面向对象程序设计－继承与多态

Posted 2020-07-20 志波同学

前面我们讨论了如何在 javascript 语言中实现对私有实例成员、公有实例成员、私有静态成员、公有静态成员和静态类的封装。这次我们来讨论一下面向对象程序设计中的另外两个要素：继承与多态。
1 又是几个基本概念
为什么要说又呢？
在讨论继承时，我们已经列出了一些基本概念了，那些概念是跟封装密切相关的概念，今天我们要讨论的基本概念，主要是跟继承与多态相关的，但是它们跟封装也有一些联系。
1.1 定义和赋值
变量定义是指用
var a;
这种形式来声明变量。
函数定义是指用
function a(…) {…}
这种形式来声明函数。
var a = 1;
是两个过程。第一个过程是定义变量 a，第二个过程是给变量 a 赋值。
同样
var a = function(…) {};
也是两个过程，第一个过程是定义变量 a 和一个匿名函数，第二个过程是把匿名函数赋值给变量 a。
变量定义和函数定义是在整个脚本执行之前完成的，而变量赋值是在执行阶段完成的。
变量定义的作用仅仅是给所声明的变量指明它的作用域，变量定义并不给变量初始值，任何没有定义的而直接使用的变量，或者定义但没有赋值的变量，他们的值都是 undefined。
函数定义除了声明函数所在的作用域外，同时还定义函数体结构。这个过程是递归的，也就是说，对函数体的定义包括了对函数体内的变量定义和函数定义。
通过下面这个例子我们可以更明确的理解这一点：

alert(a);
alert(b);
alert(c);
var a = "a";
function a() {}
function b() {}
var b = "b";
var c = "c";
var c = function() {}
alert(a);
alert(b);

alert(c);猜猜这个程序执行的结果是什么？然后执行一下看看是不是跟你想的一样，如果跟你想的一样的话，那说明你已经理解上面所说的了。
这段程序的结果很有意思，虽然第一个 alert(a) 在最前面，但是你会发现它输出的值竟然是 function a() {}，这说明，函数定义确实在整个程序执行之前就已经完成了。
再来看 b，函数 b 定义在变量 b 之前，但是第一个 alert(b) 输出的仍然是 function b() {}，这说明，变量定义确实不对变量做什么，仅仅是声明它的作用域而已，它不会覆盖函数定义。
最后看 c，第一个 alert(c) 输出的是 undefined，这说明 var c = function() {} 不是对函数 c 定义，仅仅是定义一个变量 c 和一个匿名函数。
再来看第二个 alert(a)，你会发现输出的竟然是 a，这说明赋值语句确实是在执行过程中完成的，因此，它覆盖了函数 a 的定义。
第二个 alert(b) 当然也一样，输出的是 b，这说明不管赋值语句写在函数定义之前还是函数定义之后，对一个跟函数同名的变量赋值总会覆盖函数定义。
第二个 alert(c) 输出的是 function() {}，这说明，赋值语句是顺序执行的，后面的赋值覆盖了前面的赋值，不管赋的值是函数还是其它对象。
理解了上面所说的内容，我想你应该知道什么时候该用 function x(..) {…}，什么时候该用 var x = function (…) {…} 了吧？
最后还要提醒一点，eval 中的如果出现变量定义和函数定义，则它们是在执行阶段完成的。所以，不到万不得已，不要用 eval！另外，即使要用 eval，也不要在里面用局部变量和局部方法！
1.2 this 和执行上下文
在前面讨论封装时，我们已经接触过 this 了。在对封装的讨论中，我们看到的 this 都是表示 this 所在的类的实例化对象本身。真的是这样吗？
先看一下下面的例子吧：

