Odkrywanie łańcucha prototypów JavaScript: Wzorce dziedziczenia i tworzenie obiektów

JavaScript, u swojej podstawy, jest dynamicznym i wszechstronnym językiem, który napędza Internet od dziesięcioleci. Podczas gdy wielu programistów zna jego aspekty funkcjonalne i nowoczesną składnię wprowadzoną w ECMAScript 6 (ES6) i nowszych, zrozumienie jego podstawowych mechanizmów jest kluczowe dla prawdziwego opanowania języka. Jednym z najbardziej fundamentalnych, a jednocześnie często niezrozumiałych koncepcji jest łańcuch prototypów. Ten post ma na celu objaśnienie łańcucha prototypów, zbadanie, w jaki sposób ułatwia on tworzenie obiektów i umożliwia różne wzorce dziedziczenia, zapewniając globalną perspektywę dla programistów na całym świecie.

Podstawa: Obiekty i właściwości w JavaScript

Zanim zagłębimy się w łańcuch prototypów, ustalmy podstawowe zrozumienie, jak działają obiekty w JavaScript. W JavaScript prawie wszystko jest obiektem. Obiekty to kolekcje par klucz-wartość, gdzie klucze są nazwami właściwości (zwykle ciągami znaków lub Symbolami), a wartości mogą być dowolnym typem danych, w tym innymi obiektami, funkcjami lub wartościami prostymi.

Rozważmy prosty obiekt:

            const person = {
  name: "Alice",
  age: 30,
  greet: function() {
    console.log(`Hello, my name is ${this.name}.`);
  }
};

console.log(person.name); // Output: Alice
person.greet();        // Output: Hello, my name is Alice.

            

              
                Copy
              
            
          

Gdy uzyskujesz dostęp do właściwości obiektu, takiej jak person.name, JavaScript najpierw szuka tej właściwości bezpośrednio w samym obiekcie. Jeśli jej nie znajdzie, nie przestaje tam. W tym momencie wkracza łańcuch prototypów.

Czym jest Prototyp?

Każdy obiekt JavaScript ma wewnętrzną właściwość, często określaną jako [[Prototype]], która wskazuje na inny obiekt. Ten inny obiekt nazywa się prototypem oryginalnego obiektu. Kiedy próbujesz uzyskać dostęp do właściwości w obiekcie, a ta właściwość nie znajduje się bezpośrednio w obiekcie, JavaScript szuka jej w prototypie obiektu. Jeśli tam się jej nie znajdzie, szuka w prototypie prototypu i tak dalej, tworząc łańcuch.

Ten łańcuch trwa, dopóki JavaScript nie znajdzie właściwości lub nie dotrze do końca łańcucha, którym jest zazwyczaj Object.prototype, którego [[Prototype]] ma wartość null. Ten mechanizm jest znany jako dziedziczenie prototypowe.

Uzyskiwanie dostępu do prototypu

Chociaż [[Prototype]] jest wewnętrznym slotem, istnieją dwa główne sposoby interakcji z prototypem obiektu:

• Object.getPrototypeOf(obj): Jest to standardowy i zalecany sposób uzyskiwania prototypu obiektu.
• obj.__proto__: Jest to przestarzała, ale szeroko obsługiwana niestandardowa właściwość, która również zwraca prototyp. Ogólnie zaleca się używanie Object.getPrototypeOf() dla lepszej kompatybilności i zgodności ze standardami.

const person = {
  name: "Alice"
};

const personPrototype = Object.getPrototypeOf(person);
console.log(personPrototype === Object.prototype); // Output: true

// Using the deprecated __proto__
console.log(person.__proto__ === Object.prototype); // Output: true

Łańcuch Prototypów w Akcji

Łańcuch prototypów jest zasadniczo listą połączonych obiektów. Gdy próbujesz uzyskać dostęp do właściwości (pobierz, ustaw lub usuń), JavaScript przechodzi przez ten łańcuch:

1. JavaScript sprawdza, czy właściwość istnieje bezpośrednio w samym obiekcie.
2. Jeśli nie zostanie znaleziona, sprawdza prototyp obiektu (obj.[[Prototype]]).
3. Jeśli nadal nie zostanie znaleziona, sprawdza prototyp prototypu i tak dalej.
4. Trwa to do momentu znalezienia właściwości lub zakończenia łańcucha na obiekcie, którego prototyp ma wartość null (zwykle Object.prototype).

