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  • 对象的继承和原型

    面向对象编程很重要的一个方面,就是对象的继承。A 对象通过继承 B 对象,就能直接拥有 B 对象的所有属性和方法。这对于代码的复用是非常有用的。

    大部分面向对象的编程语言,都是通过“类”(class)实现对象的继承。传统上,JavaScript 语言的继承不通过 class,而是通过“原型对象”(prototype)实现,本章介绍 JavaScript 的原型链继承。

    原型对象概述

    构造函数的缺点

    JavaScript 通过构造函数生成新对象,因此构造函数可以视为对象的模板。实例对象的属性和方法,可以定义在构造函数内部。

    function Cat (name, color) {
      this.name = name;
      this.color = color;
    }
    
    var cat1 = new Cat('大毛', '白色');
    
    cat1.name // '大毛'
    cat1.color // '白色'
    

    上面代码中,Cat函数是一个构造函数,函数内部定义了name属性和color属性,所有实例对象(上例是cat1)都会生成这两个属性,即这两个属性会定义在实例对象上面。

    通过构造函数为实例对象定义属性,虽然很方便,但是有一个缺点。同一个构造函数的多个实例之间,无法共享属性,从而造成对系统资源的浪费。

    function Cat(name, color) {
      this.name = name;
      this.color = color;
      this.meow = function () {
        console.log('喵喵');
      };
    }
    
    var cat1 = new Cat('大毛', '白色');
    var cat2 = new Cat('二毛', '黑色');
    
    cat1.meow === cat2.meow
    // false
    

    上面代码中,cat1cat2是同一个构造函数的两个实例,它们都具有meow方法。由于meow方法是生成在每个实例对象上面,所以两个实例就生成了两次。也就是说,每新建一个实例,就会新建一个meow方法。这既没有必要,又浪费系统资源,因为所有meow方法都是同样的行为,完全应该共享。

    这个问题的解决方法,就是 JavaScript 的原型对象(prototype)。


    prototype 属性的作用

    JavaScript 继承机制的设计思想就是,原型对象的所有属性和方法,都能被实例对象共享。也就是说,如果属性和方法定义在原型上,那么所有实例对象就能共享,不仅节省了内存,还体现了实例对象之间的联系。

    下面,先看怎么为对象指定原型。JavaScript 规定,每个函数都有一个prototype属性,指向一个对象。

    function f() {}
    typeof f.prototype // "object"
    

    上面代码中,函数f默认具有prototype属性,指向一个对象。

    对于普通函数来说,该属性基本无用。但是,对于构造函数来说,生成实例的时候,该属性会自动成为实例对象的原型。

    function Animal(name) {
      this.name = name;
    }
    Animal.prototype.color = 'white';
    
    var cat1 = new Animal('大毛');
    var cat2 = new Animal('二毛');
    
    cat1.color // 'white'
    cat2.color // 'white'
    

    上面代码中,构造函数Animalprototype属性,就是实例对象cat1cat2的原型对象。原型对象上添加一个color属性,结果,实例对象都共享了该属性。

    原型对象的属性不是实例对象自身的属性。只要修改原型对象,变动就立刻会体现在所有实例对象上。

    Animal.prototype.color = 'yellow';
    
    cat1.color // "yellow"
    cat2.color // "yellow"
    

    上面代码中,原型对象的color属性的值变为yellow,两个实例对象的color属性立刻跟着变了。这是因为实例对象其实没有color属性,都是读取原型对象的color属性。也就是说,当实例对象本身没有某个属性或方法的时候,它会到原型对象去寻找该属性或方法。这就是原型对象的特殊之处。

    如果实例对象自身就有某个属性或方法,它就不会再去原型对象寻找这个属性或方法。

    cat1.color = 'black';
    
    cat1.color // 'black'
    cat2.color // 'yellow'
    Animal.prototype.color // 'yellow';
    

    上面代码中,实例对象cat1color属性改为black,就使得它不再去原型对象读取color属性,后者的值依然为yellow

    总结一下,原型对象的作用,就是定义所有实例对象共享的属性和方法。这也是它被称为原型对象的原因,而实例对象可以视作从原型对象衍生出来的子对象。

    Animal.prototype.walk = function () {
      console.log(this.name + ' is walking');
    };
    

