深入浅出JS的封装与继承
JavaScript
李银城
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深入浅出JS的封装与继承

深入浅出JS的封装与继承

JS虽然是一个面向对象的语言,但是不是典型的面向对象语言。Java/C++的面向对象是object - class的关系,而JS是object - object的关系,中间通过原型prototype连接,父类和子类形成一条原型链。本文通过分析JS的对象的封装,再探讨正确实现继承的方式,然后讨论几个问题,最后再对ES6新引入的类class关键字作一个简单的说明。

JS的类其实是一个函数function,由于不是典型的OOP的类,因此也叫伪类。理解JS的类,需要对JS里的function有一个比较好的认识。首先,function本身就是一个object,可以当作函数的参数,也可以当作返回值,跟普通的object无异。然后function可以当作一个类来使用,例如要实现一个String类

var MyString = function(str){
    this.content = str;
};
 
var name = new MyString("hanMeimei");
var addr = new MyString("China");
console.log(name.content + " live in " + addr.content);

第一行声明了一个MyString的函数,得到一个MyString类,同时这个函数也是MyString的构造函数。第5行new一个对象,会去执行构造函数,this指向新产生的对象,第2行给这个对象添加一个content的属性,然后将新对象的地址赋值给name。第6行又去新建一object,注意这里的this指向了新的对象,因此新产生的content和前面是不一样的。

上面的代码在浏览器运行有一点问题,因为这段代码是在全局作用域下运行,定义的name变量也是全局的,因此实际上执行var name = new MyString(“”)等同于window.name = new MyString(“”),由于name是window已经存在的一个变量,作为window.open的第二个参数,可用来跨域的时候传数据。但由于window.name不支持设置成自定义函数的实例,因此设置无效,还是保持默认值:值为”[object Object]”的String。解决办法是把代码的运行环境改成局部的,也就是说用一个function包起来:

(function(){
    var name = new MyString("hanMeimei");
    console.log(name.content); //正确,输出hanMeimei
})();

所以从此处看到,代码用一个function包起来,不去污染全局作用域,还是挺有必要的。接下来,回到正题。

JS里的每一个function都有一个prototype属性,这个属性指向一个普通的object,即存放了这个object的地址。这个function new出来的每个实例都会被带上一个指针(通常为__proto__)指向prototype指向的那个object。其过程类似于:

var name = new MyString();             //产生一个对象,执行构造函数
name.__proto__ = MyString.prototype;   //添加一个__proto__属性,指向类的prototype(这行代码仅为说明)

如下图所示,name和addr的__proto__指向MyString的prototype对象:

可以看出在JS里,将类的方法放在function的prototype里面,它的每个实例都将获得类的方法。       

 现在为MyString添加一个toString的方法:

MyString.prototype.toString = function(){
    return this.content;
};

MyString的prototype对象(object)将会添加一个新的属性。

这个时候实例name和addr就拥有了这个方法,调用这个方法:

console.log(name.toString()); //输出hanMeimei
console.log(name + " lives in " + addr); //“+”连接字符时,自动调用toString,输出hanMeimei lives in China

这样就实现了基本的封装——类的属性在构造函数里定义,如MyString的content;而类的方法在函数的prototype里添加,如MyString的toString方法。

这个时候,考虑一个基础的问题,为什么在原型上添加的方法就可以被类的对象引用到呢?因为JS首先会在该对象上查找该方法,如果没有找到就会去它的原型上查找。例如执行name.toString(),第一步name这个object本身没有toString(只有一个content属性),于是向name的原型对象查找,即__proto__指向的那个object,发现有toString这个属性,因此就找到了。

要是没有为MyString添加toString方法呢?由于MyString实际上是一个Function对象,上面定义MyString语法作用等效于:

//只是为了示例,应避免使用这种语法形式,因为会导致两次编译,影响效率
var MyString = new Function("str", "this.content = str");

通过比较MyString和Function的__proto__,可以从侧面看出MyString其实是Function的一个实例:

console.log(MyString.__proto__); //输出[Function: Empty]
console.log(Function.__proto__); //输出[Function: Empty]

