プロトタイプベースのプログラミング

プロトタイプ ベース プログラミングは、オブジェクト指向プログラミングのスタイルであり、プロトタイプとして機能する既存のオブジェクトを再利用するプロセスを通じて動作の再利用 (継承と呼ばれる) が実行されます。このモデルは、プロトタイププログラミング、プロトタイプ指向プログラミング、クラスレスプログラミング、またはインスタンス ベースプログラミングとも呼ばれます。

プロトタイプベースのプログラミングでは、プロセス一般化オブジェクトを使用します。このオブジェクトは、複製および拡張できます。果物を例にとると、「果物」オブジェクトは果物全般の特性と機能を表します。「バナナ」オブジェクトは「果物」オブジェクトから複製され、バナナに固有の一般的な特性が追加されます。個々の「バナナ」オブジェクトは、汎用的な「バナナ」オブジェクトから複製されます。クラスベースのパラダイムと比較すると、「果物」クラスは「バナナ」クラスによって拡張されます。

最初のプロトタイプベースのプログラミング言語は、Director または Ani ( MacLisp上) (1976-1979) と、同時期に独立してではなく、ThingLab ( Smalltalk上) (1977-1981) でした。これらはそれぞれ、MIT の Kenneth Michael Kahn とスタンフォード大学の Alan Hamilton Borning (ただし、Xerox PARC では Alan Kay と共同作業) による博士論文プロジェクトでした。Borning は、1981 年の TOPLAS 論文で「プロトタイプ」という言葉を導入しました。複数の実装者またはユーザーがいた最初のプロトタイプベースのプログラミング言語は、おそらくYale T Scheme (1981-1984) ですが、Director や ThingLab と同様に、当初はクラスのないオブジェクトについてのみ言及していました。プロトタイプの名前と概念を普及させた言語は、オブジェクト指向言語設計のトピックを研究するためにDavid Ungarと Randall Smith によって開発されたSelf (1985-1995)です。

1990 年代後半以降、クラスレス パラダイムの人気が高まっています。現在のプロトタイプ指向言語には、JavaScript (およびJScriptやFlashのActionScript 1.0などの他のECMAScript実装)、 Lua、Cecil、NewtonScript、Io、 Ioke、MOO、REBOL、AHK などがあります。

2010 年代以降、純粋関数型プロトタイプを備えた新世代の言語が登場し、OOP をその核心にまで削減しました。Jsonnet は、ミックスイン継承を使用した組み込みのプロトタイプ オブジェクト システムを備えた動的 遅延 純粋関数型言語です。Nixは、わずか 2 つの短い関数定義 (および他の多くの便利な関数) で同等のオブジェクト システム (Nix の「拡張機能」) を構築する動的遅延純粋関数型言語です。どちらの言語も、大規模な分散ソフトウェア構成を定義するために使用されます (Jsonnet は、Google がすべてのデプロイメントを定義する Google 構成言語である GCL から直接インスピレーションを得ており、変数の動的バインディングを除いて同様のセマンティクスを備えています)。それ以来、Gerbil Scheme などの他の言語は、同様の原則に基づいて純粋関数型遅延プロトタイプ システムを実装してきました。

語源的には、「プロトタイプ」は「最初の鋳造物」（「鋳造」は製造されるという意味）を意味します。プロトタイプは具体的な物であり、それをコピーして変更することで他のオブジェクトを作成できます。たとえば、国際キログラム原器は実際に存在する実際のオブジェクトであり、それをコピーすることで新しいキログラム オブジェクトを作成できます。これに対して、「クラス」はオブジェクトが属することができる抽象的な物です。たとえば、すべてのキログラム オブジェクトは KilogramObject クラスに属し、これは MetricObject のサブクラスである可能性があります。

JavaScriptにおけるプロトタイプ継承は、ダグラス・クロックフォードによって次のように 説明されている。

プロトタイプオブジェクトを作成し、新しいインスタンスを作成します。JavaScript ではオブジェクトは変更可能なので、新しいインスタンスを拡張して、新しいフィールドとメソッドを追加できます。これらは、さらに新しいオブジェクトのプロトタイプとして機能します。多くの類似したオブジェクトを作成するためにクラスは必要ありません...オブジェクトはオブジェクトを継承します。これ以上にオブジェクト指向的なことがあるでしょうか? ^[1]

プロトタイプベースプログラミングの支持者は、この手法ではプログラマーがいくつかの例の動作に集中し、後からこれらのオブジェクトをクラスと同様の方法で使用される典型的なオブジェクトに分類することだけを気にするように促されると主張している。^[2]多くのプロトタイプベースシステムでは実行時にプロトタイプを変更することが推奨されているが、クラスベースのオブジェクト指向システムではごくわずかしかプログラム実行中にクラスを変更できない（動的オブジェクト指向システム、Common Lisp、Dylan、Objective-C、Perl、Python、Ruby、Smalltalkなど）。