    上面代码中,Animal.prototype对象上面定义了一个walk方法,这个方法将可以在所有Animal实例对象上面调用。


    原型链

    JavaScript 规定,所有对象都有自己的原型对象(prototype)。一方面,任何一个对象,都可以充当其他对象的原型;另一方面,由于原型对象也是对象,所以它也有自己的原型。因此,就会形成一个“原型链”(prototype chain):对象到原型,再到原型的原型……

    如果一层层地上溯,所有对象的原型最终都可以上溯到Object.prototype,即Object构造函数的prototype属性。也就是说,所有对象都继承了Object.prototype的属性。这就是所有对象都有valueOftoString方法的原因,因为这是从Object.prototype继承的。

    那么,Object.prototype对象有没有它的原型呢?回答是Object.prototype的原型是nullnull没有任何属性和方法,也没有自己的原型。因此,原型链的尽头就是null

    Object.getPrototypeOf(Object.prototype)
    // null
    

    上面代码表示,Object.prototype对象的原型是null,由于null没有任何属性,所以原型链到此为止。Object.getPrototypeOf方法返回参数对象的原型,具体介绍请看后文。

    读取对象的某个属性时,JavaScript 引擎先寻找对象本身的属性,如果找不到,就到它的原型去找,如果还是找不到,就到原型的原型去找。如果直到最顶层的Object.prototype还是找不到,则返回undefined。如果对象自身和它的原型,都定义了一个同名属性,那么优先读取对象自身的属性,这叫做“覆盖”(overriding)。

    注意,一级级向上,在整个原型链上寻找某个属性,对性能是有影响的。所寻找的属性在越上层的原型对象,对性能的影响越大。如果寻找某个不存在的属性,将会遍历整个原型链。

    举例来说,如果让构造函数的prototype属性指向一个数组,就意味着实例对象可以调用数组方法。

    var MyArray = function () {};
    
    MyArray.prototype = new Array();
    MyArray.prototype.constructor = MyArray;
    
    var mine = new MyArray();
    mine.push(1, 2, 3);
    mine.length // 3
    mine instanceof Array // true
    

    上面代码中,mine是构造函数MyArray的实例对象,由于MyArray.prototype指向一个数组实例,使得mine可以调用数组方法(这些方法定义在数组实例的prototype对象上面)。最后那行instanceof表达式,用来比较一个对象是否为某个构造函数的实例,结果就是证明mineArray的实例,instanceof运算符的详细解释详见后文。

    上面代码还出现了原型对象的constructor属性,这个属性的含义下一节就来解释。


    constructor 属性

    prototype对象有一个constructor属性,默认指向prototype对象所在的构造函数。

    function P() {}
    P.prototype.constructor === P // true
    

    由于constructor属性定义在prototype对象上面,意味着可以被所有实例对象继承。

    function P() {}
    var p = new P();
    
    p.constructor === P // true
    p.constructor === P.prototype.constructor // true
    p.hasOwnProperty('constructor') // false
    

    上面代码中,p是构造函数P的实例对象,但是p自身没有constructor属性,该属性其实是读取原型链上面的P.prototype.constructor属性。

    constructor属性的作用是,可以得知某个实例对象,到底是哪一个构造函数产生的。

    function F() {};
    var f = new F();
    
    f.constructor === F // true
    f.constructor === RegExp // false
    

    上面代码中,constructor属性确定了实例对象f的构造函数是F,而不是RegExp

    另一方面,有了constructor属性,就可以从一个实例对象新建另一个实例。

    function Constr() {}
    var x = new Constr();
    
    var y = new x.constructor();
    y instanceof Constr // true
    

    上面代码中,x是构造函数Constr的实例,可以从x.constructor间接调用构造函数。这使得在实例方法中,调用自身的构造函数成为可能。

    Constr.prototype.createCopy = function () {
      return new this.constructor();
    };
    

