面向对象之继承详解(三)

1.继承(接口继承和实现继承)

继承是 OO 语言中的一个最为人津津乐道的概念。许多 OO 语言都支持两种继承方式:接口继承实现继承。接口继承只继承方法签名,而实现继承则继承实际的方法。如前所述,由于函数没有签名,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。

2.实现继承的几种方式:

方式一:(原型链)

ECMAScript 中描述了原型链的概念,并将原型链作为实现继承的主要方法。其基本思想是利用原型让一个引用类型继承另一个引用类型的属性和方法。简单回顾一下构造函数、原型和实例的关系:每个构造函数都有一个原型对象,原型对象都包含一个指向构造函数的指针,而实例都包含一个指向原型对象的内部指针。那么,假如我们让原型对象等于另一个类型的实例,结果会怎么样呢?显然,此时的原型对象将包含一个指向另一个原型的指针,相应地,另一个原型中也包含着一个指向另一个构造函数的指针。假如另一个原型又是另一个类型的实例,那么上述关系依然成立,如此层层递进,就构成了实例与原型的链条。这就是所谓原型链的基本概念。

实现原型链有一种基本模式,其代码大致如下。

function SuperType(){
this.property = true;
}
SuperType.prototype.getSuperValue = function(){
return this.property;
};
function SubType(){
this.subproperty = false;
}
//继承了 SuperType
SubType.prototype = new SuperType();
SubType.prototype.getSubValue = function (){
return this.subproperty;
};
var instance = new SubType();
alert(instance.getSuperValue()); //true

解释:

以上代码定义了两个类型: SuperTypeSubType。每个类型分别有一个属性和一个方法。它们的主要区别是 SubType 继承了 SuperType,而继承是通过创建 SuperType 的实例,并将该实例赋给
SubType.prototype 实现的。实现的本质是重写原型对象,代之以一个新类型的实例。换句话说,原来存在于 SuperType 的实例中的所有属性和方法,现在也存在于 SubType.prototype 中了。在确立了继承关系之后,我们给 SubType.prototype 添加了一个方法,这样就在继承了 SuperType 的属性和方法的基础上又添加了一个新方法。这个例子中的实例以及构造函数和原型之间的关系如图 6-4 所示。

搜狗截图20170208181256.png

在上面的代码中,我们没有使用 SubType 默认提供的原型,而是给它换了一个新原型;这个新原型就是 SuperType 的实例。于是,新原型不仅具有作为一个 SuperType 的实例所拥有的全部属性和方法,而且其内部还有一个指针,指向了 SuperType 的原型。最终结果就是这样的: instance 指向 SubType的 原 型 , SubType 的 原 型 又 指 向 SuperType 的 原 型 。 getSuperValue() 方 法 仍 然 还 在SuperType.prototype 中,但 property 则位于 SubType.prototype 中。这是因为 property 是一个实例属性,而 getSuperValue()则是一个原型方法。既然 SubType.prototype 现在是 SuperType的实例,那么 property 当然就位于该实例中了。此外,要注意 instance.constructor 现在指向的是 SuperType,这是因为原来 SubType.prototype 中的 constructor 被重写了的缘故

原型搜索机制:通过实现原型链,本质上扩展了本章前面介绍的原型搜索机制。读者大概还记得,当以读取模式访问一个实例属性时,首先会在实例中搜索该属性。如果没有找到该属性,则会继续搜索实例的原型。在通过原型链实现继承的情况下,搜索过程就得以沿着原型链继续向上。就拿上面的例子来说,调用instance.getSuperValue()会经历三个搜索步骤: 1)搜索实例; 2)搜索 SubType.prototype;3)搜索 SuperType.prototype,最后一步才会找到该方法。在找不到属性或方法的情况下,搜索过程总是要一环一环地前行到原型链末端才会停下来。

1. 别忘记默认的原型

事实上,前面例子中展示的原型链还少一环。我们知道,所有引用类型默认都继承了 Object,而这个继承也是通过原型链实现的。大家要记住,所有函数的默认原型都是 Object 的实例,因此默认原型都会包含一个内部指针,指向 Object.prototype。这也正是所有自定义类型都会继承 toString()、valueOf()等默认方法的根本原因。所以,我们说上面例子展示的原型链中还应该包括另外一个继承层次。图 6-5 为我们展示了该例子中完整的原型链。

截图20170208183734.png

一句话,SubType 继承了 SuperType,而 SuperType 继承了 Object。当调用 instance.toString()时,实际上调用的是保存在 Object.prototype 中的那个方法。

