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JavaScript之浅析原型链与继承

一、前言

继承是面向对象(OOP)语言中的一个最为人津津乐道的概念。许多面对对象(OOP)语言都支持两种继承方式::接口继承 和 实现继承 。

接口继承只继承方法签名,而实现继承则继承实际的方法。由于js中方法没有签名,在ECMAScript中无法实现接口继承。ECMAScript只支持实现继承,而且其 实现继承 主要是依靠原型链来实现的。


二、概念

2.1简单回顾下构造函数,原型和实例的关系:

每个构造函数(constructor)都有一个原型对象(prototype),原型对象都包含一个指向构造函数的指针,而实例(instance)都包含一个指向原型对象的内部指针。

关系如下图所示:


2.2什么是原型链

每一个对象拥有一个原型对象,通过__proto__指针指向上一个原型,并从中继承方法和属性,同时原型对象也可能拥有原型,这样一层层的,最终指向null。这种关系成为原型链(prototype chain)。

假如有这样一个要求:instance实例通过原型链找到了Father原型中的getFatherValue方法.

function Father(){
    this.property = true;
}
Father.prototype.getFatherValue = function(){
    return this.property;
}
function Son(){
    this.sonProperty = false;
}
//继承 Father
Son.prototype = new Father();//Son.prototype被重写,导致Son.prototype.constructor也一同被重写
Son.prototype.getSonVaule = function(){
    return this.sonProperty;
}
var instance = new Son();
console.log(instance.getFatherValue());//true

注意: 此时instance.constructor指向的是Father,这是因为Son.prototype中的constructor被重写的缘故.


2.3确定原型和实例之间的关系

使用原型链后, 我们怎么去判断原型和实例的这种继承关系呢? 方法一般有两种.

1、第一种是使用 instanceof 操作符。只要用这个操作符来测试实例(instance)与原型链中出现过的构造函数,结果就会返回true. 以下几行代码就说明了这点。

console.log(instance instanceof Object);//true
console.log(instance instanceof Father);//true
console.log(instance instanceof Son);//true

由于原型链的关系, 我们可以说instance 是 Object, Father 或 Son中任何一个类型的实例. 因此, 这三个构造函数的结果都返回了true.

2、第二种是使用 isPrototypeOf() 方法,。同样只要是原型链中出现过的原型,isPrototypeOf() 方法就会返回true

console.log(Object.prototype.isPrototypeOf(instance));//true
console.log(Father.prototype.isPrototypeOf(instance));//true
console.log(Son.prototype.isPrototypeOf(instance));//true


2.4原型链的问题

原型链并非十分完美, 它包含如下两个问题:

问题一: 当原型链中包含引用类型值的原型时,该引用类型值会被所有实例共享;

问题二: 在创建子类型(例如创建Son的实例)时,不能向超类型(例如Father)的构造函数中传递参数.

有鉴于此, 实践中很少会单独使用原型链。为此,下面将有一些尝试以弥补原型链的不足。


三、借用构造函数(经典继承)

为解决原型链中上述两个问题, 我们开始使用一种叫做借用构造函数(constructor stealing)的技术(也叫经典继承).

基本思想:即在子类型构造函数的内部调用超类型构造函数。

function Father(){
    this.colors = ["red","blue","green"];
}
function Son(){
    Father.call(this);//继承了Father,且向父类型传递参数
}
var instance1 = new Son();
instance1.colors.push("black");
console.log(instance1.colors);//"red,blue,green,black"

var instance2 = new Son();
console.log(instance2.colors);//"red,blue,green" 可见引用类型值是独立的

很明显,借用构造函数一举解决了原型链的两大问题:

其一, 保证了原型链中引用类型值的独立,不再被所有实例共享;

其二, 子类型创建时也能够向父类型传递参数.

随之而来的是, 如果仅仅借用构造函数,那么将无法避免构造函数模式存在的问题–方法都在构造函数中定义, 因此函数复用也就不可用了.而且超类型(如Father)中定义的方法,对子类型而言也是不可见的. 考虑此,借用构造函数的技术也很少单独使用。


四、组合继承

组合继承, 有时候也叫做伪经典继承,指的是将原型链和借用构造函数的技术组合到一块,从而发挥两者之长的一种继承模式.

