한 직접 상속

Object.create 메서드는 명시적을 프로토타입을 지정하여 새로운 객체를 생성한다. 첫번째 인수로 생성할 객체의 프로토타입으로 지정할 객체를 전달한다. 두번째로는 생성할 객체의 프로퍼티 키와 프로퍼티 디스크립터 객체로 이루어진 객체를 전달한다. 이처럼 첫번째 인수로 명시적으로 상속받을 객체를 지정할 수 있고, null을 전달하면 프로토타입 체인의 종점에 있는 객체를 생성할 수 있다.

객체 리터럴 내부에서 __proto__에 의한 직접 상속

ES6에서는 객체 리터럴 내부에서 __proto__ 접근자 프로퍼티를 사용하여 직접 상속을 구현할 수 있다.

 

정적 프로퍼티/메서드

정적 프로퍼티/메서드는 인스턴스를 생성하지 않아도 참조/호출할 수 있는 프로퍼티/메서드이다. 생성자 함수는 객체이므로 자신의 프로퍼티/메서드를 소유할 수 있다. 생성자 함수 객체가 소유한 프로퍼티/메서드를 정적 프로퍼티/메서드라고 한다. 정적 프로퍼티/메서드는 인스턴스가 참조/호출할 수 없다. 정적 프로퍼티/메서드는 인스턴스의 프로토타입 체인에 속하지 않기 때문이다. 

 

정적 프로퍼티/메서드와 인스턴스 프로퍼티/메서드를 어떻게 구분지어 사용할까? this를 사용하지 않는다면 그 메서드는 정적 메서드로 변경할 수 있다. 즉, 인스턴스를 참조할 필요가 없다면 정적 메서드로 변경해도 동작한다. 프로토타입 메서드를 호출하려면 인스턴스를 생성해야 하지만 정적 메서드는 인스턴스를 생성하지 않아도 호출할 수 있다.

MDN과 같은 문서를 보면 표기법만으로도 정적 프로퍼티/메서드와 프로토타입 프로퍼티/메서드를 구별할 수 있다.

Object.create() // 정적 메서드
Object.prototype.hasOwnProperty() // 프로토타입 메서드

 

프로퍼티 존재 확인

in 연산자

in 연산자는 객체 내에 특정 프로퍼티가 존재하는지 여부를 확인한다. key in object와 같은 방식으로 사용한다. in 연산자는 객체의 프로토타입 체인 상의 모든 프로퍼티를 대상으로 검색한다.

Object.prototype.hasOwnProperty 메서드

Object.prototype.hasOwnProperty 메서드는 인수로 전달받은 프로퍼티 키가 객체 고유의 프로퍼티 키인지 검사하여 불린 값으로 반환한다.

 

프로퍼티 열거

for ... in 문

객체의 모든 프로퍼티를 순회하며 열거하려면 for...in 문을 사용한다. for...in 문은 객체의 프로퍼티 개수만큼 순회하며 for...in 문의 변수 선언문에서 선언한 변수에 프로퍼티 키를 할당한다. 동작을 조금 더 자세히 표현하면, 객체의 프로토타입 체인 상에 존재하는 모든 프로퍼티 중에서 프로퍼티 어트리뷰트 [[Enumerable]]값이 true인 프로퍼티를 순회하며 열거한다. 반면 for...of 문은 이터레이션 프로토콜을 만족하는 이터레이터 객체(배열로 대표되는)를 순회하는 문이다.

Object.keys/values/entries 메서드

객체 자신의 고유 프로퍼티만 열거하기 위해서는 Object.keys/values/entries 메서드를 사용한다. 각각 객체의 프로퍼티 키/값/[키, 값] 쌍의 배열을 배열에 담아 반환한다.