JS 原生方法原理探究如何实现浅拷贝和深拷贝？

Posted 2021-09-04 Chor

这是 JS 原生方法原理探究系列的第九篇文章。本文会介绍如何手写实现浅拷贝和深拷贝。

实现浅拷贝

什么是浅拷贝？

对原对象进行浅拷贝，会生成一个和它“一样”的新对象。但是这种拷贝只会拷贝原对象第一层的基本类型属性，引用类型属性仍然和原对象共享同一个。

用一个简单的例子来理解：

let obj1 = {
    a: \'Jack\',
    b: {
        c: 1
    }
}
let obj2 = Object.assign({},obj1)
obj1.a = \'Tom\'
obj1.b.c = 2
console.log(obj1.a)      // \'Tom\'
console.log(obj2.a)      // \'Jack\'   
console.log(obj1.b.c)    // 2
console.log(obj2.b.c)    // 2

可以看到，因为新对象拷贝了原对象第一层的基本类型属性，所以修改 obj1.a 的值并不会影响 obj2.a 的值；同时，因为新对象和原对象共享同一个第一层的引用类型属性，所以修改 obj1.b 对象也会影响到 obj2.b 对象。

如何实现浅拷贝？

JS 中常见的浅拷贝方法有 Object.assign()、... 展开运算符以及数组的 slice 方法。但是如果我们要自己实现一个浅拷贝，应该怎么做呢？

其实也很简单，因为浅拷贝只作用在第一层，所以只需要遍历原对象，将它的每一个成员添加到新对象上就行。这里说的原对象指的是对象字面量、数组、类数组对象、Set 以及 Map 这些可以遍历的对象。对于其它的不可遍历对象以及基本类型的值直接将其返回即可。

代码如下：

function getType(obj){
    return Object.prototype.toSrting.call(obj).slice(8,-1)
}
// 可以遍历的数据类型
let iterableList = [\'Object\',\'Array\',\'Arguments\',\'Set\',\'Map\']
// 浅拷贝
function shallowCopy(obj){
    let type = getType(obj)
    if(!iterableList.includes(type)) return obj
    let res = new obj.constructor()
    // 如果是 Set 或者 Map
    obj.forEach((value,key) => {
        type === \'Set\' ? res.add(value) : res.set(key,value)
    })        
    // 如果是对象字面量、类数组对象或者数组
    Reflect.ownKeys(obj).forEach(key => {
        res[key] = obj[key]
    })        
    return res
}

一些要点：

• 初始化新对象 res：获取原对象 obj 的构造函数，用于创建一个和原对象同类型的实例
• 这里遍历对象或者数组有三种方式，第一种是使用 Reflect.ownKeys() 获取自身所有属性（无论是否可以枚举），第二种是使用 for……in + hasOwnProperty() 获取自身所有可枚举属性，第三种是使用 Object.keys() 一次性获取自身所有可枚举属性

实现对象深拷贝

什么是深拷贝？

对原对象进行深拷贝，会生成一个和它“一样”的新对象。深拷贝会拷贝原对象所有层级上的基本类型属性和引用类型属性。还是通过一个例子理解一下：

let obj1 = {
    a: \'Jack\',
    b: {
        c: 1
    }
}
let obj2 = JSON.parse(JSON.stringify(obj1))
obj1.a = \'Tom\'
obj1.b.c = 2
console.log(obj1.a)      // \'Tom\'
console.log(obj2.a)      // \'Jack\'   
console.log(obj1.b.c)    // 2
console.log(obj2.b.c)    // 1

可以看到，无论对 obj1 作出什么修改，都不会影响到 obj2，反之亦然，两者是完全独立的。

如何实现深拷贝？

常见的实现深拷贝的方式是 JSON.parse(JSON.stringify())。它可以应付一般的深拷贝场景，但是也存在着不少问题，这些问题基本都是出现在序列化的环节。