2. 确定原型和实例的关系

可以通过两种方式来确定原型和实例之间的关系。第一种方式是使用instanceof 操作符,只要用这个操作符来测试实例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一点。

alert(instance instanceof Object); //true
alert(instance instanceof SuperType); //true
alert(instance instanceof SubType); //true

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

第二种方式是使用 isPrototypeOf()方法。同样,只要是原型链中出现过的原型,都可以说是该原型链所派生的实例的原型,因此 isPrototypeOf()方法也会返回 true,如下所示。

alert(Object.prototype.isPrototypeOf(instance)); //true
alert(SuperType.prototype.isPrototypeOf(instance)); //true
alert(SubType.prototype.isPrototypeOf(instance)); //true

3. 谨慎地定义方法

子类型有时候需要重写超类型中的某个方法,或者需要添加超类型中不存在的某个方法。但不管怎样,给原型添加方法的代码一定要放在替换原型的语句之后。来看下面的例子。

function SuperType(){
this.property = true;
}
SuperType.prototype.getSuperValue = function(){
return this.property;
};
function SubType(){
this.subproperty = false;
}
//继承了 SuperType
SubType.prototype = new SuperType();
//添加新方法
SubType.prototype.getSubValue = function (){
return this.subproperty;
};
//重写超类型中的方法
SubType.prototype.getSuperValue = function (){
return false;
};
var instance = new SubType();
alert(instance.getSuperValue()); //false

在以上代码中,加粗的部分是两个方法的定义。第一个方法 getSubValue()被添加到了 SubType中。第二个方法 getSuperValue()是原型链中已经存在的一个方法,但重写这个方法将会屏蔽原来的那个方法。 换句话说,当通过 SubType 的实例调用 getSuperValue()时,调用的就是这个重新定义的方法;但通过 SuperType 的实例调用 getSuperValue()时,还会继续调用原来的那个方法。这里要格外注意的是,必须在用 SuperType 的实例替换原型之后,再定义这两个方法。还有一点需要提醒读者,即在通过原型链实现继承时,不能使用对象字面量创建原型方法。因为这
样做就会重写原型链,如下面的例子所示。

function SuperType(){
this.property = true;
}
SuperType.prototype.getSuperValue = function(){
return this.property;
};
function SubType(){
this.subproperty = false;
}
//继承了 SuperType
SubType.prototype = new SuperType();
//使用字面量添加新方法,会导致上一行代码无效
SubType.prototype = {
getSubValue : function (){
return this.subproperty;
},
someOtherMethod : function (){
return false;
}
};
var instance = new SubType();
alert(instance.getSuperValue()); //error!

以上代码展示了刚刚把 SuperType 的实例赋值给原型,紧接着又将原型替换成一个对象字面量而导致的问题。由于现在的原型包含的是一个 Object 的实例,而非 SuperType 的实例,因此我们设想中的原型链已经被切断——SubType 和 SuperType 之间已经没有关系了。

4. 原型链的问题

原型链虽然很强大,可以用它来实现继承,但它也存在一些问题。其中,最主要的问题来自包含引用类型值的原型。想必大家还记得,我们前面介绍过包含引用类型值的原型属性会被所有实例共享;而这也正是为什么要在构造函数中,而不是在原型对象中定义属性的原因。在通过原型来实现继承时,原型实际上会变成另一个类型的实例。于是,原先的实例属性也就顺理成章地变成了现在的原型属性了。下列代码可以用来说明这个问题。

function SuperType(){
this.colors = ["red", "blue", "green"];
}
function SubType(){
}
//继承了 SuperType
SubType.prototype = new SuperType();
var instance1 = new SubType();
instance1.colors.push("black");
alert(instance1.colors); //"red,blue,green,black"
var instance2 = new SubType();
alert(instance2.colors); //"red,blue,green,black"

问题:

1.这个例子中的 SuperType 构造函数定义了一个 colors 属性,该属性包含一个数组(引用类型值)。SuperType 的每个实例都会有各自包含自己数组的 colors 属性。当 SubType 通过原型链继承了SuperType 之后, SubType.prototype 就变成了 SuperType 的一个实例,因此它也拥有了一个它自己的 colors 属性——就跟专门创建了一个SubType.prototype.colors 属性一样。但结果是什么呢?结果是 SubType 的所有实例都会共享这一个 colors 属性。 而我们对 instance1.colors 的修改
能够通过 instance2.colors 反映出来,就已经充分证实了这一点。

2.原型链的第二个问题是:在创建子类型的实例时,不能向超类型的构造函数中传递参数。实际上,应该说是没有办法在不影响所有对象实例的情况下,给超类型的构造函数传递参数。有鉴于此,再加上前面刚刚讨论过的由于原型中包含引用类型值所带来的问题,实践中很少会单独使用原型链。