    上面代码中,createCopy方法调用构造函数,新建另一个实例。

    constructor属性表示原型对象与构造函数之间的关联关系,如果修改了原型对象,一般会同时修改constructor属性,防止引用的时候出错。

    function Person(name) {
      this.name = name;
    }
    
    Person.prototype.constructor === Person // true
    
    Person.prototype = {
      method: function () {}
    };
    
    Person.prototype.constructor === Person // false
    Person.prototype.constructor === Object // true
    

    上面代码中,构造函数Person的原型对象改掉了,但是没有修改constructor属性,导致这个属性不再指向Person。由于Person的新原型是一个普通对象,而普通对象的constructor属性指向Object构造函数,导致Person.prototype.constructor变成了Object

    所以,修改原型对象时,一般要同时修改constructor属性的指向。

    // 坏的写法
    C.prototype = {
      method1: function (...) { ... },
      // ...
    };
    
    // 好的写法
    C.prototype = {
      constructor: C,
      method1: function (...) { ... },
      // ...
    };
    
    // 更好的写法
    C.prototype.method1 = function (...) { ... };
    

    上面代码中,要么将constructor属性重新指向原来的构造函数,要么只在原型对象上添加方法,这样可以保证instanceof运算符不会失真。

    如果不能确定constructor属性是什么函数,还有一个办法:通过name属性,从实例得到构造函数的名称。

    function Foo() {}
    var f = new Foo();
    f.constructor.name // "Foo"
    


    instanceof 运算符

    instanceof运算符返回一个布尔值,表示对象是否为某个构造函数的实例。

    var v = new Vehicle();
    v instanceof Vehicle // true
    

    上面代码中,对象v是构造函数Vehicle的实例,所以返回true

    instanceof运算符的左边是实例对象,右边是构造函数。它会检查右边构造函数的原型对象(prototype),是否在左边对象的原型链上。因此,下面两种写法是等价的。

    v instanceof Vehicle
    // 等同于
    Vehicle.prototype.isPrototypeOf(v)
    

    上面代码中,Vehicle是对象v的构造函数,它的原型对象是Vehicle.prototypeisPrototypeOf()方法是 JavaScript 提供的原生方法,用于检查某个对象是否为另一个对象的原型,详细解释见后文。

    由于instanceof检查整个原型链,因此同一个实例对象,可能会对多个构造函数都返回true

    var d = new Date();
    d instanceof Date // true
    d instanceof Object // true
    

    上面代码中,d同时是DateObject的实例,因此对这两个构造函数都返回true

    由于任意对象(除了null)都是Object的实例,所以instanceof运算符可以判断一个值是否为非null的对象。

    var obj = { foo: 123 };
    obj instanceof Object // true
    
    null instanceof Object // false
    

    上面代码中,除了null,其他对象的instanceOf Object的运算结果都是true

    instanceof的原理是检查右边构造函数的prototype属性,是否在左边对象的原型链上。有一种特殊情况,就是左边对象的原型链上,只有null对象。这时,instanceof判断会失真。

    var obj = Object.create(null);
    typeof obj // "object"
    obj instanceof Object // false
    

    上面代码中,Object.create(null)返回一个新对象obj,它的原型是nullObject.create()的详细介绍见后文)。右边的构造函数Objectprototype属性,不在左边的原型链上,因此instanceof就认为obj不是Object的实例。这是唯一的instanceof运算符判断会失真的情况(一个对象的原型是null)。

    instanceof运算符的一个用处,是判断值的类型。

    var x = [1, 2, 3];
    var y = {};
    x instanceof Array // true
    y instanceof Object // true
    

    上面代码中,instanceof运算符判断,变量x是数组,变量y是对象。

    注意,instanceof运算符只能用于对象,不适用原始类型的值。

    var s = 'hello';
    s instanceof String // false
    

    上面代码中,字符串不是String对象的实例(因为字符串不是对象),所以返回false

    此外,对于undefinednullinstanceof运算符总是返回false

    undefined instanceof Object // false
    null instanceof Object // false
    

    利用instanceof运算符,还可以巧妙地解决,调用构造函数时,忘了加new命令的问题。

    function Fubar (foo, bar) {
      if (this instanceof Fubar) {
        this._foo = foo;
        this._bar = bar;
      } else {
        return new Fubar(foo, bar);
      }
    }
    

