深入浅出JS的封装与继承

Posted 2020-09-12 唐世光

  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

1 var MyString = function(str){
2     this.content = str;
3 };
4 
5 var name = new MyString("hanMeimei");
6 var addr = new MyString("China");
7 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

var UString = function(){ };

    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：

1 Object.create = function(o){
2     var F = function(){};
3     F.prototype = o;
4     return new F();
5 };
6 
7 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：

1 MyString.prototype.copy = function(){
2 //  return MyString(this.content);              //这样实现有问题，下面再作分析
3     return new this.constructor(this.content);  //正确实现
4 };
5 
6 var anotherName = name.copy();
7 console.log(anotherName.toString());            //输出hanMeimei
8 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：

1 var UString = function(str){
2 // MyString(str);   //不正确的实现
3     MyString.call(this, str);
4 };
5 
6 var ustr = new UString("hanMeimei");
7 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

 1 //需要在strict模式运行
 2 \'use strict\';
 3 class MyString{
 4     constructor(str){
 5         this.content = str;
 6     }
 7     toString(){
 8         return this.content;
 9     }
10     //添加了static静态函数关键字
11     static concat(str1, str2){
12         return str1 + str2;
13     }
14 }
15 
16 //extends继承关键字
17 class UString extends MyString{
18     constructor(str){
19     //使用super调用父类的方法
20         super(str);
21     }
22 }
23 
24 var str1 = new MyString("hello"),
25     str2 = new MyString(" world");
26 console.log(str1);                       //输出MyString {content: "hello"}
27 console.log(str1.content);               //输出hello
28 console.log(str1.toString());            //输出hello
29 console.log(MyString.concat(str1, str2));//输出hello world
30
31 var ustr = new UString("ustring");       
32 console.log(ustr);                       //输出MyString {content: "ustring"}
33 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。