JS 面向对象之神奇的prototype

JavaScript中对象的prototype属性，可以返回对象类型原型的引用。这是一个相当拗口的解释，要理解它，先要正确理解对象类型(Type)以及原型(prototype)的概念。
1 什么是prototype
JavaScript中对象的prototype属性，可以返回对象类型原型的引用。这是一个相当拗口的解释，要理解它，先要正确理解对象类型(Type)以及原型(prototype)的概念。
前面我们说，对象的类（Class）和对象实例（Instance）之间是一种“创建”关系，因此我们把“类”看作是对象特征的模型化，而对象看作是类特征的具体化，或者说，类(Class)是对象的一个类型(Type)。例如，在前面的例子中，p1和p2的类型都是Point，在JavaScript中，通过instanceof运算符可以验证这一点：
p1 instanceof Point
p2 instanceof Point
但是，Point不是p1和p2的唯一类型，因为p1和p2都是对象，所以Obejct也是它们的类型，因为Object是比Point更加泛化的类，所以我们说，Obejct和Point之间有一种衍生关系，在后面我们会知道，这种关系被叫做“继承”，它也是对象之间泛化关系的一个特例，是面向对象中不可缺少的一种基本关系。
在面向对象领域里，实例与类型不是唯一的一对可描述的抽象关系，在JavaScript中，另外一种重要的抽象关系是类型(Type)与原型(prototype)。这种关系是一种更高层次的抽象关系，它恰好和类型与实例的抽象关系构成了一个三层的链。
在现实生活中，我们常常说，某个东西是以另一个东西为原型创作的。这两个东西可以是同一个类型，也可以是不同类型。习语“依葫芦画瓢”，这里的葫芦就是原型，而瓢就是类型，用JavaScript的prototype来表示就是“瓢.prototype =某个葫芦”或者“瓢.prototype= new 葫芦()”。
要深入理解原型，可以研究关于它的一种设计模式——prototype pattern，这种模式的核心是用原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型创建新的对象。JavaScript的prototype就类似于这种方式。
关于prototype pattern的详细内容可以参考《设计模式》（《Design Patterns》）它不是本文讨论的范围。
注意，同类型与实例的关系不同的是，原型与类型的关系要求一个类型在一个时刻只能有一个原型（而一个实例在一个时刻显然可以有多个类型）。对于JavaScript来说，这个限制有两层含义，第一是每个具体的JavaScript类型有且仅有一个原型（prototype），在默认的情况下，这个原型是一个Object对象（注意不是Object类型！）。第二是，这个对象所属的类型，必须是满足原型关系的类型链。例如p1所属的类型是Point和Object，而一个Object对象是Point的原型。假如有一个对象，它所属的类型分别为ClassA、ClassB、ClassC和Object，那么必须满足这四个类构成某种完整的原型链。
有意思的是，JavaScript并没有规定一个类型的原型的类型（这又是一段非常拗口的话），因此它可以是任何类型，通常是某种对象，这样，对象-类型-原形（对象）就可能构成一个环状结构，或者其它有意思的拓扑结构，这些结构为JavaScript带来了五花八门的用法，其中的一些用法不但巧妙而且充满美感。下面的一节主要介绍prototype的用法。

2 prototype使用技巧
在了解prototype的使用技巧之前，首要先弄明白prototype的特性。首先，JavaScript为每一个类型(Type)都提供了一个prototype属性，将这个属性指向一个对象，这个对象就成为了这个类型的“原型”，这意味着由这个类型所创建的所有对象都具有这个原型的特性。另外，JavaScript的对象是动态的，原型也不例外，给prototype增加或者减少属性，将改变这个类型的原型，这种改变将直接作用到由这个原型创建的所有对象上，例如：


代码如下:

<script>
function Point(x,y)
{
this.x = x;
this.y = y;
}
var p1 = new Point(1,2);
var p2 = new Point(3,4);
Point.prototype.z = 0; //动态为Point的原型添加了属性
alert(p1.z);
alert(p2.z); //同时作用于Point类型创建的所有对象
</script>

