深入 JavaScript 继承原理

ES6class语法糖你是否已经用得是否炉火纯青呢?那如果回归到ES5呢?本文,将继续上一篇 《万物皆空之 JavaScript 原型》 篇尾提出的疑问如何用 JavaScript 实现类的继承 来展开阐述:

通过本文,你将学到:

  1. 如何用JavaScript模拟类中的私有变量;
  2. 了解常见的几种JavaScript继承方法,原理及其优缺点;
  3. 实现一个较为fancyJavaScript继承方法。

此外,如果你完全明白了文末的终极版继承,你也就懂了这两篇所要讲的核心知识,同时,也能说明你拥有不错的JavaScript基础。

我们来回顾一下ES6 / TypeScript / ES5类的写法以作对比。首先,我们创建一个GithubUser类,它拥有一个login方法,和一个静态方法getPublicServices, 用于获取public的方法列表:

class GithubUser {
    static getPublicServices() {
        return ['login']
    }
    constructor(username, password) {
        this.username = username
        this.password = password
    }
    login() {
        console.log(this.username + '要登录Github,密码是' + this.password)
    }
}

实际上,ES6这个类的写法有一个弊病,实际上,密码password应该是Github用户一个私有变量,接下来,我们用TypeScript重写一下:

class GithubUser {
    static getPublicServices() {
        return ['login']
    }
    public username: string
    private password: string
    constructor(username, password) {
        this.username = username
        this.password = password
    }
    public login(): void {
        console.log(this.username + '要登录Github,密码是' + this.password)
    }
}

如此一来,password就只能在类的内部访问了。好了,问题来了,如果结合原型讲解那一文的知识,来用ES5实现这个类呢?just show you my code:

function GithubUser(username, password) {
    // private属性
    let _password = password 
    // public属性
    this.username = username 
    // public方法
    GithubUser.prototype.login = function () {
        console.log(this.username + '要登录Github,密码是' + _password)
    }
}
// 静态方法
GithubUser.getPublicServices = function () {
    return ['login']
}

值得注意的是,我们一般都会把共有方法放在类的原型上,而不会采用this.login = function() {}这种写法。因为只有这样,才能让多个实例引用同一个共有方法,从而避免重复创建方法的浪费。

是不是很直观!留下2个疑问:

  1. 如何实现private方法呢?
  2. 能否实现protected属性/方法呢?

继承

用掘金的用户都应该知道,我们可以选择直接使用 Github 登录,那么,结合上一节,我们如果创建了一个 JuejinUser 来继承 GithubUser,那么 JuejinUser 及其实例就可以调用 Githublogin 方法了。首先,先写出这个简单 JuejinUser 类:

function JuejinUser(username, password) {
    // TODO need implementation
    this.articles = 3 // 文章数量
    JuejinUser.prototype.readArticle = function () {
        console.log('Read article')
    }
}

由于ES6/TS的继承太过直观,本节将忽略。首先概述一下本文将要讲解的几种继承方法:

看起来很多,我们一一论述。

类式继承

因为我们已经得知:

若通过new Parent()创建了Child,则 Child.__proto__ = Parent.prototype,而原型链则是顺着__proto__依次向上查找。因此,可以通过修改子类的原型为父类的实例来实现继承。

第一直觉的实现如下:

function GithubUser(username, password) {
    let _password = password 
    this.username = username 
    GithubUser.prototype.login = function () {
        console.log(this.username + '要登录Github,密码是' + _password)
    }
}

function JuejinUser(username, password) {
    this.articles = 3 // 文章数量
    JuejinUser.prototype = new GithubUser(username, password)
    JuejinUser.prototype.readArticle = function () {
        console.log('Read article')
    }
}

const juejinUser1 = new JuejinUser('ulivz', 'xxx', 3)
console.log(juejinUser1)

在浏览器中查看原型链:

