元类型系统是对JavaScript内建概念的补充

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我是靠谱客的博主朴素往事，最近开发中收集的这篇文章主要介绍元类型系统是对JavaScript内建概念的补充，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

本文是一个系列，包括：

JavaScript的元系统 - https://blog.csdn.net/aimingoo/article/details/82014291
JavaScript中创建原子的几种方法 - https://blog.csdn.net/aimingoo/article/details/82080105
元类型系统是对JavaScript内建概念的补充（本文）

JavaScript的类型系统一贯是反人类的，以至于JavaScript之父Eich都会跳出来说“我做错了”。但是这并不是说它的整个类型系统就是不可理解的，相反，它提供了观察这门语言的多个不同角度。

远古JavaScript中的类型系统

在远古时期（我是指JavaScript 1.0）中，JavaScript的世界里还并没有“原型”这个东西，而且undefined也是一个奇葩的存在。

这时的undefined是一个概念定义而非值声明，它表明函数或某个运算（例如属性存取）没有返回值。由于还没有===和!==运算符，所以undefined被约定为与null是等值的。

考察这个阶段，可以发现整个类型系统其实只有如下几种值类型。每种类型都包括一个它们各自表示（逻辑上的）“无值”的成员：

字符串值，空串是无值；
数字值，NaN是无值（数字值中的0表达非值）；
布尔值，false是非值（或也可以理解为无值）；

接下来就是对象和函数。它们都是引用类型（从最早的JavaScript语言就这样定义了），而且也各有一个表达“无值”的方式：

函数（以及表达式运算或值运算等）的结果：undefined
对象：null

这基本上就是JavaScript 1.0时代对类型系统的全部理解，以及假设。——之所以称之为假设，是因为这时连typeof运算符都没有，所我们无法在语言的层面上验证它。

不过有趣的是，这个时代是支持面向对象编程的。JavaScript 1.0中的面向对象是“基于类”的，它有“类构造对象（的实例）”的概念：

obj = new Object;
// OR
function MyObject() {
this.x = 100;
}
obj = new MyObject;

在这时，Object/MyObject已经被称为构造器（constructor）了。它采用的是被称为“类抄写”的方式，通过向实例“this”上添加成员来初始化对象。

这个时代并没有原型继承，也不支持instanceof运算，因此尽管Object/MyObject执行“构造一个对象”的职责，却没有人认得它是“类”。由于JavaScript默认函数总是可以作new运算，并且this可以缺省指向global，因此它是不是“类”就不要紧，用new运算时都不会出错。

NOTE1：往前追溯20多年，一本名为《结构程序设计（ Structured programming）》的书定义了面向对象编程。其中说：如果一个过程产生了比它生存时间更久的实例，那么这个过程就称为类，而这个实例就称为对象。因此，JavaScript 1.0时代的面向对象是古典的、传统的设计，不可思议却又历久弥新。

NOTE2：有关JavaScript 1.0，可以参见这里：https://docs.oracle.com/cd/E19957-01/816-6408-10/object.htm#1193255

概念灾难的源头

从JavaScript 1.1开始，这门语言总算提供了“识别自己的类型”的运算，也就是著名的typeof。在语义上，它提出的想法是：用undefined表达语言层面的“没有（无值）”。

由于在JavaScript 1.0中已经为string、boolean等各自定义了一个它们在语言层面上的“没有”，因此这一设计也就保留了下来。在1.1中，typeof返回如下六个值之一：

针对值类型：’undefined’、’string’、’boolean’和’number’
针对引用类型：’object’和’function’

有了undefined，JavaScript可以自如地表达类型间的运算，例如A + B。任何函数/过程总应该是有一个静态结果的，因此要么它是值，要么它就是无值（undefined）。——基本想法是：如果算不出结果，那么这个过程应当返回undefined。

而null表示的是对象层面的没有，因此它被理解为一个对象，也就是说它的typeof值仍然是’object’。——就好象说NaN表达数值上的‘无值’，但仍然是数字值。例如：

