JavaScript面向对象的设计模式

多态

多态的实际含义是:同一操作作用于不同的对象上面,可以产生不同的解释和不同的执行结果。换句话说,给不同的对象发送同一个消息的时候,这些对象会根据这个消息分别给出不同的反馈。

从字面上来理解多态不太容易,下面我们来举例说明一下

主人家里养了两只动物,分别是一只鸭和一只鸡,当主人向它们发出“叫”的命令 时,鸭会“嘎嘎嘎”地叫,而鸡会“咯咯咯”地叫。这两只动物都会以自己的方式来发出叫声。它们同样“都是动物,并且可以发出叫声”,但根据主人的指令,它们会各自发出不同的叫声。

var makeSound = function(animal) {
  if (animal instanceof Duck) {
    console.log("嘎嘎嘎");
  } else if (animal instanceof Chicken) {
    console.log("咯咯咯");
  }
};

var Duck = function() {};
var Chicken = function() {};
makeSound(new Duck()); // 嘎嘎嘎
makeSound(new Chicken()); // 咯咯咯

多态背后的思想是将“做什么”和“谁去做以及怎样去做”分离开来,也就是将“不变的事物”与 “可能改变的事物”分离开来。在这个故事中,动物都会叫,这是不变的,但是不同类型的动物具体怎么叫是可变的。把不变的部分隔离出来,把可变的部分封装起来,这给予了我们扩展程序的能力,程序看起来是可生长的,也是符合开放—封闭原则的,相对于修改代码来说,仅仅增加代码就能完成同样的功能,这显然优雅和安全得多。

var makeSound = function(animal) {
  animal.sound();
};


// 然后把可变的部分各自封装起来,我们刚才谈到的多态性实际上指的是对象的多态性
var Duck = function() {};

Duck.prototype.sound = function() {
  console.log("嘎嘎嘎");
};
var Chicken = function() {};
Chicken.prototype.sound = function() {
  console.log("咯咯咯");
};
makeSound(new Duck()); // 嘎嘎嘎
makeSound(new Chicken()); // 咯咯咯

封装

封装的目的是将信息隐藏。一般而言,我们讨论的封装是封装数据和封装实现。这一节将讨论更广义的封装,不仅包括封装数据和封装实现,还包括封装类型和封装变化。

封装数据

在许多语言的对象系统中,封装数据是由语法解析来实现的,这些语言也许提供了 private、

public、protected 等关键字来提供不同的访问权限。

但 JavaScript 并没有提供对这些关键字的支持,我们只能依赖变量的作用域来实现封装特性, 而且只能模拟出 public 和 private 这两种封装性。

var myObject = (function() {
  var name = "sven"; // 私有(private)变量
  return {
    getName: function() {
      // 公开(public)方法
      return name;
    }
  };
})();
console.log(myObject.getName()); // 输 出 :sven 
console.log( myObject. name )   // 输出:undefined

封装实现

封装的目的是将信息隐藏,封装应该被视为“任何形式的封装”,也就是说,封装不仅仅是隐藏数据,还包括隐藏实现细节、设计细节以及隐藏对象的类型等。

从封装实现细节来讲,封装使得对象内部的变化对其他对象而言是透明的,也就是不可见的。对象对它自己的行为负责。其他对象或者用户都不关心它的内部实现。封装使得对象之间的耦合变松散,对象之间只通过暴露的 API 接口来通信。当我们修改一个对象时,可以随意地修改它的内部实现,只要对外的接口没有变化,就不会影响到程序的其他功能。

封装实现细节的例子非常之多。拿迭代器来说明,迭代器的作用是在不暴露一个聚合对象的内部表示的前提下,提供一种方式来顺序访问这个聚合对象。我们编写了一个 each 函数,它的作用就是遍历一个聚合对象,使用这个 each 函数的人不用关心它的内部是怎样实现的,只要它提供的功能正确便可以。即使 each 函数修改了内部源代码,只要对外的接口或者调用方式没有变化,用户就不用关心它内部实现的改变

封装类型

封装类型是静态类型语言中一种重要的封装方式。一般而言,封装类型是通过抽象类和接口来进行的①。把对象的真正类型隐藏在抽象类或者接口之后,相比对象的类型,客户更关心对象的行为。在许多静态语言的设计模式中,想方设法地去隐藏对象的类型,也是促使这些模式诞生的原因之一。比如工厂方法模式、组合模式等。

