Декоратори, метадані та рефлексія в JavaScript: доступ до метаданих під час виконання для розширеної функціональності

JavaScript, еволюціонуючи за межі своєї початкової ролі мови сценаріїв, тепер лежить в основі складних веб-додатків та серверних середовищ. Ця еволюція вимагає передових технік програмування для управління складністю, покращення підтримки та сприяння повторному використанню коду. Декоратори, пропозиція ECMAScript на 2-й стадії, у поєднанні з рефлексією метаданих, пропонують потужний механізм для досягнення цих цілей, уможливлюючи доступ до метаданих під час виконання та парадигми аспектно-орієнтованого програмування (АОП).

Розуміння декораторів

Декоратори — це форма синтаксичного цукру, яка надає лаконічний та декларативний спосіб модифікувати або розширювати поведінку класів, методів, властивостей або параметрів. Вони є функціями, які позначаються символом @ і розміщуються безпосередньо перед елементом, який вони декорують. Це дозволяє додавати наскрізні аспекти, такі як логування, валідація або авторизація, без безпосередньої зміни основної логіки декорованих елементів.

Розглянемо простий приклад. Уявіть, що вам потрібно логувати кожен виклик певного методу. Без декораторів вам довелося б вручну додавати логіку логування до кожного методу. З декораторами ви можете створити декоратор @log і застосувати його до методів, які ви хочете логувати. Цей підхід відокремлює логіку логування від основної логіки методу, покращуючи читабельність та підтримку коду.

Типи декораторів

Існує чотири типи декораторів у JavaScript, кожен з яких служить окремій меті:

• Декоратори класів: Ці декоратори модифікують конструктор класу. Їх можна використовувати для додавання нових властивостей, методів або зміни існуючих.
• Декоратори методів: Ці декоратори модифікують поведінку методу. Їх можна використовувати для додавання логіки логування, валідації або авторизації до або після виконання методу.
• Декоратори властивостей: Ці декоратори модифікують дескриптор властивості. Їх можна використовувати для реалізації прив'язки даних, валідації або відкладеної ініціалізації.
• Декоратори параметрів: Ці декоратори надають метадані про параметри методу. Їх можна використовувати для реалізації впровадження залежностей або логіки валідації на основі типів або значень параметрів.

Базовий синтаксис декораторів

Декоратор — це функція, яка приймає один, два або три аргументи, залежно від типу декорованого елемента:

• Декоратор класу: Приймає конструктор класу як свій аргумент.
• Декоратор методу: Приймає три аргументи: цільовий об'єкт (або функцію-конструктор для статичного члена, або прототип класу для члена екземпляра), назву члена та дескриптор властивості для члена.
• Декоратор властивості: Приймає два аргументи: цільовий об'єкт та назву властивості.
• Декоратор параметра: Приймає три аргументи: цільовий об'єкт, назву методу та індекс параметра у списку параметрів методу.

Ось приклад простого декоратора класу:

function sealed(constructor: Function) {
  Object.seal(constructor);
  Object.seal(constructor.prototype);
}

@sealed
class Greeter {
  greeting: string;
  constructor(message: string) {
    this.greeting = message;
  }
  greet() {
    return "Hello, " + this.greeting;
  }
}

У цьому прикладі декоратор @sealed застосовано до класу Greeter. Функція sealed заморожує як конструктор, так і його прототип, запобігаючи подальшим змінам. Це може бути корисно для забезпечення незмінності певних класів.

Сила рефлексії метаданих

Рефлексія метаданих надає спосіб доступу до метаданих, пов'язаних з класами, методами, властивостями та параметрами під час виконання. Це уможливлює потужні можливості, такі як впровадження залежностей, серіалізація та валідація. JavaScript сам по собі не підтримує рефлексію так, як це роблять мови, такі як Java або C#. Однак бібліотеки, як-от reflect-metadata, надають цю функціональність.

Бібліотека reflect-metadata, розроблена Роном Бактоном, дозволяє прикріплювати метадані до класів та їхніх членів за допомогою декораторів, а потім отримувати ці метадані під час виконання. Це дозволяє створювати більш гнучкі та конфігуровані додатки.