var x = "I‘m a global variable!";
function method() {
    alert(x);
    alert(this.x);
}
function class1() {
    // private field
    var x = "I‘m a private variable!";
    // private method
    function method1() {
        alert(x);
        alert(this.x);
    }
    var method2 = method;
    // public field
    this.x = "I‘m a object variable!";
    // public method
    this.method1 = function() {
        alert(x);
        alert(this.x);
    }
    this.method2 = method;
    // constructor
    {
        this.method1();     // I‘m a private variable!
                            // I‘m a object variable!
        this.method2();     // I‘m a global variable!
                            // I‘m a object variable!
        method1();          // I‘m a private variable!
                            // I‘m a global variable!
        method2();          // I‘m a global variable!
                            // I‘m a global variable!
        method1.call(this); // I‘m a private variable!
                            // I‘m a object variable!
        method2.call(this); // I‘m a global variable!
                            // I‘m a object variable!
    }
}
var o = new class1();
method();       // I‘m a global variable!
                // I‘m a global variable!
o.method1();    // I‘m a private variable!
                // I‘m a object variable!
o.method2();    // I‘m a global variable!
                // I‘m a object variable!为什么是这样的结果呢？

那就先来看看什么是执行上下文吧。那什么是执行上下文呢？
如果当前正在执行的是一个方法，则执行上下文就是该方法所附属的对象，如果当前正在执行的是一个创建对象（就是通过 new 来创建）的过程，则创建的对象就是执行上下文。
如果一个方法在执行时没有明确的附属于一个对象，则它的执行上下文是全局对象（顶级对象），但它不一定附属于全局对象。全局对象由当前环境来决定。在浏览器环境下，全局对象就是 window 对象。
定义在所有函数之外的全局变量和全局函数附属于全局对象，定义在函数内的局部变量和局部函数不附属于任何对象。
那执行上下文跟变量作用域有没有关系呢？
执行上下文与变量作用域是不同的。
一个函数赋值给另一个变量时，这个函数的内部所使用的变量的作用域不会改变，但它的执行上下文会变为这个变量所附属的对象（如果这个变量有附属对象的话）。
Function 原型上的 call 和 apply 方法可以改变执行上下文，但是同样不会改变变量作用域。
要理解上面这些话，其实只需要记住一点：
变量作用域是在定义时就确定的，它永远不会变；而执行上下文是在执行时才确定的，它随时可以变。
这样我们就不难理解上面那个例子了。this.method1() 这条语句（注意，这里说的还没有进入这个函数体）执行时，正在创建对象，那当前的执行上下文就是这个正在创建的对象，所以 this 指向的也是当前正在创建的对象，在 this.method1() 这个方法执行时（这里是指进入函数体），这个正在执行的方法所附属的对象也是这个正在创建的对象，所以，它里面 this.x 的 this 也是同一个对象，所以你看的输出就是 I’m a object variable! 了。
而在执行 method1() 这个函数时（是指进入函数体后），method1() 没有明确的附属于一个对象，虽然它是定义在 class1 中的，但是他并没有不是附属于 class1 的，也不是附属于 class1 实例化后的对象的，只是它的作用域被限制在了 class1 当中。因此，它的附属对象实际上是全局对象，因此，当在它当中执行到 alert(this.x) 时，this.x 就成了我们在全局环境下定义的那个值为 “I’m a global variable!” 的 x 了。
method2() 虽然是在 class1 中定义的，但是 method() 是在 class1 之外定义的，method 被赋值给 method2 时，并没有改变 method 的作用域，所以，在 method2 执行时，仍然是在 method 被定义的作用域内执行的，因此，你看到的就是两个 I’m a global variable! 输出了。同样，this.method2() 调用时，alert(x) 输出 I’m a global variable! 也是这个原因。
因为 call 会改变执行上下文，所以通过 method1.call(this) 和 method2.call(this) 时，this.x 都变成了 I’m a object variable!。但是它不能改变作用域，所以 x 仍然跟不使用 call 方法调用时的结果是一样的。
而我们后面执行 o.method1() 时，alert(x) 没有用 this 指出 x 的执行上下文，则 x 表示当前执行的函数所在的作用域中最近定义的变量，因此，这时输出的就是 I’m a private variable!。最后输出 I’m a object variable! 我想不用我说大家也知道为什么了吧？:D
2 继承和多态
2.1 从封装开始
前面我们说了，封装的目的是实现数据隐藏。
但是更深一层来说，在 javascript 中进行封装还有以下几个好处：
1、隐身实现细节，当私有部分的实现完全重写时，并不需要改变调用者的行为。这也是其它面向对象语言要实现封装的主要目的。
2、javascript 中，局部变量和局部函数访问速度更快，因此把私有字段以局部变量来封装，把私有方法以局部方法来封装可以提高脚本的执行效率。
3、对于 javascript 压缩混淆器（据我所知，目前最好的 javascript 分析、压缩、混淆器就是 JSA）来说，局部变量和局部函数名都是可以被替换的，而全局变量和全局函数名是不可以被替换的（实际上，对于 javascript 脚本解析器工作时也是这样的）。因此，不论对于开源还是非开源的 javascript 程序，当私有字段和私有方法使用封装技术后，编写代码时就可以给它们定义足够长的表意名称，增加代码的可读性，而发布时，它们可以被替换为一些很短的名称（一般是单字符名称），这样就可以得到充分的压缩和混淆。及减少了带宽占用，又可以真正实现细节的隐藏。
所以，封装对于 javascript 来说，是非常有用的！
那么在 javascript 实现继承是为了什么呢？
2.2 为什么要继承
在其它面向对象程序设计语言中，继承除了可以减少重复代码的编写外，最大的用处就是为了实现多态。尤其是在强类型语言中，尤为如此：
1、在强类型语言中，一个变量不能够被赋予不同类型的两个值，除非这两种类型与这个变量的类型是相容的，而这个相容的关系就是由继承来实现的。
2、在强类型语言中，对一个已有的类型无法直接进行方法的扩充和改写，要扩充一个类型，唯一的方法就是继承它，在它的子类中进行扩充和改写。
因此，对于强类型的面向对象语言，多态的实现是依赖于继承的实现的。
而对于 javascript 语言来说，继承对于实现多态则显得不那么重要：
1、在 javascript 语言中，一个变量可以被赋予任何类型的值，且可以用同样的方式调用任何类型的对象上的同名方法。
2、在 javascript 语言中，可以对已有的类型通过原型直接进行方法的扩充和改写。
所以，在 javascript 中，继承的主要作用就是为了减少重复代码的编写。
接下来我们要谈的两种实现继承的方法可能大家已经都很熟悉了，一种是原型继承法，一种是调用继承法，这两种方法都不会产生副作用。我们主要讨论的是这两种方法的本质和需要注意的地方。
2.3 原型继承法
在 javascript 中，每一个类（函数）都有一个原型，该原型上的成员在该类实例化时，会传给该类的实例化对象。实例化的对象上没有原型，但是它可以作为另一个类（函数）的原型，当以该对象为原型的类实例化时，该对象上的成员就会传给以它为原型的类的实例化对象上。这就是原型继承的本质。
原型继承也是 javascript 中许多原生对象所使用的继承方法。