1. Date 类型的属性经过深拷贝之后会变成字符串：

   let obj = {
       date : new Date()
   }
   JSON.parse(JSON.stringify(obj))    // {date: "2021-07-04T13:01:35.934Z"}

2. 正则类型和错误类型的属性经过深拷贝之后会变成空对象：

   let obj = {
       reg : /\\d+/gi,
       error : new Error()
   }
   JSON.parse(JSON.stringify(obj))       // {reg:{},error:{}}

3. 如果 key 的 value 是函数类型、 undefined 类型、Symbol 类型，则经过深拷贝之后会丢失：

   // 如果是对象，属性直接丢失
   let obj = {
       fn: function(){},
       name: undefined,
       sym: Symbol(),
       age: 12
   }
   JSON.parse(JSON.stringify(obj))     // {age:12}
   // 如果是数组，则变为 "null"
   let arr = [
       function(){},
       undefined,
       Symbol(),
       12
   ]
   JSON.parse(JSON.stringify(arr))     //  ["null","null","null"12]

4. 如果 key 是 Symbol 类型，则经过深拷贝之后会丢失：

   let obj = {a:1}
   obj[Symbol()] = 2
   JSON.parse(JSON.stringify(obj))      // {a:1}

5. NaN、Infinity、-Infinity 经过深拷贝之后会变成 null

   let obj = {
       a:NaN,
       b:Infinity,
       c:-Infinity
   }
   JSON.parse(JSON.stringify(obj))     // {a:null,b:null,c:null}

6. 可能导致 constructor 指向丢失：

   function Super(){}
   let obj1 = new Super()
   let obj2 = JSON.parse(JSON.stringify(obj1))
   
   console.log(obj1.constructor)       // Super
   console.log(obj2.constructor)       // Object   

   JSON.stringify() 只能序列化对象自身的可枚举属性，而 constructor 并不是实例对象自身的属性，而是实例的原型对象的属性。因此在序列化实例对象 obj1 的时候，实际上并不会去处理 constructor 的指向，这样，它的指向就成为了默认的 Object。

7. 存在循环引用的问题

   let obj = {}
   obj.a = obj
   JSON.parse(JSON.stringify(obj1))

   上面的 obj 对象存在循环引用，也就是说，它是一个环状结构（非树状）的对象，这样的对象是无法转化为 JSON 的，因此会报错：can\'t convert circular structure to JSON。

此外，我们也可以考虑使用 Lodash 提供的深拷贝方法。不过，如果要自己实现深拷贝，应该怎么做呢？我们一步一步来看。

基础版本

深拷贝的核心其实就是==浅拷贝 + 递归==，不管层级嵌套有多深，我们总可以通过不断的递归到达对象的最里层，完成基本类型属性以及不可遍历的引用类型属性的拷贝。

下面是最基础的深拷贝版本：

function deepClone(target){
    if(typeof target === \'object\'){
        let cloneTarget = Array.isArray(target) ? []:{}
        Reflect.ownKeys(target).forEach(key => {
            cloneTarget[key] = deepClone(target[key])
        })
        return cloneTarget
    } else {
        return target
    }
}

这里只考虑数组和对象字面量的情况。根据初始传入的 target 是一个对象字面量还是数组，决定最终返回的 cloneTarget 是对象还是数组。接着遍历 target 的每一个自身属性，递归调用 deepClone，如果属性已经是基本类型，则直接返回；如果还是对象或者数组，就和初始的 target 进行一样的处理。最后，把处理好的结果一一添加给 cloneTarget。

解决循环引用导致的爆栈问题

但是，这里存在一个循环引用的问题。

假设深拷贝的目标是下面这样的对象：

let obj = {}
obj.a = obj

这样的对象，结构中存在回环，即存在循环引用：obj 通过属性 a 引用了自身，而 a 也一定会有一个属性 a 再次引用自身 …… 最终会导致 obj 无限嵌套下去。而深拷贝的过程中因为用到了递归，无限嵌套的对象就会导致无限的递归，不断地压栈最终会导致堆栈溢出。