Встановлення та імпорт reflect-metadata

Щоб використовувати reflect-metadata, спочатку потрібно встановити її за допомогою npm або yarn:

npm install reflect-metadata --save

Або за допомогою yarn:

yarn add reflect-metadata

Потім потрібно імпортувати її у свій проєкт. У TypeScript ви можете додати наступний рядок на початку вашого основного файлу (наприклад, index.ts або app.ts):

import 'reflect-metadata';

Цей оператор імпорту є вирішальним, оскільки він поліфілить необхідні API Reflect, які використовуються декораторами та рефлексією метаданих. Якщо ви забудете цей імпорт, ваш код може працювати неправильно, і ви, ймовірно, зіткнетеся з помилками під час виконання.

Прикріплення метаданих за допомогою декораторів

Бібліотека reflect-metadata надає функцію Reflect.defineMetadata для прикріплення метаданих до об'єктів. Однак, більш поширеним і зручним є використання декораторів для визначення метаданих. Фабрика декораторів Reflect.metadata надає лаконічний спосіб визначення метаданих за допомогою декораторів.

Ось приклад:

import 'reflect-metadata';

const formatMetadataKey = Symbol("format");

function format(formatString: string) {
  return Reflect.metadata(formatMetadataKey, formatString);
}

function getFormat(target: any, propertyKey: string) {
  return Reflect.getMetadata(formatMetadataKey, target, propertyKey);
}

class Example {
  @format("Hello, %s")
  greeting: string = "World";

  greet() {
    let formatString = getFormat(this, "greeting");
    return formatString.replace("%s", this.greeting);
  }
}

let example = new Example();
console.log(example.greet()); // Вивід: Hello, World

У цьому прикладі декоратор @format використовується для зв'язування рядка формату "Hello, %s" з властивістю greeting класу Example. Функція getFormat використовує Reflect.getMetadata для отримання цих метаданих під час виконання. Потім метод greet використовує ці метадані для форматування вітального повідомлення.

API Reflect Metadata

Бібліотека reflect-metadata надає кілька функцій для роботи з метаданими:

• Reflect.defineMetadata(metadataKey, metadataValue, target, propertyKey?): Прикріплює метадані до об'єкта або властивості.
• Reflect.getMetadata(metadataKey, target, propertyKey?): Отримує метадані з об'єкта або властивості.
• Reflect.hasMetadata(metadataKey, target, propertyKey?): Перевіряє, чи існують метадані на об'єкті або властивості.
• Reflect.deleteMetadata(metadataKey, target, propertyKey?): Видаляє метадані з об'єкта або властивості.
• Reflect.getMetadataKeys(target, propertyKey?): Повертає масив усіх ключів метаданих, визначених на об'єкті або властивості.
• Reflect.getOwnMetadataKeys(target, propertyKey?): Повертає масив усіх ключів метаданих, безпосередньо визначених на об'єкті або властивості (за винятком успадкованих метаданих).

Приклади використання та практичні застосування

Декоратори та рефлексія метаданих мають численні застосування в сучасній розробці на JavaScript. Ось кілька прикладів:

Впровадження залежностей

Впровадження залежностей (DI) — це шаблон проєктування, який сприяє слабкому зв'язку між компонентами, надаючи залежності класу замість того, щоб клас створював їх сам. Декоратори та рефлексію метаданих можна використовувати для реалізації DI-контейнерів у JavaScript.

Розглянемо сценарій, де у вас є UserService, який залежить від UserRepository. Ви можете використовувати декоратори для визначення залежностей та DI-контейнер для їх вирішення під час виконання.