プロトタイプベースのシステムのほとんどは、解釈型言語と動的型付け言語に基づいています。ただし、静的型付け言語に基づくシステムも技術的には可能です。プロトタイプベースのプログラミング^[3]で説明されている Omega 言語はそのようなシステムの一例ですが、Omega の Web サイトによると、Omega も完全に静的ではなく、「コンパイラは可能な場合は静的バインディングを使用することを選択し、プログラムの効率を向上させる可能性があります」とのことです。

プロトタイプベースの言語には明示的なクラスはありません。オブジェクトはプロトタイププロパティを通じて他のオブジェクトから直接継承します。プロトタイププロパティはSelfとJavaScript、またはIoprototypeで呼び出されます。新しいオブジェクトを構築するには、無からオブジェクトを作成するか、既存のオブジェクトのクローンを作成するという 2 つの方法があります。前者は、何らかの形式のオブジェクトリテラル宣言によってサポートされており、実行時に特別な構文 ( など)によってオブジェクトを定義し、直接変数に渡すことができます。ほとんどのシステムはさまざまなクローンをサポートしていますが、無からオブジェクトを作成する方法はそれほど目立っていません。^[4]proto{...}

クラスベースの言語では、クラスのコンストラクター関数を通じて新しいインスタンスが構築されます。これは、オブジェクトのメンバー (プロパティとメソッド) 用にメモリ ブロックを予約し、そのブロックへの参照を返す特別な関数です。オプションのコンストラクター引数のセットを関数に渡すことができ、通常はプロパティに保持されます。結果として得られるインスタンスは、クラスで定義されたすべてのメソッドとプロパティを継承します。これは、同様の型のオブジェクトを構築できる一種のテンプレートとして機能します。

無からのオブジェクト作成をサポートするシステムでは、既存のプロトタイプから複製することなく、新しいオブジェクトを最初から作成できます。このようなシステムでは、既存のオブジェクトを参照せずに新しいオブジェクトのプロパティと動作を指定するための特別な構文が提供されます。多くのプロトタイプ言語には、多くの場合Objectと呼ばれるルート オブジェクトが存在します。これは、実行時に作成される他のすべてのオブジェクトの既定のプロトタイプとして設定され、toString()オブジェクトの説明を文字列として返す関数など、一般的に必要なメソッドを持ちます。無からのオブジェクト作成の便利な点の 1 つは、新しいオブジェクトのスロット (プロパティとメソッド) 名がトップレベルのObjectオブジェクトと名前空間の競合を起こさないようにすることです。( JavaScript言語では、null プロトタイプ、つまり を使用することでこれを実現できます。) Object.create(null)

クローンとは、既存のオブジェクト（そのプロトタイプ）の動作をコピーして新しいオブジェクトを作成するプロセスを指します。新しいオブジェクトは、元のオブジェクトの性質をすべて引き継ぎます。この時点から、新しいオブジェクトは変更できます。一部のシステムでは、結果として得られる子オブジェクトは、そのプロトタイプへの明示的なリンク（委任または類似性を介して）を維持し、プロトタイプの変更により、そのクローンに対応する変更が明らかになります。Forth のようなプログラミング言語 Kevo などの他のシステムでは、このようにプロトタイプからの変更は伝播せず、代わりに、クローンされたオブジェクトの変更が子孫に自動的に伝播しない、より連鎖的なモデルに従います。^[2]

// JavaScript における真のプロトタイプ継承スタイルの例。

// リテラルオブジェクト表記法 {} を使用したオブジェクトの作成。const 
foo = { name : " foo" , one : 1 , two : 2 };          

// 別のオブジェクト。const 
bar = { two : " two" , three : 3 };        

// Object.setPrototypeOf() は、ECMAScript 2015 で導入されたメソッドです。
// 簡単にするために、次の
行は使用するエンジンに関係なく機能すると仮定します: 
Object . setPrototypeOf ( bar , foo ); // foo は bar のプロトタイプになりました。  

// これから bar から foo のプロパティにアクセスしようとすると、
// 成功します。
bar . one ; // 1 に解決されます。 

// 子オブジェクトのプロパティにもアクセスできます。
bar . three ; // 3 に解決されます。 

// 独自のプロパティがプロトタイプ プロパティをシャドウします。
bar . two ; // "two" に解決されます。bar . name ; // 影響はなく、"foo" に解決されます。foo . name ; // "foo" に解決されます。 
 
 

別の例:

const foo = { 1 : 1 、2 : 2 };        

// bar.[[prototype]] = 
foo const bar = Object.create ( foo ) ;   

バー. three = 3 ;  

bar . one ; // 1 bar . two ; // 2 bar . three ; // 3 
 
 

