JavaScript 是最底层的 Web 编程接口,随处可见。随着 Web 日益成为日常生活的一部分,JavaScript 也开始变得备受关注。JavaScript 是一个经常遭到误解的语言,被认为是一种玩具语言或者一种 “不成熟的 Java™ 语言”。JavaScript 最饱受非议的特性之一是它的原型对象系统。尽管不可否认 JavaScript 是存在一些缺陷,但原型对象系统并不在其内。在本文中,我们将了解功能强大、简洁、典雅的 JavaScript 原型的面向对象编程。

Delon Newman, 自由开发人员, Freelance

Delon Newman 的照片Delon Newman 自 1997 年开始出于爱好而学习编程。他最开始时使用 C 和 C++ 进行编程,后来转向 HTML、Perl 和 JavaScript。他于 1999 年开始从事 IT 行业,先后担任过帮助桌面支持技术人员、图形设计师、Web 设计师、系统管理员、程序员、分析师和软件工程师。在自己的公司中担任顾问时,他研究了各种语言和环境,包括 Ruby、Python、Java、C#、PHP、Smalltalk、Lisp、Haskell、Erlang、 Scala 和 Clojure。



2012 年 12 月 12 日

对象的世界

当您开始新的一天时(开车去上班,坐在办公桌前执行一个任务,吃一顿饭,逛逛公园),您通常可以掌控您的世界,或者与之交互,不必了解支配它的具体物理法则。您可以将每天面对的各种系统看作是一个单元,或者是一个对象。不必考虑它们的复杂性,只需关注您与它们之间的交互。

历史

Simula 是一种建模语言,通常被认为是第一个面向对象 (Object-oriented, OO) 的语言,随后出现的此类语言包括 Smalltalk、C++、Java 和 C#。那时,大多数面向对象的语言是通过 来定义的。后来,Self 编程语言(一个类似 Smalltalk 的系统)开发人员创建了一种可替代的轻量级方法来定义这类对象,并将这种方法称为基于原型的面向对象编程或者原型对象编程。

终于,使用一种基于原型的对象系统将 JavaScript 开发了出来,JavaScript 的流行将基于原型的对象带入了主流。尽管许多开发人员对此很反感,不过仔细研究基于原型的系统,就会发现它的很多优点。

面向对象的编程 (Object-oriented, OO) 试图创建工作原理相似的软件系统,面向对象编程是一个功能强大的、广泛流行的、用于软件开发的建模工具。 面向对象编程之所以流行,是因为它反映了我们观察世界的方法:将世界看作是一个对象集合,可与其他对象进行交互,并且可以采用各种方式对其进行操作。面向对象编程的强大之处在于其两个核心原则:

封装
允许开发人员隐藏数据结构的内部工作原理,呈现可靠的编程接口,使用这些编程接口来创建模块化的、适应性强的软件。我们可以将信息封装视为信息隐藏。
继承
增强封装功能,允许对象继承其他对象的封装行为。我们可以将信息继承视为是信息共享。

这些原则对于大多数开发人员来说是众所周知的,因为每个主流编程语言都支持面向对象编程(在很多情况下是强制执行的)。尽管所有面向对象语言都以这样或那样的形式支持这两个核心原则,但多年来至少形成了 2 种定义对象的不同方法。

在本文中,我们将了解原型对象编程和 JavaScript 对象模式的优势。


什么是 Prototypo?类和原型的关系

提供对象的抽象 定义,为整个类或对象集合定义了共享的数据结构和方法。每个对象都被定义为其类的一个实例。类还有根据其定义和(可选)用户参数来构造类对象的责任。

一个典型的示例是 Point 类及其子类 Point3D,用来分别定义二维点和三维点。清单 1 显示了 Java 代码中的类。

清单 1. Java Point
class Point {
    private int x;
    private int y;

    static Point(int x, int y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }

    int getX() {
        return this.x;
    }

    int getY() {
        return this.y;
    }

    void setX(int val) {
        this.x = val;
    }

    void setY(int val) {
        this.y = val;
    }
}

Point p1 = new Point(0, 0);
p1.getX() // => 0;
p1.getY() // => 0;