诶,不对啊,很明显 juejinUser1.__proto__ 并不是 GithubUser 的一个实例。

实际上,这是因为之前我们为了能够在类的方法中读取私有变量,将JuejinUser.prototype的重新赋值放在了构造函数中,而此时实例已经创建,其__proto__还还指向老的JuejinUser.prototype。所以,重新赋值一下实例的__proto__就可以解决这个问题:

function GithubUser(username, password) {
    let _password = password 
    this.username = username 
    GithubUser.prototype.login = function () {
        console.log(this.username + '要登录Github,密码是' + _password)
    }
}

function JuejinUser(username, password) {
    this.articles = 3 // 文章数量
    const prototype = new GithubUser(username, password)
    // JuejinUser.prototype = prototype // 这一行已经没有意义了
    prototype.readArticle = function () {
        console.log('Read article')
    }
    this.__proto__ = prototype
}

const juejinUser1 = new JuejinUser('ulivz', 'xxx', 3)
console.log(juejinUser1)

接着查看原型链:

Perfect!原型链已经出来,问题“好像”得到了完美解决!但实际上还是有明显的问题:

  1. 在原型链上创建了属性(一般来说,这不是一种好的实践)
  2. 私自篡改__proto__,导致 juejinUser1.__proto__ === JuejinUser.prototype 不成立!从而导致 juejinUser1 instanceof JuejinUser 也不成立😂。这不应该发生!

细心的同学会发现,造成这种问题的根本原因在于我们在实例化的时候动态修改了原型,那有没有一种方法可以在实例化之前就固定好类的原型的refernce呢?

事实上,我们可以考虑把类的原型的赋值挪出来:

function JuejinUser(username, password) {
    this.articles = 3 // 文章数量
}

// 此时构造函数还未运行,无法访问 username 和 password !!
JuejinUser.prototype =  new GithubUser() 

prototype.readArticle = function () {
    console.log('Read article')
}

但是这样做又有更明显的缺点:

  1. 父类过早地被创建,导致无法接受子类的动态参数;
  2. 仍然在原型上创建了属性,此时,多个子类的实例将共享同一个父类的属性,完蛋, 会互相影响!

举例说明缺点2

function GithubUser(username) {
    this.username = 'Unknown' 
}

function JuejinUser(username, password) {

}

JuejinUser.prototype =  new GithubUser() 
const juejinUser1 = new JuejinUser('ulivz', 'xxx', 3)
const juejinUser2 = new JuejinUser('egoist', 'xxx', 0)

//  这就是把属性定义在原型链上的致命缺点,你可以直接访问,但修改就是一件难事了!
console.log(juejinUser1.username) // 'Unknown'
juejinUser1.__proto__.username = 'U' 
console.log(juejinUser1.username) // 'U'

// 卧槽,无情地影响了另一个实例!!!
console.log(juejinUser2.username) // 'U'

由此可见,类式继承的两种方式缺陷太多!

构造函数式继承

通过 call() 来实现继承 (相应的, 你也可以用apply)。

function GithubUser(username, password) {
    let _password = password 
    this.username = username 
    GithubUser.prototype.login = function () {
        console.log(this.username + '要登录Github,密码是' + _password)
    }
}

function JuejinUser(username, password) {
    GithubUser.call(this, username, password)
    this.articles = 3 // 文章数量
}

const juejinUser1 = new JuejinUser('ulivz', 'xxx')
console.log(juejinUser1.username) // ulivz
console.log(juejinUser1.username) // xxx
console.log(juejinUser1.login()) // TypeError: juejinUser1.login is not a function

当然,如果继承真地如此简单,那么本文就没有存在的必要了,本继承方法也存在明显的缺陷—— 构造函数式继承并没有继承父类原型上的方法。

组合式继承

既然上述两种方法各有缺点,但是又各有所长,那么我们是否可以将其结合起来使用呢?没错,这种继承方式就叫做——组合式继承:

function GithubUser(username, password) {
    let _password = password 
    this.username = username 
    GithubUser.prototype.login = function () {
        console.log(this.username + '要登录Github,密码是' + _password)
    }
}

function JuejinUser(username, password) {
    GithubUser.call(this, username, password) // 第二次执行 GithubUser 的构造函数
    this.articles = 3 // 文章数量
}