如果给某个对象的类型的原型添加了某个名为a的属性，而这个对象本身又有一个名为a的同名属性，则在访问这个对象的属性a时，对象本身的属性“覆盖”了原型属性，但是原型属性并没有消失，当你用delete运算符将对象本身的属性a删除时，对象的原型属性就恢复了可见性。利用这个特性，可以为对象的属性设定默认值，例如：


代码如下:

<script>
function Point(x, y)
{
if(x) this.x = x;
if(y) this.y = y;
}
Point.prototype.x = 0;
Point.prototype.y = 0;
var p1 = new Point;
var p2 = new Point(1,2);
</script>

上面的例子通过prototype为Point对象设定了默认值(0,0)，因此p1的值为(0,0)，p2的值为(1,2)，通过delete p2.x, delete p2.y; 可以将p2的值恢复为(0,0)。下面是一个更有意思的例子：


代码如下:

<script>
function classA()
{
this.a = 100;
this.b = 200;
this.c = 300;

this.reset = function()
{
for(var each in this)
{
delete this[each];
}
}
}
classA.prototype = new classA();

var a = new classA();
alert(a.a);
a.a *= 2;
a.b *= 2;
a.c *= 2;
alert(a.a);
alert(a.b);
alert(a.c);
a.reset(); //调用reset方法将a的值恢复为默认值
alert(a.a);
alert(a.b);
alert(a.c);
</script>

利用prototype还可以为对象的属性设置一个只读的getter，从而避免它被改写。下面是一个例子：


代码如下:

<script>
function Point(x, y)
{
if(x) this.x = x;
if(y) this.y = y;
}
Point.prototype.x = 0;
Point.prototype.y = 0;

function LineSegment(p1, p2)
{
//私有成员
var m_firstPoint = p1;
var m_lastPoint = p2;
var m_width = {
valueOf : function(){return Math.abs(p1.x - p2.x)},
toString : function(){return Math.abs(p1.x - p2.x)}
}
var m_height = {
valueOf : function(){return Math.abs(p1.y - p2.y)},
toString : function(){return Math.abs(p1.y - p2.y)}
}
//getter
this.getFirstPoint = function()
{
return m_firstPoint;
}
this.getLastPoint = function()
{
return m_lastPoint;
}

this.length = {
valueOf : function(){return Math.sqrt(m_width*m_width + m_height*m_height)},
toString : function(){return Math.sqrt(m_width*m_width + m_height*m_height)}
}
}
var p1 = new Point;
var p2 = new Point(2,3);
var line1 = new LineSegment(p1, p2);
var lp = line1.getFirstPoint();
lp.x = 100; //不小心改写了lp的值，破坏了lp的原始值而且不可恢复
alert(line1.getFirstPoint().x);
alert(line1.length); //就连line1.lenght都发生了改变
</script>

将this.getFirstPoint()改写为下面这个样子：


代码如下:

this.getFirstPoint = function()
{
function GETTER(){};
GETTER.prototype = m_firstPoint;
return new GETTER();
}

则可以避免这个问题，保证了m_firstPoint属性的只读性。


代码如下:

<script>
function Point(x, y)
{
if(x) this.x = x;
if(y) this.y = y;
}
Point.prototype.x = 0;
Point.prototype.y = 0;

function LineSegment(p1, p2)
{
//私有成员
var m_firstPoint = p1;
var m_lastPoint = p2;
var m_width = {
valueOf : function(){return Math.abs(p1.x - p2.x)},
toString : function(){return Math.abs(p1.x - p2.x)}
}
var m_height = {
valueOf : function(){return Math.abs(p1.y - p2.y)},
toString : function(){return Math.abs(p1.y - p2.y)}
}
//getter
this.getFirstPoint = function()
{
function GETTER(){};
GETTER.prototype = m_firstPoint;
return new GETTER();
}
this.getLastPoint = function()
{
function GETTER(){};
GETTER.prototype = m_lastPoint;
return new GETTER();
}