// The Point3D class 'extends' Point, inheriting its behavior
class Point3D extends Point {
    private int z;

    static Point3D(int x, int y, int z) {
        this.x = x;
        this.y = y;
        this.z = z;
    }

    int getZ() {
        return Z;
    }

    void setZ(int val) {
        this.z = val;
    }
}

Point3D p2 = Point3D(0, 0, 0);
p2.getX() // => 0
p2.getY() // => 0
p2.getZ() // => 0

和通过类来定义对象相比,原型对象系统支持一个更为直接的对象创建方法。例如,在 JavaScript 中,一个对象是一个简单的属性列表。每个对象包含另一个父类或原型 的一个特别引用,对象从父类或原型中继承行为。您可以使用 JavaScript 模拟 Point 示例,如清单 2 所示。

清单 2. JavaScript Point
var point = {
    x : 0,
    y : 0
};

point.x // => 0
point.y // => 0

// creates a new object with point as its prototype, inheriting point's behavior
point3D = Object.create(point);
point3D.z = 0;

point3D.x // => 0
point3D.y // => 0
point3D.z // => 0

传统对象系统和原型对象系统有本质的区别。传统对象被抽象地 定义为概念组的一部分,从对象的其他类或组中继承一些特性。相反,原型对象被具体地 定义为特定对象,从其他特定对象中继承行为。

因此,基于类的面向对象语言具有双重特性,至少需要 2 个基础结构:类和对象。由于这种双重性,随着基于类的软件的发展,复杂的类层次结构继承也将逐渐开发出来。通常无法预测出未来类需要使用的方法,因此,类层次结构需要不断重构,让更改变得更轻松。

基于原型的语言会减少上述双重性需求,促进对象的直接创建和操作。如果没有通过类来束缚对象,则会创建更为松散的类系统,这有助于维护模块性并减少重构需求。

直接定义对象的能力将会加强和简化对象的创建和操作。例如,在清单 2 中,仅用一行代码即可声明您的 point 对象: var point = { x: 0, y: 0 };。仅使用这一行代码,就可以获得一个完整的工作对象,从 JavaScript Object.prototype(比如 toString 方法)继承行为。要扩展对象行为,只需使用 point 将另一个对象声明为其原型。相反,即使最简洁的传统面向对象语言,也必须先定义一个类,然后在获得可操作对象之前将其实例化。要继承有关行为,可能需要定义另一个类来扩展第一个类。

原型模式理论上比较简单。作为人类,我们往往习惯于从原型方面思考问题。例如,Steve Yegge 在博客文章 “The Universal Design Pattern”(请参阅 参考资料)中讨论过,以橄榄球运动员 Emmitt Smith 为例,谁拥有速度、敏捷性和剪力,谁就将成为美国国家橄榄球联盟(National Football League,NFL)所有新成员的榜样。当一个新跑步运动员 LT 发挥超常捡到球时,评论员通常会这样说:

“LT 有双 Emmitt 的腿。”
“他就像 Emmitt 一样自由穿过终点线。”
“他跑一英里只用 5 分钟!”

评论员以原型 对象 Emmitt Smith 为模型来评论新对象 LT。在 JavaScript 中,这类模型看起来如清单 3 所示。

清单 3. JavaScript 模型
var emmitt = {
    // ... properties go here
};

var lt = Object.create(emmitt);
// ... add other properties directly to lt

您可以将该示例与经典模型进行比较,在经典模型中您可能会定义一个继承自 FootballPlayer 类的 RunningBack 类。LT 和 Emmitt 可能是 RunningBack 的实例。这些 Java 代码编写的类看起来如清单 4 所示。

清单 4. 3 个 Java 类
class FootballPlayer {
    private string name;
    private string team;

    static void FootballPlayer() { }

    string getName() {
        return this.name;
    }

    string getTeam() {
        return this.team;
    }

    void setName(string val) {
        this.name = val;
    }

    void setTeam(string val) {
        this.team = val;
    }
}

class RunningBack extends FootballPlayer {
    private bool offensiveTeam = true;

    bool isOffesiveTeam() {
        return this.offensiveTeam;
    }
}

RunningBack emmitt = new RunningBack();
RunningBack lt   = new RunningBack();