Zilustrujmy to przykładem. Wyobraźmy sobie, że mamy bazową funkcję konstruktora `Animal`, a następnie funkcję konstruktora `Dog`, która dziedziczy po `Animal`.

// Constructor function for Animal
function Animal(name) {
  this.name = name;
}

Animal.prototype.speak = function() {
  console.log(`${this.name} makes a sound.`);
};

// Constructor function for Dog
function Dog(name, breed) {
  Animal.call(this, name); // Call the parent constructor
  this.breed = breed;
}

// Setting up the prototype chain: Dog.prototype inherits from Animal.prototype
Dog.prototype = Object.create(Animal.prototype);
Dog.prototype.constructor = Dog; // Correct the constructor property

Dog.prototype.bark = function() {
  console.log(`Woof! My name is ${this.name} and I'm a ${this.breed}.`);
};

const myDog = new Dog("Buddy", "Golden Retriever");

console.log(myDog.name);     // Output: Buddy (found on myDog)
myDog.speak();    // Output: Buddy makes a sound. (found on Dog.prototype via Animal.prototype)
myDog.bark();     // Output: Woof! My name is Buddy and I'm a Golden Retriever. (found on Dog.prototype)

console.log(Object.getPrototypeOf(myDog) === Dog.prototype); // Output: true
console.log(Object.getPrototypeOf(Dog.prototype) === Animal.prototype); // Output: true
console.log(Object.getPrototypeOf(Animal.prototype) === Object.prototype); // Output: true
console.log(Object.getPrototypeOf(Object.prototype) === null); // Output: true

W tym przykładzie:

• myDog ma bezpośrednią właściwość name i breed.
• Kiedy wywoływana jest funkcja myDog.speak(), JavaScript szuka speak w myDog. Nie znajduje jej.
• Następnie patrzy na Object.getPrototypeOf(myDog), czyli Dog.prototype. speak tam nie znajduje.
• Następnie patrzy na Object.getPrototypeOf(Dog.prototype), czyli Animal.prototype. Tutaj speak zostaje znaleziona! Funkcja jest wykonywana, a this wewnątrz speak odnosi się do myDog.

Wzorce Tworzenia Obiektów

Łańcuch prototypów jest nierozerwalnie związany ze sposobem tworzenia obiektów w JavaScript. Historycznie, przed klasami ES6, używano kilku wzorców do osiągnięcia tworzenia obiektów i dziedziczenia:

1. Funkcje Konstruktora

Jak widać w powyższych przykładach Animal i Dog, funkcje konstruktora są tradycyjnym sposobem tworzenia obiektów. Kiedy używasz słowa kluczowego new z funkcją, JavaScript wykonuje kilka czynności:

1. Tworzony jest nowy, pusty obiekt.
2. Ten nowy obiekt jest połączony z właściwością prototype funkcji konstruktora (tj. newObj.[[Prototype]] = Constructor.prototype).
3. Funkcja konstruktora jest wywoływana z nowym obiektem powiązanym z this.
4. Jeśli funkcja konstruktora jawnie nie zwraca obiektu, nowo utworzony obiekt (this) jest niejawnie zwracany.

Ten wzorzec jest potężny do tworzenia wielu instancji obiektów ze współdzielonymi metodami zdefiniowanymi w prototypie konstruktora.