this.length = {
valueOf : function(){return Math.sqrt(m_width*m_width + m_height*m_height)},
toString : function(){return Math.sqrt(m_width*m_width + m_height*m_height)}
}
}
var p1 = new Point;
var p2 = new Point(2,3);
var line1 = new LineSegment(p1, p2);
var lp = line1.getFirstPoint();
lp.x = 100; //不小心改写了lp的值，但是没有破坏原始的值
alert(line1.getFirstPoint().x);
alert(line1.length); //line1.lenght不发生改变
</script>

实际上，将一个对象设置为一个类型的原型，相当于通过实例化这个类型，为对象建立只读副本，在任何时候对副本进行改变，都不会影响到原始对象，而对原始对象进行改变，则会影响到副本，除非被改变的属性已经被副本自己的同名属性覆盖。用delete操作将对象自己的同名属性删除，则可以恢复原型属性的可见性。下面再举一个例子：


代码如下:

<script>
function Polygon()
{
var m_points = [];

m_points = Array.apply(m_points, arguments);

function GETTER(){};
GETTER.prototype = m_points[0];
this.firstPoint = new GETTER();

this.length = {
valueOf : function(){return m_points.length},
toString : function(){return m_points.length}
}

this.add = function(){
m_points.push.apply(m_points, arguments);
}

this.getPoint = function(idx)
{
return m_points[idx];
}

this.setPoint = function(idx, point)
{
if(m_points[idx] == null)
{
m_points[idx] = point;
}
else
{
m_points[idx].x = point.x;
m_points[idx].y = point.y;
}
}
}
var p = new Polygon({x:1, y:2},{x:2, y:4},{x:2, y:6});
alert(p.length);
alert(p.firstPoint.x);
alert(p.firstPoint.y);
p.firstPoint.x = 100; //不小心写了它的值
alert(p.getPoint(0).x); //不会影响到实际的私有成员
delete p.firstPoint.x; //恢复
alert(p.firstPoint.x);

p.setPoint(0, {x:3,y:4}); //通过setter改写了实际的私有成员
alert(p.firstPoint.x); //getter的值发生了改变
alert(p.getPoint(0).x);
</script>

注意，以上的例子说明了用prototype可以快速创建对象的多个副本，一般情况下，利用prototype来大量的创建复杂对象，要比用其他任何方法来copy对象快得多。注意到，用一个对象为原型，来创建大量的新对象，这正是prototype pattern的本质。
下面是一个例子：


代码如下:

<script>
var p1 = new Point(1,2);
var points = [];
var PointPrototype = function(){};
PointPrototype.prototype = p1;
for(var i = 0; i < 10000; i++)
{
points[i] = new PointPrototype();
//由于PointPrototype的构造函数是空函数，因此它的构造要比直接构造//p1副本快得多。
}
</script>