基本思路: 使用原型链实现对原型属性和方法的继承,通过借用构造函数来实现对实例属性的继承.

这样,既通过在原型上定义方法实现了函数复用,又能保证每个实例都有它自己的属性. 如下所示.

function Father(name){
    this.name = name;
    this.colors = ["red","blue","green"];
}
Father.prototype.sayName = function(){
    alert(this.name);
};
function Son(name,age){
    Father.call(this,name);//继承实例属性,第一次调用Father()
    this.age = age;
}
Son.prototype = new Father();//继承父类方法,第二次调用Father()
Son.prototype.sayAge = function(){
    alert(this.age);
}
var instance1 = new Son("louis",5);
instance1.colors.push("black");
console.log(instance1.colors);//"red,blue,green,black"
instance1.sayName();//louis
instance1.sayAge();//5

var instance1 = new Son("zhai",10);
console.log(instance1.colors);//"red,blue,green"
instance1.sayName();//zhai
instance1.sayAge();//10

组合继承避免了原型链和借用构造函数的缺陷,融合了它们的优点,成为 JavaScript 中最常用的继承模式. 而且, instanceof 和 isPrototypeOf( )也能用于识别基于组合继承创建的对象.

同时我们还注意到组合继承其实调用了两次父类构造函数, 造成了不必要的消耗, 那么怎样才能避免这种不必要的消耗呢, 这个我们将在后面讲到。


五、原型继承

该方法最初由道格拉斯·克罗克福德于2006年在一篇题为 《Prototypal Inheritance in JavaScript》(JavaScript中的原型式继承) 的文章中提出. 他的想法是借助原型可以基于已有的对象创建新对象, 同时还不必因此创建自定义类型. 大意如下:

在object()函数内部, 先创建一个临时性的构造函数, 然后将传入的对象作为这个构造函数的原型,最后返回了这个临时类型的一个新实例。

function object(o){
    function F(){}
    F.prototype = o;
    return new F();
}

从本质上讲, object() 对传入其中的对象执行了一次浅复制. 下面我们来看看为什么是浅复制.

在 ECMAScript5 中,通过新增 object.create() 方法规范化了上面的原型式继承.

object.create() 接收两个参数:1、一个用作新对象原型的对象;2、(可选的)一个为新对象定义额外属性的对象

var person = {
    friends : ["Van","Louis","Nick"]
};
var anotherPerson = Object.create(person);
anotherPerson.friends.push("Rob");

var yetAnotherPerson = Object.create(person);
yetAnotherPerson.friends.push("Style");

alert(person.friends);//"Van,Louis,Nick,Rob,Style"

object.create() 只有一个参数时功能与上述object方法相同, 它的第二个参数与Object.defineProperties()方法的第二个参数格式相同: 每个属性都是通过自己的描述符定义的.以这种方式指定的任何属性都会覆盖原型对象上的同名属性.例如:

var person = {
    name : "Van"
};
var anotherPerson = Object.create(person, {
    name : {
        value : "Louis"
    }
});
alert(anotherPerson.name);//"Louis"

目前支持 Object.create() 的浏览器有 IE9+, Firefox 4+, Safari 5+, Opera 12+ 和 Chrome.

提醒: 原型式继承中, 包含引用类型值的属性始终都会共享相应的值, 就像使用原型模式一样.


六、寄生式继承

寄生式继承是与原型式继承紧密相关的一种思路, 同样是克罗克福德推而广之.

寄生式继承的思路与(寄生)构造函数和工厂模式类似, 即创建一个仅用于封装继承过程的函数,该函数在内部以某种方式来增强对象,最后再像真的是它做了所有工作一样返回对象. 如下.

function createAnother(original){
    var clone = object(original);//通过调用object函数创建一个新对象
    clone.sayHi = function(){//以某种方式来增强这个对象
        alert("hi");
    };
    return clone;//返回这个对象
}

这个例子中的代码基于person返回了一个新对象–anotherPerson. 新对象不仅具有 person 的所有属性和方法, 而且还被增强了, 拥有了sayH()方法.

注意: 使用寄生式继承来为对象添加函数, 会由于不能做到函数复用而降低效率;这一点与构造函数模式类似.


七、寄生组合式继承

前面讲过,组合继承是 JavaScript 最常用的继承模式; 不过, 它也有自己的不足. 组合继承最大的问题就是无论什么情况下,都会调用两次父类构造函数: 一次是在创建子类型原型的时候, 另一次是在子类型构造函数内部.