import 'reflect-metadata';

const Injectable = (): ClassDecorator => {
  return (target: any) => {
    Reflect.defineMetadata('design:paramtypes', [], target);
  };
};

const Inject = (token: any): ParameterDecorator => {
  return (target: any, propertyKey: string | symbol, parameterIndex: number) => {
    let existingParameters: any[] = Reflect.getOwnMetadata('design:paramtypes', target, propertyKey) || [];
    existingParameters[parameterIndex] = token;
    Reflect.defineMetadata('design:paramtypes', existingParameters, target, propertyKey);
  };
};

class UserRepository {
  getUsers() {
    return ['user1', 'user2'];
  }
}

@Injectable()
class UserService {
  private userRepository: UserRepository;

  constructor(@Inject(UserRepository) userRepository: UserRepository) {
    this.userRepository = userRepository;
  }

  getUsers() {
    return this.userRepository.getUsers();
  }
}

// Простий DI-контейнер
class Container {
  private static dependencies = new Map();

  static register(key: any, concrete: { new(...args: any[]): T }): void {
    Container.dependencies.set(key, concrete);
  }

  static resolve(key: any): T {
    const concrete = Container.dependencies.get(key);
    if (!concrete) {
      throw new Error(`No binding found for ${key}`);
    }

    const paramtypes = Reflect.getMetadata('design:paramtypes', concrete) || [];
    const dependencies = paramtypes.map((param: any) => Container.resolve(param));
    return new concrete(...dependencies);
  }
}

// Реєстрація залежностей
Container.register(UserRepository, UserRepository);
Container.register(UserService, UserService);

// Вирішення UserService
const userService = Container.resolve(UserService);

console.log(userService.getUsers()); // Вивід: ['user1', 'user2']

У цьому прикладі декоратор @Injectable позначає класи, які можна впроваджувати, а декоратор @Inject визначає залежності конструктора. Клас Container діє як простий DI-контейнер, вирішуючи залежності на основі метаданих, визначених декораторами.

Серіалізація та десеріалізація

Декоратори та рефлексію метаданих можна використовувати для налаштування процесу серіалізації та десеріалізації об'єктів. Це може бути корисно для відображення об'єктів у різні формати даних, такі як JSON або XML, або для валідації даних перед десеріалізацією.

Розглянемо сценарій, коли ви хочете серіалізувати клас у JSON, але ви хочете виключити певні властивості або перейменувати їх. Ви можете використовувати декоратори для визначення правил серіалізації, а потім використовувати метадані для виконання серіалізації.

import 'reflect-metadata';

const Exclude = (): PropertyDecorator => {
  return (target: any, propertyKey: string | symbol) => {
    Reflect.defineMetadata('serialize:exclude', true, target, propertyKey);
  };
};

const Rename = (newName: string): PropertyDecorator => {
  return (target: any, propertyKey: string | symbol) => {
    Reflect.defineMetadata('serialize:rename', newName, target, propertyKey);
  };
};

class User {
  @Exclude()
  id: number;

  @Rename('fullName')
  name: string;

  email: string;

  constructor(id: number, name: string, email: string) {
    this.id = id;
    this.name = name;
    this.email = email;
  }
}

function serialize(obj: any): string {
  const serialized: any = {};
  for (const key in obj) {
    if (obj.hasOwnProperty(key)) {
      const exclude = Reflect.getMetadata('serialize:exclude', obj, key);
      if (exclude) {
        continue;
      }
      const rename = Reflect.getMetadata('serialize:rename', obj, key);
      const newKey = rename || key;
      serialized[newKey] = obj[key];
    }
  }
  return JSON.stringify(serialized);
}

const user = new User(1, 'John Doe', 'john.doe@example.com');
const serializedUser = serialize(user);
console.log(serializedUser); // Вивід: {"fullName":"John Doe","email":"john.doe@example.com"}

У цьому прикладі декоратор @Exclude позначає властивість id як виключену з серіалізації, а декоратор @Rename перейменовує властивість name на fullName. Функція serialize використовує метадані для виконання серіалізації відповідно до визначених правил.

Валідація

Декоратори та рефлексію метаданих можна використовувати для реалізації логіки валідації для класів та властивостей. Це може бути корисно для забезпечення відповідності даних певним критеріям перед їх обробкою або зберіганням.