MyString的__proto__的指针,指向Function的prototype,通过浏览器的调试功能,可以看到,这个原型就是Object的原型,如下图所示:

因为Object是JS里面的根类,所有其它的类都继承于它,这个根类提供了toString、valueOf等6个方法。

因此,找到了Object原型的toString方法,查找完成并执行:

console.log(name.toString()); //输出{ content: 'hanMeimei' }

到这里可以看到,JS里的继承就是让function(如MyString)的原型的__proto__指向另一个function(如Object)的原型。基于此,写一个自定义的类UnicodeString继承于MyString

<span style="font-size: 15px;"><span style="color: #0000ff;">var</span> UString = <span style="color: #0000ff;">function</span>(){ };</span>

实现继承:

UString.prototype = MyString.prototype; //错误实现

注意上面的继承方法是错误的,这样只是简单的将UString的原型指向了MyString的原型,即UString和MyString使用了相同的原型,子类UString增删改原型的方法,MyString也会相应地变化,另外一个继承MyString如AsciiString的类也会相应地变化。依照上文分析,应该是让UString的原型里的的__proto__属性指向MyString的原型,而不是让UString的原型指向MyString。也就是说,得让UString有自己的独立的原型,在它的原型上添加一个指针指向父类的原型:

UString.prototype.__proto__ = MyString.prototype;  //不是正确的实现

因为__proto__不是一个标准的语法,在有些浏览器上是不可见的,如果在Firefox上运行上面这段代码,Firefox会给出警告:

mutating the [[Prototype]] of an object will cause your code to run very slowly; instead create the object with the correct initial [[Prototype]] value using Object.create

合理的做法应该是让prototype等于一个object,这个object的__proto__指向父类的原型,因此这个object须要是一个function的实例,而这个function的prototype指向父类的原型,所以得出以下实现:

Object.create = function(o){
    var F = function(){};
    F.prototype = o;
    return new F();
};
 
UString.prototype = Object.create(MyString.prototype);

代码第2行,定义一个临时的function,第3行让这个function的原型指向父类的原型,第4行返回一个实例,这个实例的__proto__就指向了父类的prototype,第7行再把这个实例赋值给子类的prototype。继承的实现到这里基本上就完成了。

但是还有一个小问题。正常的prototype里面会有一个constructor指向构造函数function本身,例如上面的MyString:

 这个constructor的作用就在于,可在原型里面调用构造函数,例如给MyString类增加一个copy拷贝函数:

MyString.prototype.copy = function(){
//  return MyString(this.content);              //这样实现有问题,下面再作分析
    return new this.constructor(this.content);  //正确实现
};
 
var anotherName = name.copy();
console.log(anotherName.toString());            //输出hanMeimei
console.log(anotherName instanceof MyString);   //输出true

问题就于:Object.create的那段代码里第7行,完全覆盖掉了UString的prototype,取代的是一个新的object,这个object的__proto__指向父类即MyString的原型,因此UString.prototype.constructor在查找的时候,UString.prototype没有constructor这个属性,于是向它指向的__proto__查找,找到了MyString的constructor,因此UString的constructor实际上是MyString的constuctor,如下所示,ustr2实际上是MyString的实例,而不是期望的UString。而不用constructor,直接使用名字进行调用(上面代码第2行)也会有这个问题。

var ustr = new UString();
var ustr2 = ustr.copy();
console.log(ustr  instanceof UString); //输出true
console.log(ustr2 instanceof UString); //输出false
console.log(ustr2 instanceof Mystring); //输出true

所以实现继承后需要加多一步操作,将子类UString原型里的constructor指回它自己:

UString.prototype.constructor = UString;

在执行copy函数里的this.constructor()时,实际上就是UString()。这时候再做instanseof判断就正常了:

console.log(ustr2 instanceof Ustring); //输出true

可以把相关操作封装成一个函数,方便复用。

基本的继承核心的地方到这里就结束了,接下来还有几个问题需要考虑。

第一个是子类构造函数里如何调用父类的构造函数,直接把父类的构造函数当作一个普通的函数用,同时传一个子类的this指针:

var UString = function(str){
// MyString(str);   //不正确的实现
    MyString.call(this, str);
};
 
var ustr = new UString("hanMeimei");
console.log(ustr + "");  //输出hanMeimei

注意第3行传了一个this指针,在调用MyString的时候,这个this就指向了新产生的UString对象,如果直接使用第2行,那么执行的上下文是window,this将会指向window,this.content = str等价于window.content = str。