如何解决循环引用带来的爆栈问题呢？其实也很简单，只需要给递归创建一个出口即可。对于初次传入的对象或者数组，会用一个 WeakMap 记录当前目标和拷贝结果的映射关系，当检测到再次传入相同的目标时，就不再进行重复的拷贝，而是直接从 WeakMap 中取出它对应的拷贝结果返回。

这里的“返回”其实就给递归创建了一个出口，因此不会无限递归下去，也就不会爆栈了。

因此改进后的代码如下：

function deepClone(target,map = new WeakMap()){
    if(typeof target === \'object\'){
        let cloneTarget = Array.isArray(target) ? []:{}
        
        // 处理循环引用的问题
        if(map.has(target)) return map.get(target)
        map.set(target,cloneTarget)
        Reflect.ownKeys(target).forEach(key => {
            cloneTarget[key] = deepClone(target[key],map)
        })
        return cloneTarget
    } else {
        return target
    }
}

处理其它数据类型

始终记住，我们要处理的是三类目标：

• 基本数据类型：直接返回即可
• 可以继续遍历的引用数据类型：除了上面已经处理的对象字面量和数组，还有类数组对象、Set、Map 。它们都属于可以继续遍历的、可能存在嵌套的引用类型，因此在处理的时候就需要递归
• 不能继续遍历的引用数据类型：包括函数、错误对象、日期对象、正则对象、基本类型的包装对象（String、Boolean、Symbol、Number）等。它们是不能继续遍历的，或者说是“没有层级嵌套”的，因此再处理的时候需要拷贝一份一样的副本返回

1）类型判断函数

为了更好地判断是引用数据类型还是基本数据类型，可以使用一个 isObject 函数：

function isObject(o){
    return o !== null && (typeof o === \'object\' || typeof o === \'function\')
}

为了更准确地判断具体是什么数据类型，可以使用一个 getType 函数：

function getType(o){
    return Object.prototype.toString.call(o).slice(8,-1)
}
// getType(1)      "Number"
// getType(null)   "Null"

2）初始化函数

之前深拷贝对象字面量或者数组的时候，首先会将最终返回的结果 cloneTarget 初始化为 [] 或者 {}。同样地，对于 Set、Map 以及类数组对象，也需要进行相同的操作，所以最好用一个函数统一实现 cloneTarget 的初始化。

function initCloneTarget(target){
    return new target.constructor()
}

通过 target.constructor 可以获得传进来的实例的构造函数，利用这个构造函数新创建一个同类型的实例并返回。

3）处理可以继续遍历的引用类型：类数组对象、Set、Map

类数组对象，其实和数组以及对象字面量的形式差不多，所以可以一块处理；处理 Set 和 Map 的流程也基本一样，但是不能采用直接赋值的方式，而要使用 add 方法或者 set 方法，所以稍微改进一下。

代码如下：

function deepClone(target,map = new WeakMap()){
    // 如果是基本类型，直接返回即可
    if(!isObject(target))    return target   
    
    // 初始化返回结果
    let type = getType(target)
    let cloneTarget = initCloneTarget(target)
    
    // 处理循环引用
    if(map.has(target))      return map.get(target)
    map.set(target,cloneTarget)
    
    // 处理 Set    
    if(type === \'Set\'){
        target.forEach(value => {
            cloneTarget.add(deepClone(value,map))
        })
    }
    // 处理 Map
    else if(type === \'Map\'){
        target.forEach((value,key) => {
            cloneTarget.set(key,deepClone(value,map))
        })
    }
    
    // 处理对象字面量、数组、类数组对象
    else if(type === \'Object\' || type === \'Array\' || type === \'Arguments\'){
        Reflect.ownKeys(target).forEach(key => {
            cloneTarget[key] = deepClone(target[key],map)
        })
    }
    return cloneTarget
}

4）处理不能继续遍历的引用类型

现在来处理不能继续遍历的引用类型。对于这样的目标，我们不能像基本数据类型那样直接返回，因为它们本质上也是对象，直接返回将返回相同的引用，并没有达到拷贝的目的。正确的做法，应该是拷贝一份副本再返回。