除了上面所说的这些使用技巧之外，prototype因为它独特的特性，还有其它一些用途，被用作最广泛和最广为人知的可能是用它来模拟继承，关于这一点，留待下一节中去讨论。
3 prototype的实质
上面已经说了prototype的作用，现在我们来透过规律揭示prototype的实质。
我们说，prototype的行为类似于C++中的静态域，将一个属性添加为prototype的属性，这个属性将被该类型创建的所有实例所共享，但是这种共享是只读的。在任何一个实例中只能够用自己的同名属性覆盖这个属性，而不能够改变它。换句话说，对象在读取某个属性时，总是先检查自身域的属性表，如果有这个属性，则会返回这个属性，否则就去读取prototype域，返回protoype域上的属性。另外，JavaScript允许protoype域引用任何类型的对象，因此，如果对protoype域的读取依然没有找到这个属性，则JavaScript将递归地查找prototype域所指向对象的prototype域，直到这个对象的prototype域为它本身或者出现循环为止，我们可以用下面的图来描述prototype与对象实例之间的关系：
//TODO:
4 prototype的价值与局限性
从上面的分析我们理解了prototype，通过它能够以一个对象为原型，安全地创建大量的实例，这就是prototype的真正含义，也是它的价值所在。后面我们会看到，利用prototype的这个特性，可以用来模拟对象的继承，但是要知道，prototype用来模拟继承尽管也是它的一个重要价值，但是绝对不是它的核心，换句话说，JavaScript之所以支持prototype，绝对不是仅仅用来实现它的对象继承，即使没有了prototype继承，JavaScript的prototype机制依然是非常有用的。
由于prototype仅仅是以对象为原型给类型构建副本，因此它也具有很大的局限性。首先，它在类型的prototype域上并不是表现为一种值拷贝，而是一种引用拷贝，这带来了“副作用”。改变某个原型上引用类型的属性的属性值（又是一个相当拗口的解释:P），将会彻底影响到这个类型创建的每一个实例。有的时候这正是我们需要的（比如某一类所有对象的改变默认值），但有的时候这也是我们所不希望的（比如在类继承的时候），下面给出了一个例子：


代码如下:

<script>
function ClassA()
{
this.a=[];
}
function ClassB()
{
this.b=function(){};
}
ClassB.prototype=new ClassA();
var objB1=new ClassB();
var objB2=new ClassB();
objB1.a.push(1,2,3);
alert(objB2.a);
//所有b的实例中的a成员全都变了！！这并不是这个例子所希望看到的。
</script>

JavaScript实现：
在Java语言中对象都继承自java.lang.Object，而java.lang.Object就提供了Clone的方法，只要实现接口Cloneable，即表示支持Clone，否则抛出异常。在这点JavaScript是非常接近的，所有的对象都是从Object继承，不过Object并不支持Clone的方法，但是我们可以通过自己对于JavaScript通过expanddo的形式实现Clone方法，这样日后所有的对象创建都实现了Clone方法。
因为JavaScript本身没有提供Clone的方法，同时对于对象的赋值如var a=new Object();var b=a，这样的代码a,b是指向同一对象的，要创建一个对象必须通过new这个关键字来实现，因此在Clone的实现过程，我内部定义了一个构造子(constructor)CloneModel，同时指定其父对象为要进行Clone活动本身的对象，因此使用了this关键字，在我们定义的构造子CloneModel的基础上我们创建一个一个对象，因为构造子内部没有任何代码，新创建的对象实际上说所有的实现都在父对象中，也就是我们需要进行Clone的对象。到目前为止，我们已经创建了一个需要复制的对象，但是所有的值都是指向父对象的。
在 JavaScript的面向对象方式中 ，我们曾经讨论过，如果没有覆盖父对象的值，那么这个时候是直接指向父对象的，在Prototype Pattern是要求Clone之后的对象的内部值是不应该相关的，而只要赋值一次，objClone的值都会在自己的内存空间里头，而不是还指向父对象。基于如此的考虑，objClone[v]=objClone[v];语句就是实现将父对象的值通过覆盖的方式拷贝到自己的内存来。

21.2.1 什么是 prototype
JavaScript 中对象的 prototype 属性，可以返回对象类型原型的引用。这是一个相当拗口的解释，要理解它，先要正确理解对象类型（Type）以及原型（prototype）的概念。 前面我们说，对象的类（Class）和对象实例（Instance）之间是一种“创建”关系，因此我们把“类”看作是对象特征的模型化，而对象看作是类特征的具体化，或者说，类（Class）是对象的一个类型（Type）。例如，在前面的例子中，p1 和p2 的类型都是 Point，在 JavaScript 中，通过instanceof运算符可以验证这一点： p1 instanceof Point p2 instanceof Point 但是，Point 不是 p1 和 p2 的唯一类型，因为 p1 和 p2 都是对象，所以 Obejct 也是它们的类型，因为Object 是比 Point 更加泛化的类，所以我们说，Obejct和 Point之间有一种衍生关系，在后面我们会知道，这种关系被叫做“继承”，它也是对象之间泛化关系的一个特例，是面向对象中不可缺少的一种基本关系。 在面向对象领域里，实例与类型不是唯一的一对可描述的抽象关系，在 JavaScript 中，另外一种重要的抽象关系是类型（Type）与原型（prototype）。这种关系是一种更高层次的抽象关系，它恰好和类型与实例的抽象关系构成了一个三层的链，