JuejinUser.prototype = new GithubUser(); // 第二次执行 GithubUser 的构造函数
const juejinUser1 = new JuejinUser('ulivz', 'xxx')

虽然这种方式弥补了上述两种方式的一些缺陷,但有些问题仍然存在:

  1. 子类仍旧无法传递动态参数给父类!
  2. 父类的构造函数被调用了两次。

本方法很明显执行了两次父类的构造函数,因此,这也不是我们最终想要的继承方式。

原型继承

原型继承实际上是对类式继承的一种封装,只不过其独特之处在于,定义了一个干净的中间类,如下:

function createObject(o) {
    // 创建临时类
    function f() {
        
    }
    // 修改类的原型为o, 于是f的实例都将继承o上的方法
    f.prototype = o
    return new f()
}

熟悉ES5的同学,会注意到,这不就是 Object.create 吗?没错,你可以认为是如此。

既然只是类式继承的一种封装,其使用方式自然如下:

JuejinUser.prototype = createObject(GithubUser)

也就仍然没有解决类式继承的一些问题。

PS:我个人觉得原型继承类式继承应该直接归为一种继承!但无赖众多JavaScript书籍均是如此命名,算是follow legacy的标准吧。

寄生继承

寄生继承是依托于一个对象而生的一种继承方式,因此称之为寄生

const juejinUserSample = {
    username: 'ulivz',
    password: 'xxx'
}

function JuejinUser(obj) {
    var o = Object.create(obj)
     o.prototype.readArticle = function () {
        console.log('Read article')
    }
    return o;
}

var myComputer = new CreateComputer(computer);

由于实际生产中,继承一个单例对象的场景实在是太少,因此,我们仍然没有找到最佳的继承方法。

寄生组合式继承

看起来很玄乎,先上代码:

// 寄生组合式继承的核心方法
function inherit(child, parent) {
    // 继承父类的原型
    const p = Object.create(parent.prototype)
    // 重写子类的原型
    child.prototype = p
    // 重写被污染的子类的constructor
    p.constructor = child
}

// GithubUser, 父类
function GithubUser(username, password) {
    let _password = password 
    this.username = username 
}

GithubUser.prototype.login = function () {
    console.log(this.username + '要登录Github,密码是' + _password)
}

// GithubUser, 子类
function JuejinUser(username, password) {
    GithubUser.call(this, username, password) // 继承属性
    this.articles = 3 // 文章数量
}

// 实现原型上的方法
inherit(JuejinUser, GithubUser)

// 在原型上添加新方法
JuejinUser.prototype.readArticle = function () {
    console.log('Read article')
}

const juejinUser1 = new JuejinUser('ulivz', 'xxx')
console.log(juejinUser1)

来浏览器中查看结果:

简单说明一下:

  1. 子类继承了父类的属性和方法,同时,属性没有被创建在原型链上,因此多个子类不会共享同一个属性。
  2. 子类可以传递动态参数给父类!
  3. 父类的构造函数只执行了一次!

Nice!这才是我们想要的继承方法。然而,仍然存在一个美中不足的问题:

  • 子类想要在原型上添加方法,必须在继承之后添加,否则将覆盖掉原有原型上的方法。这样的话 若是已经存在的两个类,就不好办了。

所以,我们可以将其优化一下:

function inherit(child, parent) {
    // 继承父类的原型
    const parentPrototype = Object.create(parent.prototype)
    // 将父类原型和子类原型合并,并赋值给子类的原型
    child.prototype = Object.assign(parentPrototype, child.prototype)
    // 重写被污染的子类的constructor
    p.constructor = child
}

但实际上,使用Object.assign来进行copy仍然不是最好的方法,根据MDN的描述:

  • The Object.assign() method is used to copy the values of all enumerable own properties from one or more source objects to a target object. It will return the target object.