经典模型通常伴随着极大的概念上的负担,但是对类实例 emmittlt(您得到的原型模型),并没有提供细小的控制。(公平地说,FootballPlayer 类并不是 100% 需要,这里提供它只是为了与下一个示例进行比较 )。有时,这项开销是有益的,但通常都是一个包袱。

使用原型对象系统模仿经典建模非常容易。(也可能会适得其反,尽管这种可能并不容易出现 )例如,您可以使用另一个从 FootballPlayer 继承的对象 runningBack 作为原型,创建一个对象 footballPlayer。在 JavaScript 中,这些对象看起来如清单 5 所示。

清单 5. JavaScript 建模
var footballPlayer = {
    name : "";
    team : "";
};

var runningBack = Object.create(footballPlayer);
runningBack.offensiveTeam = true;

您也可以创建另一个从 footballPlayer 继承的 lineBacker 对象,如清单 6 所示。

清单 6. 对象继承
var lineBacker = Object.create(footballPlayer);
lineBacker.defensiveTeam = true;

如清单 7 所示,通过向 footballPlayer 对象添加行为,可以同时向 lineBackerrunningBack 对象添加行为。

清单 7. 添加行为
footballPlayer.run = function () { this.running = true };
lineBacker.run();
lineBacker.running; // => true

在该示例中,您可以将 footballPlayer 视为一个类,也可以为 Emmitt 和 LT 创建对象,如清单 8 所示。

清单 8. 创建对象
var emmitt = Object.create(runningBack);
emmitt.superbowlRings = 3;

var lt = Object.create(emmitt);
lt.mileRun = '5min';

因为 lt 对象继承自 emmitt 对象,您甚至可以将 emmitt 对象视为一个类,如清单 9 所示。

清单 9. 继承和类
emmitt.height = "6ft";
lt.height // => "6ft";

如果您在以静态的典型对象为特色的语言(像 Java 代码)中尝试使用上述示例,则必须使用装饰模式,还需要使用更多的概念开销,并且仍然无法作为一个实例直接从 emmitt 对象继承。相反,基于原型的语言(比如 JavaScript)中使用的属性模式使您能够以更为自由的方式装饰您的对象。


JavaScript 不是 Java 语言

JavaScript 和它的一些特性(比如,原型对象)成为了历史错误和营销决策的不幸受害者。例如,Brendan Eich(JavaScript 之父) 在一篇博客文章中曾谈到为什么需要一种新语言:“来自上层工程管理者的绝对指令 是:这种语言必须 ‘看起来像 Java’。这排除了 Perl、Python、Tcl 和 Scheme。” 因此,JavaScript 看起来像 Java 代码,而且它的名称也与 Java 有一定关联,这会让那些对这两种语言都不熟悉的人感到迷惑。尽管 JavaScript 表面上看起来像 Java 语言,但从更深层次上看,它一点也不像 Java,这导致一些人无法达到预期目标。用 Brendan Eich 的话来说:

我并不感到骄傲,但是我很高兴我选择了 Scheme-ish 的一流函数和 Self-ish(尽管有些奇怪)原型作为主要组成部分。Java 的影响,特别是它对 y2k Date 对象以及原语与对象的区别(例如,string 与 String)的影响非常大。

难以实现的期望是很难处理的。如果您期望获得一个静态的企业级语言,像 Java 那样,但最终得到的是一个语法上像 Java,行为上更像 Scheme 和 Self 的语言,您当然会感到惊讶。如果您喜欢动态语言,这可能会是一个很受欢迎的惊喜;如果您不喜欢或者您只是对它们不熟悉,使用 JavaScript 编程可能不怎么令人愉快。

JavaScript 也有一些本质上的缺陷:强制使用 global 变量、作用域问题、== 不一致问题等。对于这些问题,JavaScript 程序员开发了一组模式和最佳实践,帮助实现可靠的软件开发。下一小节我们将讨论几个使用、避免使用和充分利用 JavaScript 原型对象系统的模式。


JavaScript 对象模式

为了使 JavaScript 看起来像是 Java 代码,设计人员提供了一些构造函数,这在典型语言中是必需的,但在原型语言中通常是不必要的开销。对于下列模式,可以使用构造函数来声明对象,清单 10 所示。