图 21.2 描述了这种关系：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图 21.2 对象、类型与原型的关系
在现实生活中，我们常常说，某个东西是以另一个东西为原型创作的。这两个东西可以是同一个类型，也可以是不同类型。习语“照猫画虎”，这里的猫就是原型，而虎就是类型，用 JavaScript的 prototype 来表示就是“虎.prototype =某只猫”或者“虎.prototype= new 猫()”。 “原型”是描述自然界事物之间“归类”关系的一种，另外几种关系包括“继承”和“接口”。一般来说，“继承”描述的是事物之间固有的衍生关系，能被“继承”所描述的事物之间具有很强的关联性（血缘）。“接口”描述的是事物功用方面的共同特征。而“原型”则倾向于描述事物之间的“相似性”。从这一点来看，“原型”在描述事物关联性的方面，比继承和接口更加广义。 如果你是 Java 程序员，上面的例子从继承的角度来考虑，当然不可能用“猫”去继承“虎”，也不可能用“虎”去继承“猫”，要描述它们的关系，需要建立一个涵盖了它们共性的“抽象类”，或者你会叫它“猫科动物”。可是，如果我的系统中只需要用到“猫”和“老虎”，那么这个多余的“猫科动物”对于我来说没有任何意义，我只需要表达的是，“老虎”有点像“猫”，仅此而已。在这里，用原型帮我们成功地节省了一个没有必要建立的类型“猫科动物”。 要深入理解原型，可以研究关于它的一种设计模式——prototype pattern，这种模式的核心是用原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型创建新的对象。JavaScript 的 prototype 就类似于这种方式。 关于 prototype pattern的详细内容可以参考《设计模式》（《Design Patterns》）它不是本书讨论的范围。 注意，原型模式要求一个类型在一个时刻只能有一个原型（而一个实例在一个时刻显然可以有多个类型）。对于 JavaScript 来说，这个限制有两层含义，第一是每个具体的 JavaScript 类型有且仅有一个原型（prototype），在默认的情况下，该原型是一个 Object 对象（注意不是 Object 类型！）。第二是，这个类型的实例的所有类型，必须是满足原型关系的类型链。例如 p1 所属的类型是 Point 和 Object，而一个 Object对象是 Point 的原型。假如有一个对象，它所属的类型分别为 ClassA、ClassB、ClassC 和 Object，那么必须满足这四个类构成某种完整的原型链，例如：
例 21.4 原型关系的类型链
function ClassA()
{
……
}
ClassA.prototype = new Object(); //这个可以省略
function ClassB()
{
……
}
ClassB.prototype = new ClassA(); //ClassB以 ClassA的对象为原型
function ClassC()
{
　　 ……
}
ClassC.prototype = new ClassB(); //ClassC以 ClassB的对象为原型
var obj = new ClassC();
alert(obj instanceof ClassC); //true
alert(obj instanceof ClassB); //true
alert(obj instanceof ClassA); //true
alert(obj instanceof Object); //true

图 21.3 简单描述了它们之间的关系：
图 21.3 原型关系的类型链
有意思的是，JavaScript并没有规定一个类型的原型的类型（这又是一段非常拗口的话），因此它可以是任何类型，通常是某种对象，这样，对象-类型-原形（对象）就可能构成一个环状结构，或者其它有意思的拓扑结构，这些结构为 JavaScript 带来了五花八门的用法，其中的一些用法不但巧妙而且充满美感。下面的一节主要介绍 prototype 的用法。 <