第二个问题是私有属性的实现,在最开始的构造函数里定义的变量,其实例是公有的,可以直接访问,如下:

var MyString = function(str){
    this.content = str;
};
 
var str = new MyString("hello");
console.log(str.content);        //直接访问,输出hello

但是典型的面向对象编程里,属性应该是私有的,操作属性应该通过类提供的方法/接口进行访问,这样才能达到封装的目的。在JS里面要实现私有,得借助function的作用域:

var MyString = function(str){
    this.sayHi = function(){
        return "hi " + str;
    }
};
 
var str = new MyString("hanMeimei");
console.log(str.sayHi());            //输出hi, hanMeimei

但是这样的一个问题是,必须将函数的定义放在构造函数里,而不是之前讨论的原型,导致每生成一个实例,就会给这个实例添加一个一模一样的函数,造成内存空间的浪费。所以这样的实现是内存为代价的。如果产生很多实例,内存空间会大幅增加,这个问题是不可忽略的,因此在JS里面实现属性私有不太现实,即使在ES6的class语法也没有实现。但是可以给类添加静态的私有成员变量,这个私有的变量为类的所有实例所共享,如下面的案例:

var Worker;
(function(){
    var id = 1000;
    Worker = function(){
        id++;
    };
    Worker.prototype.getId = function(){
        return id;
    };
})();
 
var worker1 = new Worker();
console.log(worker1.getId());   //输出1001
var worker2 = new Worker();
console.log(worker2.getId());   //输出1002

上面的例子使用了类的静态变量,给每个worker产生唯一的id。同时这个id是不允许worker实例直接修改的。

第三个问题是虚函数,在JS里面讨论虚函数是没有太大的意义的。虚函数的一个很大的作用是实现运行时的动态,这个运行时的动态是根据子类的类型决定的,但是JS是一种弱类型的语言,子类的类型都是var,只要子类有相应的方法,就可以传参“多态”运行了。比强类型的语言如C++/Java作了很大的简化。

最后再简单说下ES6新引入的class关键字

/需要在strict模式运行
'use strict';
class MyString{
    constructor(str){
        this.content = str;
    }
    toString(){
        return this.content;
    }
    //添加了static静态函数关键字
    static concat(str1, str2){
        return str1 + str2;
    }
}
 
//extends继承关键字
class UString extends MyString{
    constructor(str){
    //使用super调用父类的方法
        super(str);
    }
}
 
var str1 = new MyString("hello"),
    str2 = new MyString(" world");
console.log(str1);                       //输出MyString {content: "hello"}
console.log(str1.content);               //输出hello
console.log(str1.toString());            //输出hello
console.log(MyString.concat(str1, str2));//输出hello world
 
var ustr = new UString("ustring");
console.log(ustr);                       //输出MyString {content: "ustring"}
console.log(ustr.toString());            //输出ustring

从输出的结果来看,新的class还是没有实现属性私有的功能,见第27行。并且从第26行看出,所谓的class其实就是编译器帮我们实现了上面复杂的过程,其本质是一样的,但是让代码变得更加简化明了。一个不同点是,多了static关键字,直接用类名调用类的函数。ES6的支持度还不高,最新的chrome和safari已经支持class,firefox的支持性还不太好。

最后,虽然一般的网页的JS很多都是小工程,看似不需要封装、继承这些技术,但是如果如果能够用面向对象的思想编写代码,不管工程大小,只要应用得当,甚至结合一些设计模式的思想,会让代码的可维护性和扩展性更高。所以平时可以尝试着这样写

参考:

1. Professional Javascript for web developers(JavaScript高级程序设计) 第6章 Object – Oriented Programming

2. The Node Craftsman Book第一部分 Object-oriented JavaScript

3. Why is it necessary to set the prototype constructor Stackoverflow

原文地址:深入浅出JS的封装与继承

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