> typeof null
'object'

但是null又并不是由对象系统创建出来的，因此它不是Object()或其子类的实例。因此：

> null instanceof Object
false

对象也会参与跨类型的值计算，因此它也需要一个“对象的值的含义”。于是Object.prototype.valueOf()就出现了。当JavaScript在值运算中发现操作数（x）是对象时，就会调用x.valueof()来得到它的值类型数据，并以此为操作数来进行值运算。这个过程很简洁，也很完美。

稍稍差一点的是null，它是对象，但又不继承自Object()，所以没有Object.prototype.valueOf()，而它就必须“被理解”有自己的value。——但是，如果一个运算数“有自己的value”，那么它不就是值么？

是的。概念开始混乱了。

JavaScript在1.x版本中确立的类型系统

无论如何，JavaScript在1.x版本中确立了自己对类型系统的理解。

types_in_javascript_1.x

这个类型系统可以完美地概括JavaScript中可能的各种对象和概念理解。其中”值类型”用于进行值运算或表达值运算的结果，而引用类型用于“索引到”一个值。

在这个系统中，null并不在基本类型系统中，它只是在“对象类型系统”中的、一个特殊对象的字面量表示。

惹祸的ECMA

ECMA开始制定ECMA-262（也就是ECMAScript）标准时，JavaScript已经发展到了v1.2版本，一直到后来发布ECMAScript ed3时（1999.12），它才基本与JavaScript v1.3对齐。随后（2000.07~11月），JavaScript发布了v1.5以及JScript发布了v5.5，才将现实中可用的JavaScript版本与ECMA规范标准对应起来，基本上三者同一了。

然而从ECMAScript ed1开始，它就采用了一种“不同寻常”的类型描述方法。在ECMAScript中，一直将Null独立作为一个类型来描述，并称之为“六种基本类型（six standard types）”之一。而这，显然是与JavaScript的typeof的返回值有异的。并且ECMAScript还描述了几种用于实现JavaScript的“内部类型（internal types），其中最重要的就是从ECMAScript ed1就开始包括的完成（Completion）、引用（Reference）和列表（List）。

从ECMAScript ed5开始，“基本类型”与“内部类型”就分别被称为语言类型与规范类型了。

根底上的原因，还在于ECMAScript并不是要描述“JavaScript的语言性质”，而是要描述“JavaScript如何实现”。在比目标语言级别更高的维度上，ECMAScript通过所谓“规范类型”来描述和解释“实现JavaScript”时可能操作的数据以及操作这些数据的方式。——它们被严格的区分为两种：对象，或非对象。其中，function类型从一开始就是对象，因而不存在语义矛盾。出于在前面讲到的种种理由，处理null时就比较尴尬了：它在JavaScript中是对象，却用来表示“没有对象（对象的‘无’值）”。

ECMAScript再一次在概念上向typeof的结果说了不，它约定：null是值，是非对象类型的。

ECMAScript中的类型系统

所以一直以来，JavaScript不得不按“两种类型系统”来进行语言描述，一种是JavaScript应用环境中的，称为“语言类型（Language types）”；另一种则是ECMAScript中的，称为“规范类型（Specification type）”。而ECMAScript在规范中描述的“语言类型”，还与它在实现中使用typeof()得到的结果不一致。

在这两种类型系统中，JavaScript语言认为null是个是引用类型（Object）的值，而ECMAScript认为null是个原始类型（Primitive types）的值。

NOTE3：很不幸的是，在讨论JavaScript的时候，这两种描述都是对的。

types_in_ecmascript

在ECMAScript中考察一个值（V）的类型时，是根据其内部操作Type()的结果值，来确定该值V是或不是“ECMAScript language value”，或者是更具体的某个类型。

