Javascript prototype理解

1 什麼是prototype
JavaScript中對象的prototype屬性，可以返回物件類型原型的引用。這是一個相當拗口的解釋，要理解它，先要正確理解物件類型(Type)以及原型(prototype)的概念。
前面我們說，對象的類（Class）和對象執行個體（Instance）之間是一種“建立”關係，因此我們把“類”看作是對象特徵的模型化，而對象看作是類特徵的具體化，或者說，類(Class)是對象的一個類型(Type)。例如，在前面的例子中，p1和p2的類型都是Point，在JavaScript中，通過instanceof運算子可以驗證這一點：
p1 instanceof Point
p2 instanceof Point
但是，Point不是p1和p2的唯一類型，因為p1和p2都是對象，所以Obejct也是它們的類型，因為Object是比Point更加泛化的類，所以我們說，Obejct和Point之間有一種衍生關係，在後面我們會知道，這種關係被叫做“繼承”，它也是對象之間泛化關係的一個特例，是物件導向中不可缺少的一種基本關係。
在物件導向領域裡，執行個體與類型不是唯一的一對可描述的抽象關係，在JavaScript中，另外一種重要的抽象關係是類型(Type)與原型(prototype)。這種關係是一種更高層次的抽象關係，它恰好和類型與執行個體的抽象關係構成了一個三層的鏈。
在現實生活中，我們常常說，某個東西是以另一個東西為原型創作的。這兩個東西可以是同一個類型，也可以是不同類型。習語“依葫蘆畫瓢”，這裡的葫蘆就是原型，而瓢就是類型，用JavaScript的prototype來表示就是“瓢.prototype =某個葫蘆”或者“瓢.prototype= new 葫蘆()”。
要深入理解原型，可以研究關於它的一種設計模式——prototype pattern，這種模式的核心是用原型執行個體指定建立對象的種類，並且通過拷貝這些原型建立新的對象。JavaScript的prototype就類似於這種方式。
關於prototype pattern的詳細內容可以參考《設計模式》（《Design Patterns》）它不是本文討論的範圍。
注意，同類型與執行個體的關係不同的是，原型與類型的關係要求一個類型在一個時刻只能有一個原型（而一個執行個體在一個時刻顯然可以有多個類型）。對於JavaScript來說，這個限制有兩層含義，第一是每個具體的JavaScript類型有且僅有一個原型（prototype），在預設的情況下，這個原型是一個Object對象（注意不是Object類型！）。第二是，這個對象所屬的類型，必須是滿足原型關係的類型鏈。例如p1所屬的類型是Point和Object，而一個Object對象是Point的原型。假如有一個對象，它所屬的類型分別為ClassA、ClassB、ClassC和Object，那麼必須滿足這四個類構成某種完整的原型鏈。
有意思的是，JavaScript並沒有規定一個類型的原型的類型（這又是一段非常拗口的話），因此它可以是任何類型，通常是某種對象，這樣，對象-類型-原形（對象）就可能構成一個環狀結構，或者其它有意思的拓撲結構，這些結構為JavaScript帶來了五花八門的用法，其中的一些用法不但巧妙而且充滿美感。下面的一節主要介紹prototype的用法。

2 prototype提示
在瞭解prototype的提示之前，首要先弄明白prototype的特性。首先，JavaScript為每一個類型(Type)都提供了一個prototype屬性，將這個屬性指向一個對象，這個對象就成為了這個類型的“原型”，這意味著由這個類型所建立的所有對象都具有這個原型的特性。另外，JavaScript的對象是動態，原型也不例外，給prototype增加或者減少屬性，將改變這個類型的原型，這種改變將直接作用到由這個原型建立的所有對象上，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 = 0; //動態為Point的原型添加了屬性
    alert(p1.z);
    alert(p2.z);  //同時作用於Point類型建立的所有對象
</script>

如果給某個對象的類型的原型添加了某個名為a的屬性，而這個對象本身又有一個名為a的同名屬性，則在訪問這個對象的屬性a時，對象本身的屬性“覆蓋”了原型屬性，但是原型屬性並沒有消失，當你用delete運算子將對象本身的屬性a刪除時，對象的原型屬性就恢複了可見度。利用這個特性，可以為對象的屬性設定預設值，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>
上面的例子通過prototype為Point對象設定了預設值(0,0)，因此p1的值為(0,0)，p2的值為(1,2)，通過delete p2.x, delete p2.y; 可以將p2的值恢複為(0,0)。下面是一個更有意思的例子：
<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();   //調用reset方法將a的值恢複為預設值
alert(a.a);
alert(a.b);
alert(a.c);
</script>

