一篇文章告诉你JavaScript 如何实现继承

背景简介

JavaScript 在编程语言界是个特殊种类,它和其他编程语言很不一样,JavaScript 可以在运行的时候动态地改变某个变量的类型。

比如你永远也没法想到像isTimeout这样一个变量可以存在多少种类型,除了布尔值true和false,它还可能是undefined、1和0、一个时间戳,甚至一个对象。

如果代码跑异常,打开浏览器,开始断点调试,发现InfoList这个变量第一次被赋值的时候是个数组:

[{name: 'test1', value: '11'}, {name: 'test2', value: '22'}]

过了一会竟然变成了一个对象:

{test1:'11', test2: '22'}

除了变量可以在运行时被赋值为任何类型以外,JavaScript 中也能实现继承,但它不像 Java、C++、C# 这些编程语言一样基于类来实现继承,而是基于原型进行继承。

这是因为 JavaScript 中有个特殊的存在:对象。每个对象还都拥有一个原型对象,并可以从中继承方法和属性。

提到对象和原型,有如下问题:

  1. JavaScript 的函数怎么也是个对象?
  2. proto和prototype到底是啥关系?
  3. JavaScript 中对象是怎么实现继承的?
  4. JavaScript 是怎么访问对象的方法和属性的?

原型对象和对象的关系

在 JavaScript 中,对象由一组或多组的属性和值组成:

{
  key1: value1,
  key2: value2,
  key3: value3,
}

在 JavaScript 中,对象的用途很是广泛,因为它的值既可以是原始类型(number、string、boolean、null、undefined、bigint和symbol),还可以是对象和函数。

不管是对象,还是函数和数组,它们都是Object的实例,也就是说在 JavaScript 中,除了原始类型以外,其余都是对象。

这也就解答了问题1:JavaScript 的函数怎么也是个对象?

在 JavaScript 中,函数也是一种特殊的对象,它同样拥有属性和值。所有的函数会有一个特别的属性prototype,该属性的值是一个对象,这个对象便是我们常说的“原型对象”。

我们可以在控制台打印一下这个属性:

function Person(name) {
  this.name = name;
}
console.log(Person.prototype);

打印结果显示为:

可以看到,该原型对象有两个属性:constructor和proto

到这里,我们仿佛看到疑惑 “2:proto和prototype到底是啥关系?”的答案要出现了。在 JavaScript 中,proto属性指向对象的原型对象,对于函数来说,它的原型对象便是prototype。函数的原型对象prototype有以下特点:

  • 默认情况下,所有函数的原型对象(prototype)都拥有constructor属性,该属性指向与之关联的构造函数,在这里构造函数便是Person函数;
  • Person函数的原型对象(prototype)同样拥有自己的原型对象,用proto属性表示。前面说过,函数是Object的实例,因此Person.prototype的原型对象为Object.prototype。

我们可以用这样一张图来描述prototype、proto和constructor三个属性的关系:

从这个图中,我们可以找到这样的关系:

  • 在 JavaScript 中,proto属性指向对象的原型对象;
  • 对于函数来说,每个函数都有一个prototype属性,该属性为该函数的原型对象;

使用 prototype 和 proto 实现继承

对象之所以使用广泛,是因为对象的属性值可以为任意类型。因此,属性的值同样可以为另外一个对象,这意味着 JavaScript 可以这么做:通过将对象 A 的proto属性赋值为对象 B,即:

A.__proto__ = B

此时使用A.proto便可以访问 B 的属性和方法。

这样,JavaScript 可以在两个对象之间创建一个关联,使得一个对象可以访问另一个对象的属性和方法,从而实现了继承;

使用prototype和proto实现继承

以Person为例,当我们使用new Person()创建对象时,JavaScript 就会创建构造函数Person的实例,比如这里我们创建了一个叫“zhangsan”的Person:

var zhangsan = new Person("zhangsan");

上述这段代码在运行时,JavaScript 引擎通过将Person的原型对象prototype赋值给实例对象zhangsan的proto属性,实现了zhangsan对Person的继承,即执行了以下代码:

//JavaScript 引擎执行了以下代码
var zhangsan = {};
zhangsan.__proto__ = Person.prototype;
Person.call(zhangsan, "zhangsan");

我们来打印一下zhangsan实例:

console.log(zhangsan)

结果如下图所示:

可以看到,zhangsan作为Person的实例对象,它的proto指向了Person的原型对象,即Person.prototype。

这时,我们再补充下上图中的关系:

从这幅图中,我们可以清晰地看到构造函数和constructor属性、原型对象(prototype)和proto、实例对象之间的关系,这是很多容易混淆。根据这张图,我们可以得到以下的关系:

  1. 每个函数的原型对象(Person.prototype)都拥有constructor属性,指向该原型对象的构造函数(Person);
  2. 使用构造函数(new Person())可以创建对象,创建的对象称为实例对象(lily);
  3. 实例对象通过将proto属性指向构造函数的原型对象(Person.prototype),实现了该原型对象的继承。