Розглянемо сценарій, коли ви хочете перевірити, що властивість не є порожньою або що вона відповідає певному регулярному виразу. Ви можете використовувати декоратори для визначення правил валідації, а потім використовувати метадані для виконання валідації.

import 'reflect-metadata';

const Required = (): PropertyDecorator => {
  return (target: any, propertyKey: string | symbol) => {
    Reflect.defineMetadata('validate:required', true, target, propertyKey);
  };
};

const Pattern = (regex: RegExp): PropertyDecorator => {
  return (target: any, propertyKey: string | symbol) => {
    Reflect.defineMetadata('validate:pattern', regex, target, propertyKey);
  };
};

class Product {
  @Required()
  name: string;

  @Pattern(/^\d+$/)
  price: string;

  constructor(name: string, price: string) {
    this.name = name;
    this.price = price;
  }
}

function validate(obj: any): string[] {
  const errors: string[] = [];
  for (const key in obj) {
    if (obj.hasOwnProperty(key)) {
      const required = Reflect.getMetadata('validate:required', obj, key);
      if (required && !obj[key]) {
        errors.push(`${key} is required`);
      }
      const pattern = Reflect.getMetadata('validate:pattern', obj, key);
      if (pattern && !pattern.test(obj[key])) {
        errors.push(`${key} must match ${pattern}`);
      }
    }
  }
  return errors;
}

const product = new Product('', 'abc');
const errors = validate(product);
console.log(errors); // Вивід: ["name is required", "price must match /^\d+$/"]

У цьому прикладі декоратор @Required позначає властивість name як обов'язкову, а декоратор @Pattern визначає регулярний вираз, якому повинна відповідати властивість price. Функція validate використовує метадані для виконання валідації та повертає масив помилок.

АОП (Аспектно-орієнтоване програмування)

АОП — це парадигма програмування, яка має на меті підвищення модульності шляхом розділення наскрізних аспектів. Декоратори природно підходять для сценаріїв АОП. Наприклад, логування, аудит та перевірки безпеки можуть бути реалізовані як декоратори та застосовані до методів без зміни основної логіки методу.

Приклад: реалізація аспекту логування за допомогою декораторів.

import 'reflect-metadata';

function LogMethod(target: any, propertyKey: string, descriptor: PropertyDescriptor) {
  const originalMethod = descriptor.value;

  descriptor.value = function (...args: any[]) {
    console.log(`Entering method: ${propertyKey} with arguments: ${JSON.stringify(args)}`);
    const result = originalMethod.apply(this, args);
    console.log(`Exiting method: ${propertyKey} with result: ${result}`);
    return result;
  };

  return descriptor;
}

class Calculator {
  @LogMethod
  add(a: number, b: number): number {
    return a + b;
  }

  @LogMethod
  subtract(a: number, b: number): number {
    return a - b;
  }
}

const calculator = new Calculator();
calculator.add(5, 3);
calculator.subtract(10, 2);

// Вивід:
// Entering method: add with arguments: [5,3]
// Exiting method: add with result: 8
// Entering method: subtract with arguments: [10,2]
// Exiting method: subtract with result: 8

Цей код буде логувати точки входу та виходу для методів add та subtract, ефективно відокремлюючи аспект логування від основної функціональності калькулятора.

Переваги використання декораторів та рефлексії метаданих

Використання декораторів та рефлексії метаданих у JavaScript пропонує кілька переваг:

• Покращена читабельність коду: Декоратори надають лаконічний та декларативний спосіб модифікувати або розширювати поведінку класів та їхніх членів, роблячи код легшим для читання та розуміння.
• Підвищена модульність: Декоратори сприяють розділенню відповідальностей, дозволяючи ізолювати наскрізні аспекти та уникати дублювання коду.
• Покращена підтримка: Розділяючи відповідальності та зменшуючи дублювання коду, декоратори роблять код легшим для підтримки та оновлення.
• Більша гнучкість: Рефлексія метаданих дозволяє отримувати доступ до метаданих під час виконання, що дозволяє створювати більш гнучкі та конфігуровані додатки.
• Уможливлення АОП: Декоратори сприяють АОП, дозволяючи застосовувати аспекти до методів без зміни їхньої основної логіки.