2. Funkcje Fabryczne

Funkcje fabryczne to po prostu funkcje, które zwracają obiekt. Nie używają słowa kluczowego new i nie łączą się automatycznie z prototypem w taki sam sposób, jak funkcje konstruktora. Jednak nadal mogą wykorzystywać prototypy, jawnie ustawiając prototyp zwróconego obiektu.

function createPerson(name, age) {
  const person = Object.create(personFactory.prototype);
  person.name = name;
  person.age = age;
  return person;
}

personFactory.prototype.greet = function() {
  console.log(`Hello, I'm ${this.name}`);
};

const john = createPerson("John", 25);
john.greet(); // Output: Hello, I'm John

Object.create() jest tutaj kluczową metodą. Tworzy nowy obiekt, używając istniejącego obiektu jako prototypu nowo utworzonego obiektu. Pozwala to na wyraźną kontrolę nad łańcuchem prototypów.

3. `Object.create()`

Jak wspomniano powyżej, Object.create(proto, [propertiesObject]) jest podstawowym narzędziem do tworzenia obiektów z określonym prototypem. Pozwala całkowicie ominąć funkcje konstruktora i bezpośrednio ustawić prototyp obiektu.

const personPrototype = {
  greet: function() {
    console.log(`Hello, my name is ${this.name}`);
  }
};

// Create a new object 'bob' with 'personPrototype' as its prototype
const bob = Object.create(personPrototype);
bob.name = "Bob";
bob.greet(); // Output: Hello, my name is Bob

// You can even pass properties as a second argument
const charles = Object.create(personPrototype, {
  name: { value: "Charles", writable: true, enumerable: true, configurable: true }
});
charles.greet(); // Output: Hello, my name is Charles

Ta metoda jest niezwykle potężna do tworzenia obiektów z predefiniowanymi prototypami, umożliwiając elastyczne struktury dziedziczenia.

Klasy ES6: Syntaktyczny Cukier

Wraz z nadejściem ES6 JavaScript wprowadził składnię class. Ważne jest, aby zrozumieć, że klasy w JavaScript są przede wszystkim syntaktycznym cukrem nad istniejącym mechanizmem dziedziczenia prototypowego. Zapewniają czystszą, bardziej znaną składnię dla programistów pochodzących z obiektowych języków opartych na klasach.

// Using ES6 class syntax
class AnimalES6 {
  constructor(name) {
    this.name = name;
  }

  speak() {
    console.log(`${this.name} makes a sound.`);
  }
}

class DogES6 extends AnimalES6 {
  constructor(name, breed) {
    super(name); // Calls the parent class constructor
    this.breed = breed;
  }

  bark() {
    console.log(`Woof! My name is ${this.name} and I'm a ${this.breed}.`);
  }
}

const myDogES6 = new DogES6("Rex", "German Shepherd");
myDogES6.speak(); // Output: Rex makes a sound.
myDogES6.bark();  // Output: Woof! My name is Rex and I'm a German Shepherd.

// Under the hood, this still uses prototypes:
console.log(Object.getPrototypeOf(myDogES6) === DogES6.prototype); // Output: true
console.log(Object.getPrototypeOf(DogES6.prototype) === AnimalES6.prototype); // Output: true

Kiedy definiujesz klasę, JavaScript zasadniczo tworzy funkcję konstruktora i automatycznie konfiguruje łańcuch prototypów:

• Metoda constructor definiuje właściwości instancji obiektu.
• Metody zdefiniowane w ciele klasy (takie jak speak i bark) są automatycznie umieszczane we właściwości prototype funkcji konstruktora powiązanej z tą klasą.
• Słowo kluczowe extends konfiguruje relację dziedziczenia, łącząc prototyp klasy potomnej z prototypem klasy nadrzędnej.

