Nắm vững lập trình hướng đối tượng nguyên mẫu

Nắm vững lập trình hướng đối tượng nguyên mẫu Thế giới của các đối tượng Khi bạn bắt đầu một ngày làm việc—lái xe đến cơ quan, ngồi tại bàn để thực hiện một nhiệm vụ, ăn một bữa ăn, đi bộ qua một công viên—bạn thường có thể thao tác và tương tác với thế giới của mình mà không cần biết các định luật vật lý chi tiết chi phối nó. Bạn có thể xử lý các hệ thống khác nhau mà bạn đối phó với chúng mỗi ngày như là các đơn vị hoặc các đối tượng. Bạn đánh giá tính phức tạp của chúng và thay vào đó nên tập trung vào các tương tác của bạn với chúng. Lịch sử Simula, một ngôn ngữ để mô hình hóa, thường được coi là ngôn ngữ hướng đối tượng đầu tiên. Sau đó, đến Smalltalk, C++, ngôn ngữ Java và C#. Tại thời điểm đó, trong hầu hết các ngôn ngữ hướng đối tượng, các đối tượng được định nghĩa theo lớp. Sau đó, các nhà phát triển ngôn ngữ lập trình Self, một hệ thống giống như Smalltalk, đã tạo ra một phương thức thay thế và trọng lượng nhẹ hơn để định nghĩa các đối tượng được gọi là lập trình dựa trên nguyên mẫu hoặc lập trình hướng đối tượng nguyên mẫu. Cuối cùng, JavaScript được phát triển với một hệ thống đối tượng dựa trên nguyên mẫu (prototype). Tính phổ biến của JavaScript đã đưa các đối tượng dựa trên nguyên mẫu vào dòng chảy chính. Mặc dù nhiều nhà phát triển cảm thấy khó chịu về điều này, nhưng nhờ vào việc kiểm tra chặt chẽ hơn nên các hệ thống dựa trên nguyên mẫu có nhiều lợi thế. Lập trình hướng đối tượng (Object-oriented programming - OOP) cố gắng tạo ra các hệ thống phần mềm hoạt động một cách mô phỏng, là kỹ thuật mô hình hóa mạnh mẽ và phổ biến rộng rãi trong phát triển phần mềm. Lập trình hướng đối tượng phổ biến vì nó phản ánh cách chúng ta nhìn thế giới: như là một tập các đối tượng có thể tương tác với nhau và được thao tác theo nhiều cách khác nhau. Sức mạnh của lập trình OOP nằm trong hai nguyên tắc cốt lõi của nó: Tính bao đóng (Encapsulation) Cho phép các nhà phát triển che giấu các hoạt động bên trong của cấu trúc dữ liệu và chỉ lộ ra các giao diện (interface) tin cậy có thể được dùng để tạo module hay các phần mềm gắn kết. Nó tương tự như việc ẩn dấu thông tin. Tính kế thừa (Inheritance) Mở rộng sức mạnh của sự đóng gói bằng cách cho phép các đối tượng thừa kế các hành vi đã đóng gói của các đối tượng khác. Nó tương tự như việc chia sẻ thông tin. Hầu hết các nhà phát triển đều biết rõ những nguyên tắc này vì mọi ngôn ngữ lập trình chính thống đều hỗ trợ OOP (và thực hiện nó trong nhiều trường hợp). Mặc dù tất cả các ngôn ngữ OOP đều hỗ trợ hai nguyên tắc cốt lõi, dưới dạng này hay dạng khác, trong nhiều năm qua đã có ít nhất hai cách khác nhau cơ bản về định nghĩa các đối tượng. Trong bài này, hãy tìm hiểu về những lợi ích của các mẫu lập trình OOP nguyên mẫu và các mẫu đối tượng JavaScript. Về đầu trang Nguyên mẫu-là gì? Các lớp và các nguyên mẫu Một lớp (class) là một khái niệm trừu tượng về các đối tượng định nghĩa các cấu trúc dữ liệu và các phương thức bên trong nó hoặc là một tập hợp các đối tượng. Mỗi đối tượng là một thể hiện (instance) của lớp. Các lớp cũng có nhiệm vụ xây dựng các đối tượng lớp theo các định nghĩa của chúng và (tùy chọn) theo các tham số người dùng. Một ví dụ cổ điển là lớp Point và lớp con của nó là Point3D để định nghĩa các điểm hai chiều