利用prototype還可以為對象的屬性設定一個唯讀getter，從而避免它被改寫。下面是一個例子：
<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)
{
    //私人成員
    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;  //不小心改寫了lp的值，破壞了lp的原始值而且不可恢複
alert(line1.getFirstPoint().x);
alert(line1.length); //就連line1.lenght都發生了改變
</script>

 

將this.getFirstPoint()改寫為下面這個樣子：
this.getFirstPoint = function()
{
function GETTER(){};
GETTER.prototype = m_firstPoint;
return new GETTER();
}
則可以避免這個問題，保證了m_firstPoint屬性的唯讀性。

<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)
{
    //私人成員
    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;  //不小心改寫了lp的值，但是沒有破壞原始的值
alert(line1.getFirstPoint().x);
alert(line1.length); //line1.lenght不發生改變
</script>

實際上，將一個對象設定為一個類型的原型，相當於通過執行個體化這個類型，為對象建立唯讀副本，在任何時候對副本進行改變，都不會影響到原始對象，而對原始對象進行改變，則會影響到副本，除非被改變的屬性已經被副本自己的同名屬性覆蓋。用delete操作將對象自己的同名屬性刪除，則可以恢複原型屬性的可見度。下面再舉一個例子：

<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; //不小心寫了它的值
alert(p.getPoint(0).x);  //不會影響到實際的私人成員
delete p.firstPoint.x; //恢複
alert(p.firstPoint.x);

p.setPoint(0, {x:3,y:4}); //通過setter改寫了實際的私人成員
alert(p.firstPoint.x);  //getter的值發生了改變
alert(p.getPoint(0).x);
</script>

注意，以上的例子說明了用prototype可以快速建立對象的多個副本，一般情況下，利用prototype來大量的建立複雜物件，要比用其他任何方法來copy對象快得多。注意到，用一個對象為原型，來建立大量的新對象，這正是prototype pattern的本質。
下面是一個例子：

<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(); 
        //由於PointPrototype的建構函式是空函數，因此它的構造要比直接構造//p1副本快得多。
}
</script>

 

除了上面所說的這些提示之外，prototype因為它獨特的特性，還有其它一些用途，被用作最廣泛和最廣為人知的可能是用它來類比繼承，關於這一點，留待下一節中去討論。
3 prototype的實質
上面已經說了prototype的作用，現在我們來透過規律揭示prototype的實質。
我們說，prototype的行為類似於C++中的靜態域，將一個屬性添加為prototype的屬性，這個屬性將被該類型建立的所有執行個體所共用，但是這種共用是唯讀。在任何一個執行個體中只能夠用自己的同名屬性覆蓋這個屬性，而不能夠改變它。換句話說，對象在讀取某個屬性時，總是先檢查自身域的屬性工作表，如果有這個屬性，則會返回這個屬性，否則就去讀取prototype域，返回protoype域上的屬性。另外，JavaScript允許protoype域引用任何類型的對象，因此，如果對protoype域的讀取依然沒有找到這個屬性，則JavaScript將遞迴地尋找prototype域所指向對象的prototype域，直到這個對象的prototype域為它本身或者出現迴圈為止，我們可以用下面的圖來描述prototype與對象執行個體之間的關係：
//TODO:
4 prototype的價值與局限性
從上面的分析我們理解了prototype，通過它能夠以一個對象為原型，安全地建立大量的執行個體，這就是prototype的真正含義，也是它的價值所在。後面我們會看到，利用prototype的這個特性，可以用來類比對象的繼承，但是要知道，prototype用來類比繼承儘管也是它的一個重要價值，但是絕對不是它的核心，換句話說，JavaScript之所以支援prototype，絕對不是僅僅用來實現它的對象繼承，即使沒有了prototype繼承，JavaScript的prototype機制依然是非常有用的。
由於prototype僅僅是以對象為原型給類型構建副本，因此它也具有很大的局限性。首先，它在類型的prototype域上並不是表現為一種值拷貝，而是一種引用拷貝，這帶來了“副作用”。改變某個原型上參考型別的屬性的屬性值（又是一個相當拗口的解釋:P），將會徹底影響到這個類型建立的每一個執行個體。有的時候這正是我們需要的（比如某一類所有對象的改變預設值），但有的時候這也是我們所不希望的（比如在類繼承的時候），下面給出了一個例子：

<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的執行個體中的a成員全都變了！！這並不是這個例子所希望看到的。
</script>