委譲を使用するプロトタイプベースの言語では、言語ランタイムは、一致するものが見つかるまで一連の委譲ポインター (オブジェクトからそのプロトタイプへ) をたどるだけで、正しいメソッドをディスパッチしたり、適切なデータを見つけたりすることができます。オブジェクト間のこの動作共有を確立するために必要なのは、委譲ポインターだけです。クラスベースのオブジェクト指向言語におけるクラスとインスタンスの関係とは異なり、プロトタイプとその派生の関係では、子オブジェクトがこのリンクを超えてプロトタイプとメモリまたは構造的に類似している必要はありません。そのため、子オブジェクトは、クラスベースのシステムのように、関連するプロトタイプの構造を再配置することなく、時間の経過とともに変更および修正し続けることができます。また、データだけでなくメソッドも追加または変更できることにも注意してください。このため、一部のプロトタイプベースの言語では、データとメソッドの両方を「スロット」または「メンバー」と呼びます。^{[引用が必要]}

連結プロトタイピング（Kevoプログラミング言語で実装されているアプローチ）では、オブジェクトのクローン元となる元のプロトタイプへの目に見えるポインタやリンクはありません。プロトタイプ（親）オブジェクトはリンクされるのではなくコピーされ、委譲はありません。その結果、プロトタイプへの変更はクローンされたオブジェクトに反映されません。^{[5]ちなみに、Cosmosプログラミング言語は}永続的なデータ構造を使用して同じことを実現します。^[6]

この仕組みにおける主な概念的な違いは、プロトタイプ オブジェクトに加えられた変更が自動的にクローンに伝播されないことです。これは利点とも欠点とも言えます。(ただし、Kevo は、委任モデルで一般的な分類上の起源ではなく、類似性に基づいてオブジェクトのセット全体にわたって変更を公開するための追加のプリミティブ (いわゆるファミリー類似性またはクローン ファミリーメカニズム^[5] ) を提供しています。) また、委任ベースのプロトタイピングには、子オブジェクトへの変更が親のその後の操作に影響を及ぼす可能性があるという追加の欠点があると主張されることもあります。ただし、この問題は委任ベース モデルに固有のものではなく、JavaScript などの委任ベース言語には存在しません。JavaScript では、子オブジェクトへの変更は常に子オブジェクト自体に記録され、親には記録されません (つまり、子の値が親の値を変更するのではなく、親の値をシャドウします)。

最も単純な実装では、連結プロトタイピングは委任ベースのプロトタイピングよりもメンバー検索が高速になります (親オブジェクトのチェーンをたどる必要がないため)。ただし、逆にメモリ使用量は多くなります (親オブジェクトを指すスロットが 1 つあるのではなく、すべてのスロットがコピーされるため)。より洗練された実装ではこの問題を回避できますが、速度とメモリのトレードオフが必要になります。たとえば、連結プロトタイピングのシステムでは、コピーオンライト実装を使用して、舞台裏でのデータ共有が可能です。実際、Kevo ではこのようなアプローチが採用されています。^[7]逆に、委任ベースのプロトタイピングのシステムでは、キャッシュを使用してデータ検索を高速化できます。

プロトタイプベースのシステムを批判するクラスベースのオブジェクト モデルの支持者は、プログラミング言語の静的型システムの支持者が動的型システム (データ型を参照) に対して抱く懸念と同様の懸念を抱いていることが多い。通常、このような懸念には、正確性、安全性、予測可能性、効率性、およびプログラマの不慣れさが関係する。

最初の 3 つの点では、クラスは型に類似していると見なされることが多く (ほとんどの静的型付けオブジェクト指向言語ではその役割を果たします)、インスタンスとそのインスタンスのユーザーに対して、特定の方法で動作することを契約で保証することが提案されています。

効率性に関しては、クラスを宣言すると多くのコンパイラ最適化が簡素化され、効率的なメソッドとインスタンス変数の検索が可能になります。Self 言語の場合、プロトタイプベースのシステムとクラスベースのシステムのパフォーマンスを向上させるための手法の開発、コンパイル、解釈に多くの開発時間が費やされました。

プロトタイプベースの言語に対する一般的な批判は、JavaScriptの人気と市場浸透にもかかわらず、ソフトウェア開発者のコ​​ミュニティがこの言語に馴染みがないというものである。しかし、プロトタイプベースのシステムに関する知識は、JavaScript フレームワークの普及と、 World Wide Web (Web) の成熟に伴う JavaScript の複雑な使用により増加している。^{[8] [要出典] ECMAScript 6 では、JavaScript の既存のプロトタイプベースの継承に対する}糖衣構文としてクラスが導入され、オブジェクトの作成と継承の管理の代替手段が提供された。^[9]

• クラスベースプログラミング（対比）
• 差別的遺伝
• プログラミングパラダイム

Wikibooksにはオブジェクト指向プログラミングに関する本があります。

• アバディ、マーティン、ルカ・カルデッリ（1996）。オブジェクトの理論。シュプリンガー・フェアラーク。ISBN 978-1-4612-6445-3。
• 階級闘争：階級対プロトタイプ、ブライアン・フット著。
• Noble, James; Taivalsaari, Antero; Moore, Ivan 編 (1999)。プロトタイプベースプログラミング: 概念、言語、アプリケーション。Springer- Verlag。ISBN 981-4021-25-3。
• 『プロトタイプ オブジェクトを使用したオブジェクト指向システムでの共有動作の実装』、Henry Lieberman 著、1986 年。

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