    上面代码使用instanceof运算符,在函数体内部判断this关键字是否为构造函数Fubar的实例。如果不是,就表明忘了加new命令。


    构造函数的继承

    让一个构造函数继承另一个构造函数,是非常常见的需求。这可以分成两步实现。第一步是在子类的构造函数中,调用父类的构造函数。

    function Sub(value) {
      Super.call(this);
      this.prop = value;
    }
    

    上面代码中,Sub是子类的构造函数,this是子类的实例。在实例上调用父类的构造函数Super,就会让子类实例具有父类实例的属性。

    第二步,是让子类的原型指向父类的原型,这样子类就可以继承父类原型。

    Sub.prototype = Object.create(Super.prototype);
    Sub.prototype.constructor = Sub;
    Sub.prototype.method = '...';
    

    上面代码中,Sub.prototype是子类的原型,要将它赋值为Object.create(Super.prototype),而不是直接等于Super.prototype。否则后面两行对Sub.prototype的操作,会连父类的原型Super.prototype一起修改掉。

    另外一种写法是Sub.prototype等于一个父类实例。

    Sub.prototype = new Super();
    

    上面这种写法也有继承的效果,但是子类会具有父类实例的方法。有时,这可能不是我们需要的,所以不推荐使用这种写法。

    举例来说,下面是一个Shape构造函数。

    function Shape() {
      this.x = 0;
      this.y = 0;
    }
    
    Shape.prototype.move = function (x, y) {
      this.x += x;
      this.y += y;
      console.info('Shape moved.');
    };
    

    我们需要让Rectangle构造函数继承Shape

    // 第一步,子类继承父类的实例
    function Rectangle() {
      Shape.call(this); // 调用父类构造函数
    }
    // 另一种写法
    function Rectangle() {
      this.base = Shape;
      this.base();
    }
    
    // 第二步,子类继承父类的原型
    Rectangle.prototype = Object.create(Shape.prototype);
    Rectangle.prototype.constructor = Rectangle;
    

    采用这样的写法以后,instanceof运算符会对子类和父类的构造函数,都返回true

    var rect = new Rectangle();
    
    rect instanceof Rectangle  // true
    rect instanceof Shape  // true
    

    上面代码中,子类是整体继承父类。有时只需要单个方法的继承,这时可以采用下面的写法。

    ClassB.prototype.print = function() {
      ClassA.prototype.print.call(this);
      // some code
    }
    

    上面代码中,子类Bprint方法先调用父类Aprint方法,再部署自己的代码。这就等于继承了父类Aprint方法。


    多重继承

    JavaScript 不提供多重继承功能,即不允许一个对象同时继承多个对象。但是,可以通过变通方法,实现这个功能。

    function M1() {
      this.hello = 'hello';
    }
    
    function M2() {
      this.world = 'world';
    }
    
    function S() {
      M1.call(this);
      M2.call(this);
    }
    
    // 继承 M1
    S.prototype = Object.create(M1.prototype);
    // 继承链上加入 M2
    Object.assign(S.prototype, M2.prototype);
    
    // 指定构造函数
    S.prototype.constructor = S;
    
    var s = new S();
    s.hello // 'hello'
    s.world // 'world'
    

    上面代码中,子类S同时继承了父类M1M2。这种模式又称为 Mixin(混入)。


    模块

    随着网站逐渐变成“互联网应用程序”,嵌入网页的 JavaScript 代码越来越庞大,越来越复杂。网页越来越像桌面程序,需要一个团队分工协作、进度管理、单元测试等等……开发者必须使用软件工程的方法,管理网页的业务逻辑。

    JavaScript 模块化编程,已经成为一个迫切的需求。理想情况下,开发者只需要实现核心的业务逻辑,其他都可以加载别人已经写好的模块。

    但是,JavaScript 不是一种模块化编程语言,ES6 才开始支持“类”和“模块”。下面介绍传统的做法,如何利用对象实现模块的效果。


    基本的实现方法

    模块是实现特定功能的一组属性和方法的封装。

    简单的做法是把模块写成一个对象,所有的模块成员都放到这个对象里面。

    var module1 = new Object({
     _count : 0,
     m1 : function (){
      //...
     },
     m2 : function (){
       //...
     }
    });
    