và ba chiều, tương ứng. Liệt kê 1 (Listing 1) cho thấy các lớp trông như thế này theo mã Java. Liệt kê 1. Lớp Point của Java class Point { private int x; private int y; static Point(int x, int y) { this.x = x; this.y = y; } int getX() { return this.x; } int getY() { return this.y; } void setX(int val) { this.x = val; } void setY(int val) { this.y = val; } } Point p1 = new Point(0, 0); p1.getX() // => 0; p1.getY() // => 0; // Lớp Point3D là con của lớp Point, kế thừa các đặc tính của Point class Point3D extends Point { private int z; static Point3D(int x, int y, int z) { this.x = x; this.y = y; this.z = z; } int getZ() { return Z; } void setZ(int val) { this.z = val; } } Point3D p2 = Point3D(0, 0, 0); p2.getX() // => 0 p2.getY() // => 0 p2.getZ() // => 0 Ngược với định nghĩa đối tượng theo lớp, các hệ thống đối tượng nguyên mẫu hỗ trợ một phương thức tạo đối tượng trực tiếp hơn. Ví dụ, trong JavaScript một đối tượng là một danh sách các đặc tính đơn giản. Mỗi đối tượng có liên quan mật thiết với đối tượng cha khác hoặc nguyên mẫu, đối tượng mà từ đó nó được thừa kế các đặc tính. Bạn có thể bắt chước ví dụ Point trong JavaScript, như trong Liệt kê 2. Liệt kê 2. Lớp Point của JavaScript var point = { x : 0, y : 0 }; point.x // => 0 point.y // => 0 // tạo một đối tượng mới từ nguyên mẫu Point, kế thừa các đặc tính của Point point3D = Object.create(point); point3D.z = 0; point3D.x // => 0 point3D.y // => 0 point3D.z // => 0 Có một sự khác biệt cơ bản giữa các hệ thống đối tượng nguyên mẫu và cổ điển. Các đối tượng cổ điển được định nghĩa một cách trừu tượng như là một phần của một nhóm khái niệm và thừa kế những đặc tính từ các lớp hoặc các nhóm khác của các đối tượng. Ngược lại, các đối tượng nguyên mẫu được định nghĩa cụ thể là các đối tượng cụ thể và thừa kế hành vi từ các đối tượng cụ thể khác. Vì vậy, một ngôn ngữ OOP dựa trên lớp có một tính chất kép, đòi hỏi ít nhất là hai cấu kiện cơ bản: các lớp và các đối tượng. Như là một kết quả của tính hai mặt này, khi phần mềm dựa trên lớp phát triển, các hệ thống phân cấp lớp phức tạp có xu hướng phát triển. Nói chung không thể dự báo được tất cả các cách mà các lớp sẽ cần được sử dụng các cách đó trong tương lai, vì thế, hệ thống phân cấp lớp cần được liên tục cấu trúc lại để tạo điều kiện thuận lợi cho các thay đổi. Các ngôn ngữ dựa trên nguyên mẫu loại bỏ sự cần thiết về tính hai mặt nói trên và tạo điều kiện thuận lợi cho việc tạo và xử lý trực tiếp các đối tượng. Nếu như không có các đối tượng bị ràng buộc bởi lớp, có thể tạo ra các hệ thống các đối tượng có ràng buộc lỏng lẻo hơn để trợ giúp duy trì tính mô đun và làm giảm sự cần thiết phải cấu trúc lại. Ngoài ra, việc có thể trực tiếp định nghĩa các đối tượng sẽ bổ sung khả năng to lớn và tính dễ hiểu cho việc tạo và xử lý đối tượng. Ví dụ, trong Liệt kê 2, bạn có thể chỉ cần khai báo đối tượng point của mình với một dòng: var point = { x: 0, y: 0 };. Với một dòng này, bạn có một đối tượng làm việc đầy đủ, thừa kế hành vi từ Object.prototype của JavaScript, chẳng hạn như phương thức toString. Để mở rộng hành vi của đối tượng của mình, bạn chỉ cần khai báo một đối tượng khác với point là nguyên mẫu của nó. Ngược lại, ngay cả với ngôn ngữ OOP cổ điển ngắn gọn nhất, trước tiên bạn sẽ phải định nghĩa một lớp, sau đó khởi