由于此问题,所以实践中很少使用原型链。

方式二:借用构造函数

在解决原型中包含引用类型值所带来问题的过程中,开发人员开始使用一种叫做借用构造函数(constructor stealing)的技术(有时候也叫做伪造对象或经典继承)。这种技术的基本思想相当简单,即在子类型构造函数的内部调用超类型构造函数。别忘了,函数只不过是在特定环境中执行代码的对象,因此通过使用 apply()和 call()方法也可以在(将来)新创建的对象上执行构造函数,如下所示:

function SuperType(){
this.colors = ["red", "blue", "green"];
}
function SubType(){
//继承了 SuperType
SuperType.call(this);
}
var instance1 = new SubType();
instance1.colors.push("black");
alert(instance1.colors); //"red,blue,green,black"
var instance2 = new SubType();
alert(instance2.colors); //"red,blue,green"

代码中加粗的那一行代码“借调”了超类型的构造函数。通过使用 call()方法(或 apply()方法也可以),我们实际上是在(未来将要)新创建的 SubType 实例的环境下调用了 SuperType 构造函数。这样一来,就会在新 SubType 对象上执行 SuperType()函数中定义的所有对象初始化代码。结果,SubType 的每个实例就都会具有自己的 colors 属性的副本了

1. 传递参数

相对于原型链而言,借用构造函数有一个很大的优势,即可以在子类型构造函数中向超类型构造函数传递参数。看下面这个例子。

function SuperType(name){
this.name = name;
}
function SubType(){
//继承了 SuperType,同时还传递了参数
SuperType.call(this, "Nicholas");
//实例属性
this.age = 29;
}
var instance = new SubType();
alert(instance.name); //"Nicholas";
alert(instance.age); //29

以上代码中的 SuperType 只接受一个参数 name,该参数会直接赋给一个属性。在 SubType 构造函数内部调用 SuperType 构造函数时,实际上是为 SubType 的实例设置了 name 属性。为了确保SuperType 构造函数不会重写子类型的属性,可以在调用超类型构造函数后,再添加应该在子类型中定义的属性。

2. 借用构造函数的问题

如果仅仅是借用构造函数,那么也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,因此函数复用就无从谈起了。而且,在超类型的原型中定义的方法,对子类型而言也是不可见的,结果所有类型都只能使用构造函数模式。考虑到这些问题,借用构造函数的技术也是很少单独使用的。

方式三:(组合继承)

组合继承(combination inheritance),有时候也叫做伪经典继承,指的是将原型链借用构造函数的技术组合到一块,从而发挥二者之长的一种继承模式。其背后的思路是使用原型链实现对原型属性和方法的继承,而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,又能够保证每个实例都有它自己的属性。下面来看一个例子。

function SuperType(name){
this.name = name;
this.colors = ["red", "blue", "green"];
}
SuperType.prototype.sayName = function(){
alert(this.name);
};
function SubType(name, age){
//继承属性
SuperType.call(this, name);
this.age = age;
}
//继承方法
SubType.prototype = new SuperType();
SubType.prototype.constructor = SubType;
SubType.prototype.sayAge = function(){
alert(this.age);
};
var instance1 = new SubType("Nicholas", 29);
instance1.colors.push("black");
alert(instance1.colors); //"red,blue,green,black"
instance1.sayName(); //"Nicholas";
instance1.sayAge(); //29
var instance2 = new SubType("Greg", 27);
alert(instance2.colors); //"red,blue,green"
instance2.sayName(); //"Greg";
instance2.sayAge(); //27

解释:
在这个例子中, SuperType 构造函数定义了两个属性: name 和 colors。 SuperType 的原型定义了一个方法 sayName()。 SubType 构造函数在调用 SuperType 构造函数时传入了 name 参数,紧接着又定义了它自己的属性 age。然后,将 SuperType 的实例赋值给 SubType 的原型,然后又在该新原型上定义了方法 sayAge()。这样一来,就可以让两个不同的 SubType 实例既分别拥有自己属性——包括 colors 属性,又可以使用相同的方法了。

优点:
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()也能够用于识别基于组合继承创建的对象。

方式四:(原型式继承)

道格拉斯·克罗克福德在 2006 年写了一篇文章,题为 Prototypal Inheritance in JavaScript (JavaScript中的原型式继承)。在这篇文章中,他介绍了一种实现继承的方法,这种方法并没有使用严格意义上的构造函数。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。为了达到这个目的,他给出了如下函数。