    上面的函数m1m2,都封装在module1对象里。使用的时候,就是调用这个对象的属性。

    module1.m1();
    

    但是,这样的写法会暴露所有模块成员,内部状态可以被外部改写。比如,外部代码可以直接改变内部计数器的值。

    module1._count = 5;
    


    封装私有变量:构造函数的写法

    我们可以利用构造函数,封装私有变量。

    function StringBuilder() {
      var buffer = [];
    
      this.add = function (str) {
         buffer.push(str);
      };
    
      this.toString = function () {
        return buffer.join('');
      };
    
    }
    

    上面代码中,buffer是模块的私有变量。一旦生成实例对象,外部是无法直接访问buffer的。但是,这种方法将私有变量封装在构造函数中,导致构造函数与实例对象是一体的,总是存在于内存之中,无法在使用完成后清除。这意味着,构造函数有双重作用,既用来塑造实例对象,又用来保存实例对象的数据,违背了构造函数与实例对象在数据上相分离的原则(即实例对象的数据,不应该保存在实例对象以外)。同时,非常耗费内存。

    function StringBuilder() {
      this._buffer = [];
    }
    
    StringBuilder.prototype = {
      constructor: StringBuilder,
      add: function (str) {
        this._buffer.push(str);
      },
      toString: function () {
        return this._buffer.join('');
      }
    };
    

    这种方法将私有变量放入实例对象中,好处是看上去更自然,但是它的私有变量可以从外部读写,不是很安全。


    封装私有变量:立即执行函数的写法

    另一种做法是使用“立即执行函数”(Immediately-Invoked Function Expression,IIFE),将相关的属性和方法封装在一个函数作用域里面,可以达到不暴露私有成员的目的。

    var module1 = (function () {
     var _count = 0;
     var m1 = function () {
       //...
     };
     var m2 = function () {
      //...
     };
     return {
      m1 : m1,
      m2 : m2
     };
    })();
    

    使用上面的写法,外部代码无法读取内部的_count变量。

    console.info(module1._count); //undefined
    

    上面的module1就是 JavaScript 模块的基本写法。下面,再对这种写法进行加工。


    模块的放大模式

    如果一个模块很大,必须分成几个部分,或者一个模块需要继承另一个模块,这时就有必要采用“放大模式”(augmentation)。

    var module1 = (function (mod){
     mod.m3 = function () {
      //...
     };
     return mod;
    })(module1);
    

    上面的代码为module1模块添加了一个新方法m3(),然后返回新的module1模块。

    在浏览器环境中,模块的各个部分通常都是从网上获取的,有时无法知道哪个部分会先加载。如果采用上面的写法,第一个执行的部分有可能加载一个不存在空对象,这时就要采用"宽放大模式"(Loose augmentation)。

    var module1 = (function (mod) {
     //...
     return mod;
    })(window.module1 || {});
    

    与"放大模式"相比,“宽放大模式”就是“立即执行函数”的参数可以是空对象。


    输入全局变量

    独立性是模块的重要特点,模块内部最好不与程序的其他部分直接交互。

    为了在模块内部调用全局变量,必须显式地将其他变量输入模块。

    var module1 = (function ($, YAHOO) {
     //...
    })(jQuery, YAHOO);
    

    上面的module1模块需要使用 jQuery 库和 YUI 库,就把这两个库(其实是两个模块)当作参数输入module1。这样做除了保证模块的独立性,还使得模块之间的依赖关系变得明显。

    立即执行函数还可以起到命名空间的作用。

    (function($, window, document) {
    
      function go(num) {
      }
    
      function handleEvents() {
      }
    
      function initialize() {
      }
    
      function dieCarouselDie() {
      }
    
      //attach to the global scope
      window.finalCarousel = {
        init : initialize,
        destroy : dieCarouselDie
      }
    
    })( jQuery, window, document );
    

    上面代码中,finalCarousel对象输出到全局,对外暴露initdestroy接口,内部方法gohandleEventsinitializedieCarouselDie都是外部无法调用的。