Prototype的深度探索

http://www.cnblogs.com/meil/archive/2007/06/06/773645.html 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，下图描述了这种关系：
        //TODO:

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，例如：
        //TODO:

下面这个图描述了JavaScript中对象、类型和原型三者的关系：
        //TODO:

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：
<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 = 0999; //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：
<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：
<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：
<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：
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。
<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：
<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：
<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：
<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>

源：http://bbs.51js.com/thread-67217-1-1.htm