当然在 JavaScript 中,并没有对抽象类和接口的支持。JavaScript 本身也是一门类型模糊的语言。在封装类型方面,JavaScript 没有能力,也没有必要做得更多。对于 JavaScript 的设计模式实现来说,不区分类型是一种失色,也可以说是一种解脱。

封装变化

通过封装变化的方式,把系统中稳定不变的部分和容易变化的部分隔离开来,在系统的演变过程中,我们只需要替换那些容易变化的部分,如果这些部分是已经封装好的,替换起来也相对容易。这可以最大程度地保证程序的稳定性和可扩展性。

原型模式和基于原型继承的 JavaScript 对象系统

在以类为中心的面向对象编程语言中,类和对象的关系可以想象成铸模和铸件的关系,对象总是从类中创建而来。而在原型编程的思想中,类并不是必需的,对象未必需要从类中创建而来, 一个对象是通过克隆另外一个对象所得到的。

使用克隆的原型模式

从设计模式的角度讲,原型模式是用于创建对象的一种模式,如果我们想要创建一个对象, 一种方法是先指定它的类型,然后通过类来创建这个对象。原型模式选择了另外一种方式,我们不再关心对象的具体类型,而是找到一个对象,然后通过克隆来创建一个一模一样的对象。

既然原型模式是通过克隆来创建对象的,那么很自然地会想到,如果需要一个跟某个对象一模一样的对象,就可以使用原型模式。

如果使用原型模式,我们只需要调用负责克隆的方法,便能完成同样的功能。

原型模式的实现关键,是语言本身是否提供了clone 方法。ECMAScript 5 提供了Object.create

方法,可以用来克隆对象。

var Plane = function() {
  this.blood = 100;
  this.attackLevel = 1;
  this.defenseLevel = 1;
};

var plane = new Plane();
plane.blood = 500;
plane.attackLevel = 10;
plane.defenseLevel = 7;
var clonePlane = Object.create(plane);
console.log(clonePlane); // 输出:Object {blood: 500, attackLevel: 10, defenseLevel: 7}


在不支持 Object.create 方法的浏览器中,则可以使用以下代码:
Object.create =
  Object.create ||
  function(obj) {
    var F = function() {};
    F.prototype = obj;
    return new F();
  };

克隆是创建对象的手段

通过原型模式来克隆出一个一模一样的对象。但原型模式的真正目的并非在于需要得到一个一模一样的对象,而是提供了一种便捷的方式去创建某个类型的对象,克隆只是创建这个对象的过程和手段

原型模式提供了另外一种创建对象的方式,通过克隆对象,我们就不用再关心对象的具体类型名字。这就像一个仙女要送给三岁小女孩生日礼物,虽然小女孩可能还不知道飞机或者船怎么说,但她可以指着商店橱柜里的飞机模型说“我要这个”。
当然在 JavaScript 这种类型模糊的语言中,创建对象非常容易,也不存在类型耦合的问题。从设计模式的角度来讲,原型模式的意义并不算大 。但 JavaScript 本身是一门基于原型的面向对象语言,它的对象系统就是使用原型模式来搭建的,在这里称之为原型编程范型也许更合适。

JavaScript中的原型继承

在原型继承方面,JavaScript 的实现原理和 Io 语言非常相似, JavaScript 也同样遵守这些原型编程的基本规则

  1. 所有的数据都是对象。
  2. 要得到一个对象,不是通过实例化类,而是找到一个对象作为原型并克隆它。
  3. 对象会记住它的原型。
  4. 如果对象无法响应某个请求,它会把这个请求委托给它自己的原型。

所有的数据都是对象

JavaScript 在设计的时候,模仿 Java 引入了两套类型机制:基本类型和对象类型。

基本类型包括 undefinednumberbooleanstringfunctionobject。从现在看来,这并不是一个好的想法。

按照 JavaScript 设计者的本意,除了 undefined 之外,一切都应是对象。

为了实现这一目标,numberbooleanstring 这几种基本类型数据也可以通过“包装类”的方式变成对象类型数据来处理。

我们不能说在 JavaScript 中所有的数据都是对象,但可以说绝大部分数据都是对象。那么相信在 JavaScript 中也一定会有一个根对象存在,这些对象追根溯源都来源于这个根对象。