tạo nó trước khi bạn có một đối tượng có thể thao tác được. Để thừa kế, bạn sẽ phải định nghĩa một lớp khác để mở rộng lớp đầu tiên này. Mẫu của nguyên mẫu là khái niệm còn đơn giản hơn. Là con người, chúng ta thường nghĩ về các nguyên mẫu. Ví dụ, trong một bài viết trên blog của Steve Yegge "Các mẫu thiết kế đa năng" (xem phần Tài nguyên), ông trích dẫn ví dụ của một cầu thủ bóng đá Mỹ—là Emmitt Smith— người mà với tốc độ của mình, sự nhanh nhẹn và sức mạnh di chuyển trở thành nguyên mẫu cho tất cả các cầu thủ bóng đá mới trong Liên đoàn bóng đá quốc gia (NFL). Sau đó, khi một cầu thủ tấn công mới nổi là LT được chọn, các nhà bình luận nói rằng: "LT có cặp giò giống Emmitt." "Anh ấy có thể cày như Emmitt." "Tuy nhiên, anh ấy chạy một dặm chỉ trong năm phút!" Các nhà bình luận đang mô hình hóa một đối tượng mới— là LT—dưới dạng một đối tượng nguyên mẫu, là Emmitt Smith. Trong JavaScript, một mô hình như vậy sẽ trông giống như Liệt kê 3. Liệt kê 3. Mô hình JavaScript var emmitt = { // ... khai báo các đặc tính (properties) }; var lt = Object.create(emmitt); // ... khai báo các đặc tính khác cho đối tượng lt Bạn có thể đối chiếu ví dụ này với việc mô hình hóa cổ điển, ở đó bạn có thể định nghĩa một lớp RunningBack (cầu thủ tấn công) thừa kế từ lớp FootballPlayer (cầu thủ bóng đá). Lớp lt và emmitt sẽ là các thể hiện của lớp RunningBack. Trong mã Java các lớp này có thể trông như Liệt kê 4. Liệt kê 4. Ba lớp Java class FootballPlayer { private string name; private string team; static void FootballPlayer() { } string getName() { return this.name; } string getTeam() { return this.team; } void setName(string val) { this.name = val; } void setTeam(string val) { this.team = val; } } class RunningBack extends FootballPlayer { private bool offensiveTeam = true; bool isOffesiveTeam() { return this.offensiveTeam; } } RunningBack emmitt = new RunningBack(); RunningBack lt = new RunningBack(); Mô hình cổ điển đi kèm với chi phí hoạt động dựa trên khái niệm nhiều hơn đáng kể, nhưng không có sự kiểm soát mượt mà trên các thể hiện lớp emmitt và lt mà bạn nhận được với mô hình nguyên mẫu. (Công bằng mà nói, lớp FootballPlayer không cần thiết 100%; nó có mặt ở đây để so sánh với ví dụ tiếp theo). Đôi khi, chi phí hoạt động này có thể có ích, nhưng thường nó chỉ là gánh nặng thôi. Khá dễ dàng để mô phỏng mô hình hóa cổ điển với một hệ thống đối tượng nguyên mẫu. (Phải thừa nhận rằng, cũng có thể làm ngược lại, mặc dù có lẽ không dễ dàng gì). Ví dụ, bạn có thể tạo ra một đối tượng footballPlayer với một đối tượng runningBack khác có thừa kế từ footballPlayer làm nguyên mẫu của nó. Trong JavaScript, các đối tượng này sẽ trông như Liệt kê 5. Liệt kê 5. Mô hình hóa JavaScript var footballPlayer = { name : ""; team : ""; }; var runningBack = Object.create(footballPlayer); runningBack.offensiveTeam = true; Bạn cũng có thể tạo ra một đối tượng lineBacker (cầu thủ hậu vệ) khác có thừa kế từ footballPlayer, như trong Liệt kê 6. Liệt kê 6. Thừa kế đối tượng var lineBacker = Object.create(footballPlayer); lineBacker.defensiveTeam = true; Như trong Liệt kê 7, bạn có thể bổ sung hành vi cho cả hai đối tượng lineBacker và runningBack bằng cách bổ sung đối tượng footballPlayer. Liệt kê 7. Bổ sung các hành vi footballPlayer.run = function () { this.running = true }; lineBacker.run(); lineBacker.running; // => true Trong ví dụ này, bạn đang xử lý đối tượng footballPlayer như một lớp. Bạn cũng có thể tạo các đối tượng cho Emmitt và LT, như trong Liệt kê 8. Liệt kê 8. Tạo các đối tượng var emmitt = Object.create(runningBack); emmitt.superbowlRings = 3; var lt = Object.create(emmitt); lt.mileRun = '5min'; Do đối tượng lt thừa kế từ đối tượng emmitt, nên thậm chí bạn có thể xử lý đối tượng emmitt như một lớp, như trong Liệt kê 9. Liệt kê 9. Thừa kế và các lớp emmitt.height = "6ft"; lt.height // => "6ft"; Nếu bạn đã dùng thử các ví dụ trên theo một ngôn ngữ có các đối tượng cổ điển, tĩnh (như mã Java), bạn sẽ phải sử dụng mẫu của trình trang trí, còn đòi hỏi nhiều chi phí hoạt động dựa trên khái niệm hơn và bạn vẫn không thể thừa kế trực tiếp từ đối tượng emmitt như là một cá thể. Ngược lại, mẫu các đặc tính được sử dụng trong các ngôn ngữ dựa trên nguyên mẫu như JavaScript cho phép bạn trang trí cho các đối tượng của mình theo một cách tự do hơn nhiều. Về đầu trang JavaScript không phải là ngôn ngữ Java JavaScript và một số tính năng của nó, chẳng hạn như các đối tượng nguyên mẫu, đã là nạn nhân của những sai lầm và những quyết định tiếp thị đáng tiếc trong lịch sử. Ví dụ, Brendan Eich (cha đẻ của JavaScript) trình bày trong một mục blog tại sao cần có một ngôn ngữ mới: "mệnh lệnh của quản lý kỹ thuật cấp cao hơn là ngôn ngữ này phải 'trông giống như Java'. Điều đó loại trừ Perl, Python và Tcl, cùng với Scheme". Vì vậy, JavaScript trông giống như mã Java và tên của nó được nối với ngôn ngữ Java, mà điều đó đang gây nhầm lẫn cho bất cứ ai không quen với một hoặc cả hai ngôn ngữ đó. Mặc dù nhìn bề ngoài JavaScript trông giống như ngôn ngữ Java, nhưng ở một mức độ sâu hơn nó không có gì giống Java cả—dẫn đến các hy vọng bị bỏ lỡ. Theo Brendan Eich: Tôi không tự hào, nhưng tôi hạnh phúc vì tôi đã chọn các hàm hạng nhất Scheme-ish và các nguyên mẫu Self-ish (mặc dù là số ít) làm các thành phần chính. Các ảnh hưởng của Java, đặc biệt không chỉ là các lỗi y2k Date (Ngày tháng năm 2000) mà còn điểm khác biệt giữa nguyên thủy và đối tượng (ví dụ, string so với String), chỉ là không may mà thôi. Các hy vọng không được thỏa mãn khó giải quyết được. Khi bạn mong chờ một ngôn ngữ y- doanh nghiệp, tĩnh như ngôn ngữ Java, nhưng kết thúc bằng một ngôn ngữ có cú pháp giống như mã Java nhưng hoạt động giống như Scheme và Self, bạn bị bất ngờ là đúng. Nếu bạn thích các ngôn ngữ động, điều này sẽ là một bất ngờ được chào đón; nếu bạn không thích hoặc chúng không quen thuộc với bạn, thì việc lập trình bằng JavaScript có thể không dễ chịu. JavaScript cũng có một số khuyết điểm thực sự: các biến toàn cầu bắt buộc, các vấn đề phạm vi, việc chèn dấu chấm phẩy, các hành vi không phù hợp == và nhiều hơn nữa. Đối với những vấn đề này, các lập trình viên JavaScript đã phát triển một mảng các mẫu và các cách thực hành tốt nhất để hỗ trợ phát triển phần mềm tin cậy. Phần tiếp theo thảo luận về một vài mẫu cần sử dụng và một số mẫu nên tránh, để sử dụng tốt nhất hệ thống đối tượng nguyên mẫu của JavaScript. Về đầu trang Các mẫu đối tượng JavaScript Để JavaScript trông giống như Java, các nhà thiết kế đã cố gắng thêm vào hàm khởi tạo (constructor) thường thấy trong các ngôn ngữ cổ điển nhưng không nhất thiết