function parentClass() {
    // private field
    var x = "I‘m a parentClass field!";
    // private method
    function method1() {
        alert(x);
        alert("I‘m a parentClass method!");
    }
    // public field
    this.x = "I‘m a parentClass object field!";
    // public method
    this.method1 = function() {
        alert(x);
        alert(this.x);
        method1();
    }
}
parentClass.prototype.method = function () {
    alert("I‘m a parentClass prototype method!");
}
parentClass.staticMethod = function () {
    alert("I‘m a parentClass static method!");
}
function subClass() {
    // private field
    var x = "I‘m a subClass field!";
    // private method
    function method2() {
        alert(x);
        alert("I‘m a subClass method!");
    }
    // public field
    this.x = "I‘m a subClass object field!";
    // public method
    this.method2 = function() {
        alert(x);
        alert(this.x);
        method2();
    }
    this.method3 = function() {
        method1();
    }
}
// inherit
subClass.prototype = new parentClass();
subClass.prototype.constructor = subClass;
// test
var o = new subClass();
alert(o instanceof parentClass);    // true
alert(o instanceof subClass);       // true
alert(o.constructor);  // function subClass() {...}
o.method1();    // I‘m a parentClass field!
                // I‘m a subClass object field!
                // I‘m a parentClass field!
                // I‘m a parentClass method!
o.method2();    // I‘m a subClass field!
                // I‘m a subClass object field!
                // I‘m a subClass field!
                // I‘m a subClass method!
o.method();     // I‘m a parentClass prototype method!
o.method3();               // Error!!!
subClass.staticMethod();   // Error!!!上面这个例子很好的反映出了如何利用原型继承法来实现继承。