事实上,JavaScript 中的根对象是 Object.prototype 对象。Object.prototype 对象是一个空的对象。我们在 JavaScript 遇到的每个对象,实际上都是从 Object.prototype 对象克隆而来的,

Object.prototype 对象就是它们的原型。比如下面的 obj1 对象和 obj2 对象:

var obj1 = new Object(); var obj2 = {};

可以利用 ECMAScript 5 提供的 Object.getPrototypeOf 来查看这两个对象的原型:

console.log( Object.getPrototypeOf( obj1 ) === Object.prototype );  // 输出:true

 console.log( Object.getPrototypeOf( obj2 ) === Object.prototype ); // 输出:true

要得到一个对象,不是通过实例化类,而是找到一个对象作为原型并克隆它

但在 JavaScript 语言里,我们并不需要关心克隆的细节,因为这是引擎内部负责实现的。我们所需要做的只是显式地调用 var obj1 = new Object()或者 var obj2 = {}。此时,引擎内部会从

Object.prototype 上面克隆一个对象出来,我们最终得到的就是这个对象。

再来看看如何用 new 运算符从构造器中得到一个对象,下面的代码我们再熟悉不过了:

function Person(name) {
  this.name = name;
}

Person.prototype.getName = function() {
  return this.name;
};

var a = new Person("sven");
console.log(a.name); // 输出:sven

console.log(a.getName()); // 输出:sven

console.log(Object.getPrototypeOf(a) === Person.prototype); // 输出:true

在 JavaScript 中没有类的概念。但刚才不是明明调用了 new Person()吗?
在这里 Person 并不是类,而是函数构造器,JavaScript 的函数既可以作为普通函数被调用, 也可以作为构造器被调用。当使用 new 运算符来调用函数时,此时的函数就是一个构造器。 用
new 运算符来创建对象的过程,实际上也只是先克隆 Object.prototype 对象,再进行一些其他额外操作的过程。
在 Chrome 和 Firefox 等向外暴露了对象 proto 属性的浏览器下,我们可以通过下面这段代码来理解 new 运算的过程:

function Person(name) {
  this.name = name;
}

Person.prototype.getName = function() {
  return this.name;
};

var objectFactory = function() {
  var obj = new Object(), // 从 Object.prototype 上克隆一个空的对象
   Constructor = [].shift.call(arguments); // 构造器
  obj.proto = Constructor.prototype; // 指向函数
  var ret = Constructor.apply(obj, arguments); // 借用外部传入的构造器给 obj 设置属性
  return typeof ret === "object" ? ret : obj; // 确保构造器总是会返回一个对象
};

var a = objectFactory(Person, "sven");

console.log(a.name); // 输 出 :sven 
console.log( a.getName() ); // 输出:sven
console.log(Object.getPrototypeOf(a) === Person.prototype); // 输出:true

我们看到,分别调用下面两句代码产生了一样的结果:
var a = objectFactory( A, 'sven' ); 
var a = new A( 'sven' );

对象会记住它的原型

就 JavaScript 的真正实现来说,其实并不能说对象有原型,而只能说对象的构造器有原型。对于“对象把请求委托给它自己的原型”这句话,更好 的说法是对象把请求委托给它的构造器的原型。那么对象如何把请求顺利地转交给它的构造器的原型呢?
JavaScript 给对象提供了一个名为 proto 的隐藏属性,某个对象的 proto 属性默认会指向它的构造器的原型对象,即{Constructor}.prototype。在一些浏览器中, proto 被公开出来, 我们可以在 Chrome 或者 Firefox 上用这段代码来验证:

var a = new Object();
console.log ( a.proto  === Object.prototype );  // 输出:true

实际的对象有proto,构造器有prototype

实际上, proto 就是对象跟“对象构造器的原型”联系起来的纽带。正因为对象要通过
proto 属性来记住它的构造器的原型,所以我们用上一节的 objectFactory 函数来模拟用 new
创建对象时, 需要手动给 obj 对象设置正确的 proto 指向。
obj. proto = Constructor.prototype;
通过这句代码,我们让 obj. proto 指向 Person.prototype,而不是原来的 Object.prototype。