Dlaczego Łańcuch Prototypów Ma Znaczenie Globalnie

Zrozumienie łańcucha prototypów to nie tylko ćwiczenie akademickie; ma głębokie implikacje dla rozwoju solidnych, wydajnych i łatwych w utrzymaniu aplikacji JavaScript, szczególnie w kontekście globalnym:

• Optymalizacja Wydajności: Definiując metody w prototypie, a nie w każdej pojedynczej instancji obiektu, oszczędzasz pamięć. Wszystkie instancje współdzielą te same funkcje metody, co prowadzi do bardziej efektywnego wykorzystania pamięci, co ma kluczowe znaczenie dla aplikacji wdrażanych na szerokiej gamie urządzeń i warunków sieciowych na całym świecie.
• Wielokrotne Wykorzystanie Kodu: Łańcuch prototypów jest podstawowym mechanizmem ponownego wykorzystania kodu JavaScript. Dziedziczenie pozwala budować złożone hierarchie obiektów, rozszerzając funkcjonalność bez duplikowania kodu. Jest to nieocenione dla dużych, rozproszonych zespołów pracujących nad międzynarodowymi projektami.
• Głębokie Debugowanie: Gdy wystąpią błędy, śledzenie łańcucha prototypów może pomóc w ustaleniu źródła nieoczekiwanego zachowania. Zrozumienie, jak wyszukiwane są właściwości, jest kluczem do debugowania problemów związanych z dziedziczeniem, zakresem i powiązaniem `this`.
• Frameworki i Biblioteki: Wiele popularnych frameworków i bibliotek JavaScript (np. starsze wersje React, Angular, Vue.js) w dużym stopniu polega na łańcuchu prototypów lub wchodzi z nim w interakcje. Solidne zrozumienie prototypów pomaga zrozumieć ich wewnętrzne działanie i efektywniej z nich korzystać.
• Interoperacyjność Języków: Elastyczność JavaScript z prototypami ułatwia integrację z innymi systemami lub językami, szczególnie w środowiskach takich jak Node.js, gdzie JavaScript wchodzi w interakcje z modułami natywnymi.
• Jasność Koncepcyjna: Chociaż klasy ES6 abstrahują niektóre złożoności, fundamentalne zrozumienie prototypów pozwala zrozumieć, co dzieje się pod spodem. To pogłębia twoje zrozumienie i pozwala pewniej radzić sobie z przypadkami brzegowymi i zaawansowanymi scenariuszami, niezależnie od twojej lokalizacji geograficznej lub preferowanego środowiska programistycznego.

Typowe Pułapki i Najlepsze Praktyki

Chociaż potężny, łańcuch prototypów może również prowadzić do zamieszania, jeśli nie jest ostrożnie obsługiwany. Oto kilka typowych pułapek i najlepszych praktyk:

Pułapka 1: Modyfikowanie Wbudowanych Prototypów

Ogólnie rzecz biorąc, złym pomysłem jest dodawanie lub modyfikowanie metod w wbudowanych prototypach obiektów, takich jak Array.prototype lub Object.prototype. Może to prowadzić do konfliktów nazw i nieprzewidywalnego zachowania, szczególnie w dużych projektach lub podczas korzystania z bibliotek stron trzecich, które mogą polegać na oryginalnym zachowaniu tych prototypów.

Najlepsza Praktyka: Używaj własnych funkcji konstruktora, funkcji fabrycznych lub klas ES6. Jeśli chcesz rozszerzyć funkcjonalność, rozważ utworzenie funkcji narzędziowych lub użycie modułów.

Pułapka 2: Nieprawidłowa Właściwość Konstruktora

Podczas ręcznego konfigurowania dziedziczenia (np. Dog.prototype = Object.create(Animal.prototype)), właściwość constructor nowego prototypu (Dog.prototype) będzie wskazywać na oryginalny konstruktor (Animal). Może to powodować problemy z sprawdzaniem `instanceof` i introspekcją.

Najlepsza Praktyka: Zawsze jawnie resetuj właściwość constructor po skonfigurowaniu dziedziczenia:

Dog.prototype = Object.create(Animal.prototype);
Dog.prototype.constructor = Dog;

Pułapka 3: Zrozumienie Kontekstu `this`

Zachowanie this w metodach prototypu jest kluczowe. this zawsze odnosi się do obiektu, na którym wywoływana jest metoda, a nie do miejsca, w którym metoda jest zdefiniowana. Jest to fundamentalne dla sposobu działania metod w łańcuchu prototypów.