寄生组合式继承就是为了降低调用父类构造函数的开销而出现的

其背后的基本思路是: 不必为了指定子类型的原型而调用超类型的构造函数

function extend(subClass,superClass){
	var prototype = object(superClass.prototype);//创建对象
	prototype.constructor = subClass;//增强对象
	subClass.prototype = prototype;//指定对象
}

extend的高效率体现在它没有调用superClass构造函数,因此避免了在subClass.prototype上面创建不必要,多余的属性. 于此同时,原型链还能保持不变; 因此还能正常使用 instanceof 和 isPrototypeOf() 方法。


综上所述有:原型链继承,构造函数继承(经典继承),组合继承,寄生继承,寄生组合继承五种方法,寄生组合式继承,集寄生式继承和组合继承的优点于一身,是实现基于类型继承的最有效方法。


下面我们来看下extend的另一种更为有效的扩展.

function extend(subClass, superClass) {
  var F = function() {};
  F.prototype = superClass.prototype;
  subClass.prototype = new F(); 
  subClass.prototype.constructor = subClass;

  subClass.superclass = superClass.prototype;
  if(superClass.prototype.constructor == Object.prototype.constructor) {
    superClass.prototype.constructor = superClass;
  }
}

我一直不太明白的是为什么要 "new F()", 既然extend的目的是将子类型的 prototype 指向超类型的 prototype,为什么不直接做如下操作呢?

subClass.prototype = superClass.prototype;//直接指向超类型prototype

显然, 基于如上操作, 子类型原型将与超类型原型共用, 根本就没有继承关系.


八、new操作符

为了追本溯源, 我顺便研究了new运算符具体干了什么?发现其实很简单,就干了三件事情.

var obj  = {};
obj.__proto__ = F.prototype;
F.call(obj);

第一行,我们创建了一个空对象obj;

第二行,我们将这个空对象的__proto__成员指向了F构造函数的prototype对象;

第三行,我们将F函数对象的this指针替换成obj,然后再调用F函数.


 new 操作符调用构造函数的时候,函数内部实际上发生以下变化:

1、创建一个空对象,并且 this 变量引用该对象,同时还继承了该函数的原型。

2、属性和方法被加入到 this 引用的对象中。

3、新创建的对象由 this 所引用,并且最后隐式的返回 this.


九、属性查找

 使用了原型链后, 当查找一个对象的属性时,JavaScript 会向上遍历原型链,直到找到给定名称的属性为止,到查找到达原型链的顶部 - 也就是 Object.prototype - 但是仍然没有找到指定的属性,就会返回 undefined。

此时若想避免原型链查找, 建议使用hasOwnProperty方法. 因为hasOwnProperty是 JavaScript 中唯一一个处理属性但是不查找原型链的函数。

console.log(instance1.hasOwnProperty('age'));//true

对比: isPrototypeOf 则是用来判断该方法实例对象是不是参数的原型对象,是则返回true,否则返回false。如

console.log(Father.prototype.isPrototypeOf(instance1));//true


十、instanceof && typeof

instanceof 运算符是用来在运行时指出对象是否是构造器的一个实例。

instanceof 可以正确的判断对象的类型,因为内部机制是通过判断对象的原型链中是不是能找到类型的 prototype

例如漏写了new运算符去调用某个构造器, 此时构造器内部可以通过 instanceof 来判断.(java中功能类似)

function f(){
  if(this instanceof arguments.callee)
    console.log('此处作为构造函数被调用');
  else
    console.log('此处作为普通函数被调用');
}
f();//此处作为普通函数被调用
new f();//此处作为构造函数被调用


对比: typeof 则用以获取一个变量或者表达式的类型, 一般只能返回如下几个结果:

1、typeof 对于基本类型,除了 null 都可以显示正确的类型

2、typeof 对于对象,除了函数都会显示 object

3、对于 null 来说,虽然它是基本类型,但是会显示 object

总的来说:number,boolean,string,function(函数),object(NULL,数组,对象),undefined。


十一、参考

1、《JavaScript高级程序设计》

2、深入理解JavaScript系列(5):强大的原型和原型链 - 汤姆大叔 - 博客园


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