利用原型继承的关键有两步操作：
首先创建一个父类的实例化对象，然后将该对象赋给子类的 prototype 属性。
这样，父类中的所有公有实例成员都会被子类继承。并且用 instanceof 运算符判断时，子类的实例化对象既属于子类，也属于父类。
然后将子类本身赋值给它的 prototype 的 constructor 属性。（注意：这里赋值的时候是没有 () 的！）
这一步是为了保证在查看子类的实例化对象的 constructor 属性时，看到的是子类的定义，而不是其父类的定义。
接下来，通过对 o.method1() 调用的结果我们会看到，子类继承来的公有实例方法中，如果调用了私有实例字段或者私有实例方法，则所调用的这些私有实例成员是属于父类的。
同样，通过对 o.method2() 调用的结果我们看到，子类中定义的实例方法，如果调用了私有实例字段或者私有实例方法，则所调用的这些私有实例成员是属于子类的。
通过对 o.method() 调用的结果我们看到，定义在父类原型上的方法，会被子类继承。
通过对 o.method3() 调用的结果我们看到，子类中定义的实例方法是不能访问父类中定义的私有实例成员的。
最后，通过对 subClass.staticMethod() 调用的结果我们看到，静态成员是不会被继承的。
2.4 调用继承法
调用继承的本质是，在子类的构造器中，让父类的构造器方法在子类的执行上下文上执行，父类构造器方法上所有通过 this 方式操作的内容实际上都都是操作的子类的实例化对象上的内容。因此，这种做法仅仅为了减少重复代码的编写。

function parentClass() {
    // private field
    var x = "I‘m a parentClass field!";
    // private method
    function method1() {
        alert(x);
        alert("I‘m a parentClass method!");
    }
    // public field
    this.x = "I‘m a parentClass object field!";
    // public method
    this.method1 = function() {
        alert(x);
        alert(this.x);
        method1();
    }
}
parentClass.prototype.method = function () {
    alert("I‘m a parentClass prototype method!");
}
parentClass.staticMethod = function () {
    alert("I‘m a parentClass static method!");
}
function subClass() {
    // inherit
    parentClass.call(this);
    // private field
    var x = "I‘m a subClass field!";
    // private method
    function method2() {
        alert(x);
        alert("I‘m a subClass method!");
    }
    // public field
    this.x = "I‘m a subClass object field!";
    // public method
    this.method2 = function() {
        alert(x);
        alert(this.x);
        method2();
    }
    this.method3 = function() {
        method1();
    }
}
// test
var o = new subClass();
alert(o instanceof parentClass);    // false
alert(o instanceof subClass);       // true
alert(o.constructor);  // function subClass() {...}
o.method1();    // I‘m a parentClass field!
                // I‘m a subClass object field!
                // I‘m a parentClass field!
                // I‘m a parentClass method!
o.method2();    // I‘m a subClass field!
                // I‘m a subClass object field!
                // I‘m a subClass field!
                // I‘m a subClass method!
o.method();                // Error!!!
o.method3();               // Error!!!
subClass.staticMethod();   // Error!!!上面这个例子很好的反映出了如何利用调用继承法来实现继承。