Najlepsza Praktyka: Pamiętaj o sposobie wywoływania metod. Użyj `.call()`, `.apply()` lub `.bind()`, jeśli musisz jawnie ustawić kontekst `this`, szczególnie podczas przekazywania metod jako wywołań zwrotnych.

Pułapka 4: Pomylenie z Klasami w Innych Językach

Programiści przyzwyczajeni do klasycznego dziedziczenia (jak w Javie lub C++) mogą początkowo uznać model dziedziczenia prototypowego JavaScript za sprzeczny z intuicją. Pamiętaj, że klasy ES6 to fasada; podstawowy mechanizm to nadal prototypy.

Najlepsza Praktyka: Zaakceptuj prototypową naturę JavaScript. Skoncentruj się na zrozumieniu, w jaki sposób obiekty delegują wyszukiwanie właściwości za pośrednictwem swoich prototypów.

Poza Podstawami: Zaawansowane Koncepcje

Operator `instanceof`

Operator instanceof sprawdza, czy łańcuch prototypów obiektu zawiera właściwość prototype określonego konstruktora. Jest to potężne narzędzie do sprawdzania typów w systemie prototypowym.

console.log(myDog instanceof Dog);      // Output: true
console.log(myDog instanceof Animal);   // Output: true
console.log(myDog instanceof Object);   // Output: true
console.log(myDog instanceof Array);    // Output: false

Metoda `isPrototypeOf()`

Metoda Object.prototype.isPrototypeOf() sprawdza, czy obiekt pojawia się gdziekolwiek w łańcuchu prototypów innego obiektu.

console.log(Dog.prototype.isPrototypeOf(myDog));    // Output: true
console.log(Animal.prototype.isPrototypeOf(myDog)); // Output: true
console.log(Object.prototype.isPrototypeOf(myDog)); // Output: true

Przesłanianie Właściwości

Mówi się, że właściwość obiektu przesłania właściwość w swoim prototypie, jeśli ma taką samą nazwę. Kiedy uzyskujesz dostęp do właściwości, pobierana jest ta w samym obiekcie, a ta w prototypie jest ignorowana (do momentu usunięcia właściwości obiektu). Dotyczy to zarówno właściwości danych, jak i metod.

class Person {
  constructor(name) {
    this.name = name;
  }
  greet() {
    console.log(`Hello from Person: ${this.name}`);
  }
}

class Employee extends Person {
  constructor(name, id) {
    super(name);
    this.id = id;
  }

  // Shadowing the greet method from Person
  greet() {
    console.log(`Hello from Employee: ${this.name}, ID: ${this.id}`);
  }
}

const emp = new Employee("Jane", "E123");
emp.greet(); // Output: Hello from Employee: Jane, ID: E123

// To call the parent's greet method, we'd need super.greet()

Wniosek

Łańcuch prototypów JavaScript to fundamentalna koncepcja, która stanowi podstawę sposobu tworzenia obiektów, uzyskiwania dostępu do właściwości i osiągania dziedziczenia. Chociaż nowoczesna składnia, taka jak klasy ES6, upraszcza jego użycie, głębokie zrozumienie prototypów jest niezbędne dla każdego poważnego programisty JavaScript. Opanowując tę koncepcję, zyskujesz możliwość pisania bardziej wydajnego, wielokrotnego użytku i łatwego w utrzymaniu kodu, co ma kluczowe znaczenie dla efektywnej współpracy nad globalnymi projektami. Niezależnie od tego, czy tworzysz oprogramowanie dla międzynarodowej korporacji, czy małego startupu z międzynarodową bazą użytkowników, solidne zrozumienie dziedziczenia prototypowego JavaScript będzie potężnym narzędziem w twoim arsenale programistycznym.

Kontynuuj eksplorację, kontynuuj naukę i wesołego kodowania!