如果对象无法响应某个请求,它会把这个请求委托给它的构造器的原型

这条规则即是原型继承的精髓所在,在 JavaScript 中,每个对象都是从 Object.prototype 对象克隆而来的,如果是这样的话, 我们只能得到单一的继承关系,即每个对象都继承自 Object.prototype 对象,这样的对象系统显然是非常受限的。
实际上,虽然 JavaScript 的对象最初都是由 Object.prototype 对象克隆而来的,但对象构造器的原型并不仅限于 Object.prototype 上,而是可以动态指向其他对象。这样一来,当对象 a 需要借用对象 b 的能力时,可以有选择性地把对象 a 的构造器的原型指向对象 b,从而达到继承的效果。下面的代码是我们最常用的原型继承方式:


var obj = { name: "sven" };

var A = function() {};
A.prototype = obj;
var a = new A();
console.log(a.name); // 输出:sven

我们来看看执行这段代码的时候,引擎做了哪些事情。
首先,尝试遍历对象 a 中的所有属性,但没有找到 name 这个属性。
查找 name 属性的这个请求被委托给对象 a 的构造器的原型,它被 a. proto 记录着并且指向 A.prototype,而 A.prototype 被设置为对象 obj。
在对象 obj 中找到了 name 属性,并返回它的值。

当我们期望得到一个“类”继承自另外一个“类”的效果时,往往会用下面的代码来模拟实现:

var A = function() {};
A.prototype = { name: "sven" };

var B = function() {};
B.prototype = new A();
var b = new B();
console.log(b.name); // 输出:sven

再看这段代码执行的时候,引擎做了什么事情。
1.首先,尝试遍历对象 b 中的所有属性,但没有找到 name 这个属性。

2.查找 name 属性的请求被委托给对象 b 的构造器的原型,它被 b. proto 记录着并且指向
B.prototype,而 B.prototype 被设置为一个通过 new A()创建出来的对象。
3.在该对象中依然没有找到 name 属性,于是请求被继续委托给这个对象构造器的原型
A.prototype。

4.在 A.prototype 中找到了 name 属性,并返回它的值。
和把 B.prototype 直接指向一个字面量对象相比,通过 B.prototype = new A()形成的原型链比之前多了一层。但二者之间没有本质上的区别,都是将对象构造器的原型指向另外一个对象,继承总是发生在对象和对象之间。

最后还要留意一点,原型链并不是无限长的。现在我们尝试访问对象 aaddress 属性。而对象 b 和它构造器的原型上都没有 address 属性,那么这个请求会被最终传递到哪里呢?

实际上,当请求达到 A.prototype,并且在 A.prototype 中也没有找到 address 属性的时候, 请求会被传递给 A.prototype 的构造器原型 Object.prototype,显然 Object.prototype 中也没有

address 属性,但 Object.prototype 的原型是 null,说明这时候原型链的后面已经没有别的节点了。所以该次请求就到此打住,a.address 返回 undefined

a.address   // 输出:undefined

原型继承的未来

作为Web 前端开发者,相信 JavaScript 在未来很长一段时间内都是唯一的选择。虽然我们没有办法换一门语言,但语言本身也在发展,说不定哪天某个模式在 JavaScript 中就已经是天然的存在,不再需要拐弯抹角来实现。比如 Object.create 就是原型模式的天然实现。使用 Object.create 来完成原型继承看起来更能体现原型模式的精髓。

目前大多数主流浏览器都提供了 Object.create 方法。
但美中不足是在当前的 JavaScript 引擎下,通过 Object.create 来创建对象的效率并不高,通常比通过构造函数创建对象要慢。此外还有一些值得注意的地方,比如通过设置构造器的
prototype 来实现原型继承的时候,除了根对象 Object.prototype 本身之外,任何对象都会有一个原型。而通过 Object.create( null )可以创建出没有原型的对象。
另外,ECMAScript 6 带来了新的 Class 语法。这让 JavaScript 看起来像是一门基于类的语言, 但其背后仍是通过原型机制来创建对象。

通过 Class 创建对象的一段简单示例代码如下所示:

class Animal {
  constructor(name) {
    this.name = name;
  }
  getName() {
    return this.name;
  }
}

class Dog extends Animal {
  constructor(name) {
    super(name);
  }
  speak() {
    return "woof";
  }
}

var dog = new Dog("Scamp");
console.log(dog.getName() + " says " + dog.speak());
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