那么现在,关于proto和prototype的关系,我们可以得到这样的答案:

  • 每个对象都有proto属性来标识自己所继承的原型对象,但只有函数才有prototype属性;
  • 对于函数来说,每个函数都有一个prototype属性,该属性为该函数的原型对象;
  • 通过将实例对象的proto属性赋值为其构造函数的原型对象prototype,JavaScript 可以使用构造函数创建对象的方式,来实现继承。

所以一个对象可通过proto访问原型对象上的属性和方法,而该原型同样也可通过proto访问它的原型对象,这样我们就在实例和原型之间构造了一条原型链。红色线条所示:

通过原型链访问对象的方法和属性

当 JavaScript 试图访问一个对象的属性时,会基于原型链进行查找。查找的过程是这样的:

  1. 首先会优先在该对象上搜寻。如果找不到,还会依次层层向上搜索该对象的原型对象、该对象的原型对象的原型对象等(套娃告警);
  2. JavaScript 中的所有对象都来自Object,Object.prototype.proto === null。null没有原型,并作为这个原型链中的最后一个环节;
  3. JavaScript 会遍历访问对象的整个原型链,如果最终依然找不到,此时会认为该对象的属性值为undefined。

我们可以通过一个具体的例子,来表示基于原型链的对象属性的访问过程,在该例子中我们构建了一条对象的原型链,并进行属性值的访问:

var o = {a: 1, b: 2}; // 让我们假设我们有一个对象 o, 其有自己的属性 a  b:
o.__proto__ = {b: 3, c: 4}; // o 的原型 o.__proto__有属性 b  c:

当我们在获取属性值的时候,就会触发原型链的查找:

console.log(o.a); // o.a => 1
console.log(o.b); // o.b => 2
console.log(o.c); // o.c => o.__proto__.c => 4
console.log(o.d); // o.c => o.__proto__.d => o.__proto__.__proto__ == null => undefined

综上,整个原型链如下:

{a:1, b:2} —> {b:3, c:4} —> null, // 这就是原型链的末尾,即 null

可以看到,当我们对对象进行属性值的获取时,会触发该对象的原型链查找过程。

既然 JavaScript 中会通过遍历原型链来访问对象的属性,那么我们可以通过原型链的方式进行继承。

也就是说,可以通过原型链去访问原型对象上的属性和方法,我们不需要在创建对象的时候给该对象重新赋值/添加方法。比如,我们调用lily.toString()时,JavaScript 引擎会进行以下操作:

  1. 先检查lily对象是否具有可用的toString()方法;
  2. 如果没有,则“检查lily的原型对象(Person.prototype)是否具有可用的toString()方法;
  3. 如果也没有,则检查Person()构造函数的prototype属性所指向的对象的原型对象(即Object.prototype)是否具有可用的toString()方法,于是该方法被调用。

由于通过原型链进行属性的查找,需要层层遍历各个原型对象,此时可能会带来性能问题:

  1. 当试图访问不存在的属性时,会遍历整个原型链;
  2. 在原型链上查找属性比较耗时,对性能有副作用,这在性能要求苛刻的情况下很重要。

因此,我们在设计对象的时候,需要注意代码中原型链的长度。当原型链过长时,可以选择进行分解,来避免可能带来的性能问题。

其他方式实现继承

除了通过原型链的方式实现 JavaScript 继承,JavaScript 中实现继承的方式还包括经典继承(盗用构造函数)、组合继承、原型式继承、寄生式继承,等等。

  • 原型链继承方式中引用类型的属性被所有实例共享,无法做到实例私有;
  • 经典继承方式可以实现实例属性私有,但要求类型只能通过构造函数来定义;
  • 组合继承融合原型链继承和构造函数的优点,它的实现如下:
function Parent(name) {
  // 私有属性,不共享
  this.name = name;
}
// 需要复用、共享的方法定义在父类原型上
Parent.prototype.speak = function() {
  console.log("hello");
};
function Child(name) {
  Parent.call(this, name);
}
// 继承方法
Child.prototype = new Parent();

组合继承模式通过将共享属性定义在父类原型上、将私有属性通过构造函数赋值的方式,实现了按需共享对象和方法,是 JavaScript 中最常用的继承模式。

虽然在继承的实现方式上有很多种,但实际上都离不开原型对象和原型链的内容,因此掌握proto和prototype、对象的继承等这些知识,是我们实现各种继承方式的前提条件。

总结

关于 JavaScript 的原型和继承,常常会在我们面试题中出现。随着 ES6/ES7 等新语法糖的出现,可能更倾向于使用class/extends等语法来编写代码,原型继承等概念逐渐变淡。

其次JavaScript 的设计在本质上依然没有变化,依然是基于原型来实现继承的。如果不了解这些内容,可能在我们遇到一些超出自己认知范围的内容时,很容易束手无策。

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