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

在 object()函数内部,先创建了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。从本质上讲, object()对传入其中的对象执行了一次浅复制。来看下面的例子。

var person = {
name: "Nicholas",
friends: ["Shelby", "Court", "Van"]
};
var anotherPerson = object(person);
anotherPerson.name = "Greg";
anotherPerson.friends.push("Rob");
var yetAnotherPerson = object(person);
yetAnotherPerson.name = "Linda";
yetAnotherPerson.friends.push("Barbie");
alert(person.friends); //"Shelby,Court,Van,Rob,Barbie"

克罗克福德主张的这种原型式继承,要求你必须有一个对象可以作为另一个对象的基础。如果有这么一个对象的话,可以把它传递给 object()函数,然后再根据具体需求对得到的对象加以修改即可。在这个例子中,可以作为另一个对象基础的是 person 对象,于是我们把它传入到 object()函数中,然后该函数就会返回一个新对象。这个新对象将 person 作为原型,所以它的原型中就包含一个基本类型值属性
和一个引用类型值属性。这意味着 person.friends 不仅属于 person 所有,而且也会被 anotherPerson以及 yetAnotherPerson 共享。实际上,这就相当于又创建了 person 对象的两个副本。

ECMAScript 5 通过新增 Object.create()方法规范化了原型式继承。这个方法接收两个参数:一个用作新对象原型的对象和(可选的)一个为新对象定义额外属性的对象。在传入一个参数的情况下,Object.create()与 object()方法的行为相同。

var person = {
name: "Nicholas",
friends: ["Shelby", "Court", "Van"]
};
var anotherPerson = Object.create(person);
anotherPerson.name = "Greg";
anotherPerson.friends.push("Rob");
var yetAnotherPerson = Object.create(person);
yetAnotherPerson.name = "Linda";
yetAnotherPerson.friends.push("Barbie");
alert(person.friends); //"Shelby,Court,Van,Rob,Barbie"

Object.create()方法的第二个参数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: "Nicholas",
friends: ["Shelby", "Court", "Van"]
};
{
name: {
value: "Greg"
}
});
alert(anotherPerson.name); //"Greg"

支持版本:支持 Object.create()方法的浏览器有 IE9+、 Firefox 4+、 Safari 5+、 Opera 12+和 Chrome。在没有必要兴师动众地创建构造函数,而只想让一个对象与另一个对象保持类似的情况下,原型式继承是完全可以胜任的。缺点:不过别忘了,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。

方式五:(寄生式继承)

寄生式(parasitic)继承是与原型式继承紧密相关的一种思路,并且同样也是由克罗克福德推而广之的。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,最后再像真地是它做了所有工作一样返回对象。以下代码示范了寄生式继承模式。

function createAnother(original){
var clone = object(original); //通过调用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
}

在这个例子中, createAnother()函数接收了一个参数,也就是将要作为新对象基础的对象。然后,把这个对象(original)传递给 object()函数,将返回的结果赋值给 clone。再为 clone 对象添加一个新方法 sayHi(),最后返回 clone 对象。可以像下面这样来使用 createAnother()函数:

var person = {
name: "Nicholas",
friends: ["Shelby", "Court", "Van"]
};
var anotherPerson = createAnother(person);
anotherPerson.sayHi(); //"hi"

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,而且还有自己的 sayHi()方法。

使用范围:在主要考虑对象而不是自定义类型和构造函数的情况下,寄生式继承也是一种有用的模式。前面示范继承模式时使用的 object()函数不是必需的;任何能够返回新对象的函数都适用于此模式。
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。

方式六:(寄生组合式继承)

前面说过,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,都会调用两次超类型构造函数: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。没错,子类型最终会包含超类型对象的全部实例属性,但我们不得不在调用子类型构造函数时重写这些属性。再来看一看下面组合继承的例子。

function SuperType(name){
this.name = name;
this.colors = ["red", "blue", "green"];
}
SuperType.prototype.sayName = function(){
alert(this.name);
};
function SubType(name, age){
SuperType.call(this, name); //第二次调用 SuperType()
this.age = age;
}
SubType.prototype = new SuperType(); //第一次调用 SuperType()
SubType.prototype.constructor = SubType;
SubType.prototype.sayAge = function(){
alert(this.age);
};

加粗字体的行中是调用 SuperType 构造函数的代码。在第一次调用 SuperType 构造函数时,SubType.prototype 会得到两个属性: name 和 colors;它们都是 SuperType 的实例属性,只不过现在位于 SubType 的原型中。当调用 SubType 构造函数时,又会调用一次 SuperType 构造函数,这一次又在新对象上创建了实例属性 name 和 colors。于是,这两个属性就屏蔽了原型中的两个同名属性。图 6-6 展示了上述过程。
如图 6-6 所示,有两组 name 和 colors 属性:一组在实例上,一组在 SubType 原型中。这就是调用两次 SuperType 构造函数的结果。好在我们已经找到了解决这个问题方法——寄生组合式继承。