Виклики та міркування

Хоча декоратори та рефлексія метаданих пропонують численні переваги, є також деякі виклики та міркування, які слід враховувати:

• Накладні витрати на продуктивність: Рефлексія метаданих може вносити певні накладні витрати на продуктивність, особливо при інтенсивному використанні.
• Складність: Розуміння та використання декораторів та рефлексії метаданих вимагає глибшого розуміння JavaScript та бібліотеки reflect-metadata.
• Налагодження: Налагодження коду, що використовує декоратори та рефлексію метаданих, може бути складнішим, ніж налагодження традиційного коду.
• Сумісність: Декоратори все ще є пропозицією ECMAScript на 2-й стадії, і їх реалізація може відрізнятися в різних середовищах JavaScript. TypeScript надає відмінну підтримку, але пам'ятайте, що поліфіл для середовища виконання є важливим.

Найкращі практики

Для ефективного використання декораторів та рефлексії метаданих, розгляньте наступні найкращі практики:

• Використовуйте декоратори помірковано: Використовуйте декоратори лише тоді, коли вони надають явну перевагу з точки зору читабельності коду, модульності або підтримки. Уникайте надмірного використання декораторів, оскільки вони можуть зробити код складнішим і важчим для налагодження.
• Зберігайте декоратори простими: Зберігайте фокус декораторів на одній відповідальності. Уникайте створення складних декораторів, які виконують кілька завдань.
• Документуйте декоратори: Чітко документуйте мету та використання кожного декоратора. Це полегшить іншим розробникам розуміння та використання вашого коду.
• Ретельно тестуйте декоратори: Ретельно тестуйте свої декоратори, щоб переконатися, що вони працюють правильно і не вносять несподіваних побічних ефектів.
• Використовуйте послідовну конвенцію іменування: Прийміть послідовну конвенцію іменування для декораторів, щоб покращити читабельність коду. Наприклад, ви можете додавати префікс @ до всіх імен декораторів.

Альтернативи декораторам

Хоча декоратори пропонують потужний механізм для додавання функціональності до класів та методів, існують альтернативні підходи, які можна використовувати в ситуаціях, коли декоратори недоступні або недоречні.

Функції вищого порядку

Функції вищого порядку (HOF) — це функції, які приймають інші функції як аргументи або повертають функції як результати. HOF можна використовувати для реалізації багатьох тих самих шаблонів, що й декоратори, таких як логування, валідація та авторизація.

Міксини

Міксини — це спосіб додавання функціональності до класів шляхом їх композиції з іншими класами. Міксини можна використовувати для спільного використання коду між кількома класами та для уникнення дублювання коду.

Мавпячий патч (Monkey Patching)

Мавпячий патч — це практика зміни поведінки існуючого коду під час виконання. Мавпячий патч можна використовувати для додавання функціональності до класів та методів без зміни їхнього вихідного коду. Однак, мавпячий патч може бути небезпечним і його слід використовувати з обережністю, оскільки він може призвести до несподіваних побічних ефектів та ускладнити підтримку коду.

Висновок

Декоратори JavaScript у поєднанні з рефлексією метаданих надають потужний набір інструментів для покращення модульності, підтримки та гнучкості коду. Уможливлюючи доступ до метаданих під час виконання, вони відкривають розширені функціональні можливості, такі як впровадження залежностей, серіалізація, валідація та АОП. Хоча є виклики, які слід враховувати, такі як накладні витрати на продуктивність та складність, переваги використання декораторів та рефлексії метаданих часто переважують недоліки. Дотримуючись найкращих практик та розуміючи альтернативи, розробники можуть ефективно використовувати ці техніки для створення більш надійних та масштабованих додатків на JavaScript. Оскільки JavaScript продовжує розвиватися, декоратори та рефлексія метаданих, ймовірно, ставатимуть все більш важливими для управління складністю та сприяння повторному використанню коду в сучасній веб-розробці.

Ця стаття надає всебічний огляд декораторів, метаданих та рефлексії в JavaScript, охоплюючи їх синтаксис, приклади використання та найкращі практики. Розуміючи ці концепції, розробники можуть розкрити повний потенціал JavaScript та створювати більш потужні та підтримувані додатки.

Прийнявши ці техніки, розробники по всьому світу можуть зробити свій внесок у більш модульну, підтримувану та масштабовану екосистему JavaScript.