当JavaScript引擎在分析脚本代码时，会将代码解析成为数据或执行逻辑以便后续处理，这（通常）也就对应于ECMAScript规范类型中的记录（Record）和词法环境（Lexical Environment）。而在运行期，任何的JavaScript代码最终都会被理解成“可执行的”语句或表达式，并且当一个操作（op）是表达式时，它总有结果值；而当操作是语句时，它的最终状态是由一个称为“完成记录（Completion Record）”的规范类型来存放的——并用这个记录的[[value]]字段来存放语句的结果值。

下图完整地展示了四种主要的规范类型的使用。

specification_type_in_ecmascript

null仍然是无法解释的

上述由ECMAScript构建的类型系统运转良好——比如我们确实可以按照这样的规范来编写一个JavaScript引擎。然而它仍然无法有效地解释null值的语言特性。

尤其是在ES5之后。因为ES5开始提供了新的创建对象的语法：

obj = Object.create(null)

ECMAScript无法对“对象create自null”这样的语义给出合理解释，其根本原因在于它隐藏（至少是有意不讨论）这样的一个事实：Object.prototype就是一个“创建自null”的对象：

> Object.getPrototypeOf(Object.prototype)
null

ECMAScript禁止用户代码向Object.prototype置值或改变属性——这很容易理解，它将prototype创建为一个只读且不可配置的属性就可以了。但是，ECMAScript还同时禁止了用户代码改变Object.prototype的原型，亦即是：

// 当置为非null值时将触发异常
> Object.setPrototypeOf(Object.oprototype, {})
TypeError: Immutable prototype object '#<Object>' ...

所以Object.prototype被称为“不可变原型对象（Immutable prototype object）”。——在ECMAScript中目前只有Object.prototype和模块名字空间的原型会这样（尽管后者并没有明确指出）。

NOTE4: Object.prototype是唯一被明确约定为“不可变原型对象（Immutable prototype object）”的，而<aNamespaceOfModule>.prototype却只是置它的[[SetPrototypeOf]]内部槽为一个特殊的写方法。这二者的处理方法并不一致，一定程度上是为了强调在“Object.prototype是什么对象”这个问题上的特殊性。

ECMAScript只说明了“该对象不可变原型”这样的性质，却没有解释“原型为null的对象是什么”这一问题。因为ECMAScript在语义上并没有对应于“创建自null的对象”这样的概念。也正是因此，下面的类声明才显得牵强：

class MyClass extends null {
// ...
}

并且当它没有自有的构造方法（constructor）时，才会出现下面的问题：

extends xxx决定了缺省情况下由父类来创建实例；但是
extends null表明父类是null；所以，
创建过程出现异常。

> new MyClass
TypeError: Super constructor null of MyClass ...

Metameta的概念补充

在Metameta（@aimingoo/metameta）中对这一现象给出了自己的解释：

当一个对象创建自null时，它是一个原子；且，
派生自这种原子的、非Object()及其子类实例的对象，是原子对象。

在这样的解释下，可以看到Object.prototype本质上来说也是一个原子对象。亦即是说，我们找到了ECMAScript/JavaScript创建自己的对象系统的原始方式。加上JavaScript开放了get/setPrototypeOf()和有关操作属性描述符的方法，于是我们既得了创建“原子/原子对象”的能力，也得到了在“属性表”这一级别维护这些原子自有成员的能力。

进一步的，由于JavaScript中的'function'类型事实上也是对象，因此我们既得到了表达静态数据的原子，也得到了支持运算过程的原子。再加上JavaScript还通过eval()提供了原生的解析代码和操作执行上下文的能力，那么——事实上——我们也就得到了整个的原子计算环境/运行框架。

这也是Metameta提供了一个.from()工具方法的原因：Metameta致力于扩展JavaScript的内建概念，并试图用为ECMAScript建立一个更为完整的概念集。在这其中，.from()所体现出来的事实是：JavaScript的对象系统，是以原子为基础的类型系统的一个实现。

如图：

types_of_object_system