其中有个很关键的词:enumerable,这已经不是本节讨论的知识了,不熟悉的同学可以参考 MDN - Object.defineProperty 补习。简答来说,上述的继承方法只适用于copy原型链上可枚举的方法,此外,如果子类本身已经继承自某个类,以上的继承将不能满足要求。

终极版继承

为了让代码更清晰,我用ES6的一些API,写出了这个我所认为的最合理的继承方法:

  1. Reflect代替了Object
  2. Reflect.getPrototypeOf来代替ob.__ptoto__;
  3. Reflect.ownKeys来读取所有可枚举/不可枚举/Symbol的属性;
  4. Reflect.getOwnPropertyDescriptor读取属性描述符;
  5. Reflect.setPrototypeOf来设置__ptoto__

源代码如下:

/*!
 * fancy-inherit
 * (c) 2016-2018 ULIVZ
 */
 
// 不同于object.assign, 该 merge方法会复制所有的源键
// 不管键名是 Symbol 或字符串,也不管是否可枚举
function fancyShadowMerge(target, source) {
    for (const key of Reflect.ownKeys(source)) {
        Reflect.defineProperty(target, key, Reflect.getOwnPropertyDescriptor(source, key))
    }
    return target
}

// Core
function inherit(child, parent) {
    const objectPrototype = Object.prototype
    // 继承父类的原型
    const parentPrototype = Object.create(parent.prototype)
    let childPrototype = child.prototype
    // 若子类没有继承任何类,直接合并子类原型和父类原型上的所有方法
    // 包含可枚举/不可枚举的方法
    if (Reflect.getPrototypeOf(childPrototype) === objectPrototype) {
        child.prototype = fancyShadowMerge(parentPrototype, childPrototype)
    } else {
        // 若子类已经继承子某个类
        // 父类的原型将在子类原型链的尽头补全
        while (Reflect.getPrototypeOf(childPrototype) !== objectPrototype) {
			childPrototype = Reflect.getPrototypeOf(childPrototype)
        }
		Reflect.setPrototypeOf(childPrototype, parent.prototype)
    }
    // 重写被污染的子类的constructor
    parentPrototype.constructor = child
}

测试:

// GithubUser
function GithubUser(username, password) {
    let _password = password
    this.username = username
}

GithubUser.prototype.login = function () {
    console.log(this.username + '要登录Github,密码是' + _password)
}

// JuejinUser
function JuejinUser(username, password) {
    GithubUser.call(this, username, password)
    WeiboUser.call(this, username, password)
    this.articles = 3
}

JuejinUser.prototype.readArticle = function () {
    console.log('Read article')
}

// WeiboUser
function WeiboUser(username, password) {
    this.key = username + password
}

WeiboUser.prototype.compose = function () {
    console.log('compose')
}

// 先让 JuejinUser 继承 GithubUser,然后就可以用github登录掘金了
inherit(JuejinUser, GithubUser) 

// 再让 JuejinUser 继承 WeiboUser,然后就可以用weibo登录掘金了
inherit(JuejinUser, WeiboUser)  

const juejinUser1 = new JuejinUser('ulivz', 'xxx')

console.log(juejinUser1)

console.log(juejinUser1 instanceof GithubUser) // true
console.log(juejinUser1 instanceof WeiboUser) // true

最后用一个问题来检验你对本文的理解:

  • 改写上述继承方法,让其支持inherit(A, B, C ...), 实现类A依次继承后面所有的类,但除了A以外的类不产生继承关系。

总结

  1. 我们可以使用function来模拟一个类;
  2. JavaScript类的继承是基于原型的, 一个完善的继承方法,其继承过程是相当复杂的;
  3. 虽然建议实际生产中直接使用ES6的继承,但仍建议深入了解内部继承机制。

题外话

最后放一个彩蛋,为什么我会在寄生组合式继承中尤其强调enumerable这个属性描述符呢,因为:

  • 在ES6中,默认所有类的方法是不可枚举的!😅 可参考 #15

以上,全文终)谢谢阅读!