利用调用继承的关键只有一步操作：
就是在子类定义时，通过父类的 call 方法，将子类的 this 指针传入。使父类方法在子类上下文中执行。
这样，父类中的所有在父类内部通过 this 方式定义的公有实例成员都会被子类继承。
用 instanceof 运算符判断时，子类的实例化对象只属于子类，不属于父类。
查看子类的实例化对象的 constructor 属性时，看到的是子类的定义，不是其父类的定义。
接下来，通过对 o.method1() 和 o.method2() 调用的结果跟原型继承法的调用结果是相同的，所说明的问题也是一样的，这里不再重复。
通过对 o.method() 调用的结果我们看到，定义在父类原型上的方法，不会被子类继承。
通过对 o.method3() 调用的结果我们看到，子类中定义的实例方法同样不能访问父类中定义的私有实例成员的。
最后，通过对 subClass.staticMethod() 调用的结果我们看到，静态成员同样不会被继承的。
最后，还有一点，在这个例子中没有体现出来，就是通过调用继承法，可以实现多继承。也就是说，一个子类可以从多个父类中继承通过 this 方式定义在父类内部的所有公有实例成员。
作为一种弱类型语言，javascript 提供了丰富的多态性，javascript 的多态性是其它强类型面向对象语言所不能比的。
多态
重载和覆盖
先来说明一下重载和覆盖的区别。重载的英文是 overload，覆盖的英文是 override。发现网上大多数人把 override 当成了重载，这个是不对的。重载和覆盖是有区别的。
重载的意思是，同一个名字的函数（注意这里包括函数）或方法可以有多个实现，他们依靠参数的类型和（或）参数的个数来区分识别。
而覆盖的意思是，子类中可以定义与父类中同名，并且参数类型和个数也相同的方法，这些方法的定义后，在子类的实例化对象中，父类中继承的这些同名方法将被隐藏。
重载
javascript 中函数的参数是没有类型的，并且参数个数也是任意的，例如，尽管你可以定义一个：

function add(a, b) {
    return a + b;
}

这样的函数，但是你仍然可以再调用它是带入任意多个参数，当然，参数类型也是任意的。至于是否出错，那是这个函数中所执行的内容来决定的，javascript 并不根据你指定的参数个数和参数类型来判断你调用的是哪个函数。
因此，要定义重载方法，就不能像强类型语言中那样做了。但是你仍然可以实现重载。就是通过函数的 arguments 属性。例如：

function add() {
    var sum = 0;
    for (var i = 0; i < arguments.length; i++) {
        sum += arguments[i];
    }
    return sum;
}

这样你就实现了任意多个参数加法函数的重载了。
当然，你还可以在函数中通过 instanceof 或者 constructor 来判断每个参数的类型，来决定后面执行什么操作，实现更为复杂的函数或方法重载。总之，javascript 的重载，是在函数中由用户自己通过操作 arguments 这个属性来实现的。
覆盖
实现覆盖也很容易，例如：

function parentClass() {
    this.method = function() {
        alert("parentClass method");
    }
}
function subClass() {
    this.method = function() {
        alert("subClass method");
    }
}
subClass.prototype = new parentClass();
subClass.prototype.constructor = subClass;
var o = new subClass();
o.method();

这样，子类中定义的 method 就覆盖了从父类中继承来的 method 方法了。
你可能会说，这样子覆盖是不错，但 java 中，覆盖的方法里面可以调用被覆盖的方法（父类的方法），在这里怎么实现呢？也很容易，而且比 java 中还要灵活，java 中限制，你只能在覆盖被覆盖方法的方法中才能使用 super 来调用次被覆盖的方法。我们不但可以实现这点，而且还可以让子类中所有的方法中都可以调用父类中被覆盖的方法。看下面的例子：

function parentClass() {
    this.method = function() {
        alert("parentClass method");
    }
}
function subClass() {
    var method = this.method;
    this.method = function() {
        method.call(this);
        alert("subClass method");
    }
}
subClass.prototype = new parentClass();
subClass.prototype.constructor = subClass;
var o = new subClass();
o.method();

你会发现，原来这么简单，只要在定义覆盖方法前，定义一个私有变量，然后把父类中定义的将要被覆盖的方法赋给它，然后我们就可以在后面继续调用它了，而且这个是这个方法是私有的，对于子类的对象是不可见的。这样跟其它高级语言实现的覆盖就一致了。

最后需要注意，我们在覆盖方法中调用这个方法时，需要用 call 方法来改变执行上下文为 this（虽然在这个例子中没有必要），如果直接调用这个方法，执行上下文就会变成全局对象了。