phải có trong một ngôn ngữ nguyên mẫu. Hãy xem xét mẫu dưới đây, nơi một đối tượng có thể được khai báo bằng cách sử dụng một hàm khởi tạo như trong Liệt kê 10. Liệt kê 10. Khai báo một đối tượng function Point(x, y) { this.x = x; this.y = y; } Sau đó, bạn có thể tạo đối tượng này bằng cách sử dụng từ khóa new, tương tự như mã Java, như trong Liệt kê 11. Liệt kê 11. Tạo đối tượng var p = new Point(3, 4); p.x // => 3 p.y // => 4 Trong JavaScript, các hàm cũng chính là các đối tượng, do đó, có thể thêm các phương thức vào nguyên mẫu của hàm khởi tạo, như trong Liệt kê 12. Liệt kê 12. Thêm một phương thức Point.prototype.r = function() { return Math.sqrt((this.x * this.x) + (this.y * this.y)); }; Cùng với các hàm khởi tạo, bạn có thể dùng một mẫu thừa kế giả cổ điển (pseudoclassical), như trong Liệt kê 13. Liệt kê 13. Mẫu thừa kế giả cổ điển function Point3D(x, y, z) { this.x = x; this.y = y; this.z = z; } Point3D.prototype = new Point(); // thừa kế từ Point Point3D.prototype.r = function() { return Math.sqrt((this.x * this.x) + (this.y * this.y) + (this.z * this.z)); }; Mặc dù đây chắc chắn là một cách hợp lệ để định nghĩa các đối tượng theo JavaScript (và đôi khi có thể là cách tốt nhất), mẫu này có vẻ hơi rắc rối. Nó thêm dữ liệu thừa không cần thiết vào mã của bạn khi được so sánh để nắm vững mẫu của nguyên mẫu và định nghĩa các đối tượng hoàn toàn theo phong cách này. Để tóm tắt, bạn định nghĩa đối tượng của mình bằng cách sử dụng một đối tượng bằng chữ, như trong Liệt kê 14. Liệt kê 14. Định nghĩa đối tượng var point = { x: 1, y: 2, r: function () { return Math.sqrt((this.x * this.x) + (this.y * this.y)); } }; Sau đó, như trong Liệt kê 15, bạn thừa kế bằng cách sử dụng Object.create. Liệt kê 15. Thừa kế bằng cách sử dụng Object.create var point3D = Object.create(point); point3D.z = 3; point3D.r = function() { return Math.sqrt((this.x * this.x) + (this.y * this.y) + (this.z * this.z)); }; Phương thức tạo đối tượng này có vẻ tự nhiên trong JavaScript và làm nổi bật những ưu điểm của các đối tượng nguyên mẫu của nó. Tuy nhiên, một nhược điểm của cả hai mẫu của nguyên mẫu và mẫu giả cổ điển là chúng không cung cấp bất kỳ thành phần riêng tư nào. Đôi lúc tính riêng tư không quan trọng và đôi khi nó lại rất quan trọng. Liệt kê 16 hiển thị một mẫu cho phép bạn tạo các đối tượng với các thành phần riêng tư. Trong cuốn sách JavaScript: Các điều tốt, Douglas Crockford gọi mẫu này là mẫu thừa kế chức năng. Liệt kê 16. Mẫu thừa kế chức năng var point = function(spec) { var that = {}; that.getTimesSet = function() { return timesSet; }; that.getX = function() { return spec.x; }; that.setX = function(val) { spec.x = val; }; that.getY = function() { return spec.y; }; that.setY = function(val) { spec.y = val; }; return that; }; var point3D = function(spec) { var that = point(spec); that.getZ = function() { return spec.z; }; that.setZ = function(val) { spec.z = val; }; return that; }; Một hàm khởi tạo dùng để tạo ra các đối tượng của bạn, các thành viên riêng tư được định nghĩa bên trong và các cá thể được tạo ra bằng cách chuyển một spec vào hàm khởi tạo như trong Liệt kê 17. Liệt kê 17. Tạo các thể hiện var p = point({ x: 3, y: 4 }); p.getX(); // => 3 p.setX(5); var p2 = point3D({ x: 1, y: 4, z: 2 }); p.getZ(); // => 2 p.setZ(3);