清单 10. 声明一个对象
function Point(x, y) {
    this.x = x;
    this.y = y;
}

您可以使用 new 关键字来创建对象,这类似于 Java 代码,如清单 11 所示。

清单 11. 创建对象
var p = new Point(3, 4);
p.x // => 3
p.y // => 4

在 JavaScript 中,函数也是对象,因此,可以将方法添加到构造函数原型中,如清单 12 所示。

清单 12. Adding a method
Point.prototype.r = function() {
    return Math.sqrt((this.x * this.x) + (this.y * this.y));
};

有了构造函数,您就可以使用一个 pseudoclassical 继承模式,如清单 13 所示。

清单 13. Pseudoclassical 继承模式
function Point3D(x, y, z) {
    this.x = x;
    this.y = y;
    this.z = z;
}

Point3D.prototype = new Point(); // inherits from Point

Point3D.prototype.r = function() {
    return Math.sqrt((this.x * this.x) + (this.y * this.y) + (this.z * this.z));
};

尽管这的确是在 JavaScript 中定义对象的一个有效方法(有时候可能也是最好的方法),但是此方法感觉有点笨拙。与追随原型模式和纯粹使用这种风格来定义对象相比,这为您的代码增加了不必要的东西。简要概括一下,您可以使用对象标识符来定义您的对象,如清单 14 所示。

清单 14. 定义对象
var point = {
    x: 1,
    y: 2,
    r: function () {
        return Math.sqrt((this.x * this.x) + (this.y * this.y));
    }
};

如清单 15 所示,随后可以使用 Object.create 来实现继承。

清单 15. 使用 Object.create 继承
var point3D = Object.create(point);
point3D.z = 3;
point3D.r = function() {
    return Math.sqrt((this.x * this.x) + (this.y * this.y) + (this.z * this.z));
};

这种对象创建方法在 JavaScript 中很自然,强调了原型对象的优势。但是,原型和 pseudoclassical 模式都有的一个缺点,它们不会提供任何成员隐私。有时候成员隐私无关紧要,但有时候却很重要。清单 16 展示了一个允许您使用私有成员创建对象的模式。在 Douglas Crockford 撰写的书籍 JavaScript: The Good Parts 中,将其称之为函数继承模式。

清单 16. 函数继承模式
var point = function(spec) {
    var that = {};

    that.getTimesSet = function() {
        return timesSet;
    };

    that.getX = function() {
        return spec.x;
    };

    that.setX = function(val) {
        spec.x = val;
    };

    that.getY = function() {
        return spec.y;
    };

    that.setY = function(val) {
        spec.y = val;
    };

    return that;
};

var point3D = function(spec) {
    var that = point(spec);

    that.getZ = function() {
        return spec.z;
    };

    that.setZ = function(val) {
        spec.z = val;
    };

    return that;
};

使用一个构造器来生成您的代码,并在其中定义私有成员,通过将一个 spec 传递给构造器来创建实例,如清单 17 所示。

清单 17. 创建实例
var p = point({ x: 3, y: 4 });
p.getX();  // => 3
p.setX(5);

var p2 = point3D({ x: 1, y: 4, z: 2 });
p.getZ();  // => 2
p.setZ(3);

结束语

本文只是对原型对象编程进行了简要介绍。其他许多语言,比如 Self、Lua、Io 和 REBOL 都实现了原型模式。原型模式可以用任何语言(包括静态类型语言)来实现,这在设计一些需要简单和灵活的系统时很有帮助。

原型对象编程提供强大功能和简单性,并使以明确而又优雅的方式实现了面向对象编程目标。它是 JavaScript 的一项资产,而不是毒瘤。

参考资料

学习

获得产品和技术

  • Self 编程语言:下载 Self,Self 包含一个编程语言,一组使用 Self 语言定义的对象,以及一个用 Self 构建的、用来编写 Self 程序的编程环境。
  • 使用 IBM 试用软件 改进您的下一个开发项目。

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Zone=Web development
ArticleID=851065
ArticleTitle=拥抱原型面向对象编程
publish-date=12122012