如何拷贝呢？这里又分为两种情况。其中，String、Boolean、Number、错误对象、日期对象都可以通过 new 的方式返回一个实例副本；而 Symbol、函数、正则对象的拷贝则无法通过简单的 new 拷贝副本，需要单独处理。

拷贝 Symbol

function cloneSymbol(target){
    return Object(target.valueOf())    
    // 或者
    return Object(Symbol.prototype.valueOf.call(target))
    // 或者
    return Object(Symbol(target.description))
}

PS：这里的 target 是 Symbol 基本类型的包装类型，调用 valueOf 可以获得它对应的拆箱结果，再把这个拆箱结果传给 Object，就可以构造原包装类型的副本了；为了保险起见，可以通过 Symbol 的原型调用 valueOf；可以通过 .description 获得 symbol 的描述符，基于此也可以构造原包装类型的副本。

拷贝正则对象（参考 lodash 的做法）

function cloneReg(target) {
    const reFlags = /\\w*$/;
    const result = new RegExp(target.source, reFlags.exec(target));
    result.lastIndex = target.lastIndex;
    return result;
}

拷贝函数（实际上函数没有必要拷贝）

function cloneFunction(target){
    return eval(`(${target})`)
    // 或者
    return new Function(`return (${target})()`)
}

PS：传给 new Function 的参数声明了新创建的函数实例的函数体内容

接下来，用一个 directCloneTarget 函数处理以上所有情况：

function directCloneTarget(target,type){
    let _constructor = target.constructor
    switch(type):
        case \'String\':
        case \'Boolean\':
        case \'Number\':
        case \'Error\':
        case \'Date\':
            return new _constructor(target.valueOf())
            // 或者
            return new Object(_constructor.prototype.valueOf.call(target))
        case \'RegExp\':
            return cloneReg(target)        
        case \'Symbol\':
            return cloneSymbol(target)        
        case \'Function\':            
            return cloneFunction(target) 
        default:            
            return null        
}

PS：注意这里有一些坑。

• 为什么使用 return new _constructor(target.valueOf()) 而不是 return new _constructor(target) 呢？因为如果传进来的 target 是 new Boolean(false)，那么最终返回的实际上是 new Boolean(new Boolean(false)) ，由于参数并非空对象，因此它的值对应的不是期望的 false，而是 true。所以，最好使用 valueOf 获得包装类型对应的真实值。
• 也可以不使用基本类型对应的构造函数 _constructor，而是直接 new Object(target.valueOf()) 对基本类型进行包装
• 考虑到 valueOf 可能被重写，为了保险起见，可以通过基本类型对应的构造函数 _constructor 去调用 valueOf 方法

最终版本

最后的代码如下：

let objectToInit = [\'Object\',\'Array\',\'Set\',\'Map\',\'Arguments\']

function deepClone(target,map = new WeakMap()){
    if(!isObject(target))    return target    
    // 初始化
    let type = getType(target)
    let cloneTarget
    if(objectToInit.includes(type)){
        cloneTarget = initCloneTarget(target)
    } else {
        return directCloneTarget(target,type)
    }
     // 解决循环引用   
    if(map.has(target))       return map.get(target)
    map.set(target,cloneTarget)
    // 拷贝 Set
    if(type === \'Set\'){
        target.forEach(value => {
            cloneTarget.add(deepClone(value,map))
        })
    }
    // 拷贝 Map
    else if(type === \'Map\'){
        target.forEach((value,key) => {
            cloneTarget.set(key,deepClone(value,map))
        })
    }
    // 拷贝对象字面量、数组、类数组对象
    else if(type === \'Object\' || type === \'Array\' || type === \'Arguments\'){
        Reflect.ownKeys(target).forEach(key => {
            cloneTarget[key] = deepClone(target[key],map)
        })
    }
    return cloneTarget
}