所谓寄生组合式继承,即通过借用构造函数来继承属性,通过原型链的混成形式来继承方法。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,我们所需要的无非就是超类型原型的一个副本而已。本质上,就是使用寄生式继承来继承超类型的原型,然后再将结果指定给子类型的原型。寄生组合式继承的基本模式如下所示。

function inheritPrototype(subType, superType){
var prototype = object(superType.prototype); //创建对象
prototype.constructor = subType; //增强对象
subType.prototype = prototype; //指定对象
}

这个示例中的 inheritPrototype()函数实现了寄生组合式继承的最简单形式。这个函数接收两个参数:子类型构造函数和超类型构造函数。在函数内部,第一步是创建超类型原型的一个副本。第二步是为创建的副本添加 constructor 属性,从而弥补因重写原型而失去的默认的 constructor 属性。最后一步,将新创建的对象(即副本)赋值给子类型的原型。这样,我们就可以用调用 inheritPrototype()函数的语句,
去替换前面例子中为子类型原型赋值的语句了,
例如:

function inheritPrototype(subType, superType){
var prototype = object(superType.prototype); //创建对象
prototype.constructor = subType; //增强对象
subType.prototype = prototype; //指定对象
}
function SuperType(name){
this.name = name;
this.colors = ["red", "blue", "green"];
}
SuperType.prototype.sayName = function(){
alert(this.name);
};
function SubType(name, age){
SuperType.call(this, name);
this.age = age;
}
inheritPrototype(SubType, SuperType);
SubType.prototype.sayAge = function(){
alert(this.age);
};
截图20170208193818.png

这个例子的高效率体现在它只调用了一次 SuperType 构造函数,并且因此避免了在 SubType.prototype 上面创建不必要的、多余的属性。与此同时,原型链还能保持不变;因此,还能够正常使用instanceof 和 isPrototypeOf()。开发人员普遍认为寄生组合式继承是引用类型最理想的继承范式。

首次应该次继承js库: YUI 的 YAHOO.lang.extend()方法采用了寄生组合继承,从而让这种模式首次出现在了一个应用非常广泛的 JavaScript 库中。要了解有关 YUI 的更多信息,请访问http://developer. yahoo.com/yui/

总结:

ECMAScript 支持面向对象(OO)编程,但不使用类或者接口。对象可以在代码执行过程中创建和增强,因此具有动态性而非严格定义的实体。在没有类的情况下,可以采用下列模式创建对象。

工厂模式,使用简单的函数创建对象,为对象添加属性和方法,然后返回对象。这个模式后来被构造函数模式所取代。

构造函数模式,可以创建自定义引用类型,可以像创建内置对象实例一样使用 new 操作符。不过,构造函数模式也有缺点,即它的每个成员都无法得到复用,包括函数。由于函数可以不局限于任何对象(即与对象具有松散耦合的特点),因此没有理由不在多个对象间共享函数。

原型模式,使用构造函数的 prototype 属性来指定那些应该共享的属性和方法。组合使用构造函数模式和原型模式时,使用构造函数定义实例属性,而使用原型定义共享的属性和方法。

JavaScript 主要通过原型链实现继承。原型链的构建是通过将一个类型的实例赋值给另一个构造函数的原型实现的。这样,子类型就能够访问超类型的所有属性和方法,这一点与基于类的继承很相似。原型链的问题是对象实例共享所有继承的属性和方法,因此不适宜单独使用。解决这个问题的技术是借用构造函数,即在子类型构造函数的内部调用超类型构造函数。这样就可以做到每个实例都具有自己的属性,同时还能保证只使用构造函数模式来定义类型。使用最多的继承模式是组合继承,这种模式使用原型链继承共享的属性和方法,而通过借用构造函数继承实例属性。

此外,还存在下列可供选择的继承模式。

1. 原型式继承,可以在不必预先定义构造函数的情况下实现继承,其本质是执行对给定对象的浅复制。而复制得到的副本还可以得到进一步改造。

2. 寄生式继承,与原型式继承非常相似,也是基于某个对象或某些信息创建一个对象,然后增强对象,最后返回对象。为了解决组合继承模式由于多次调用超类型构造函数而导致的低效率问题,可以将这个模式与组合继承一起使用。

3. 寄生组合式继承,集寄生式继承和组合继承的优点与一身,是实现基于类型继承的最有效方式。

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