Organisation von JavaScripten: Konstruktoren, Prototypen und Instanzen

Objektinstanzen mit Konstruktoren und Prototypen

Mit Object-Literalen und dem Revealing Module Pattern haben wir das gebaut, was in anderen Programmiersprachen Singleton oder Klasse mit statischen Methoden genannt wird. Ein solches Modul kommt nur einmal vor und kann nur einen internen Status haben. In vielen Fällen ist es jedoch sinnvoll, mehrere Instanzen (Exemplare) eines Objekts zu erzeugen. In vielen anderen Programmiersprachen würde man dazu eine eigene Klasse definieren und davon Instanzen erzeugen.

In JavaScript gibt es wie eingangs erwähnt keine Klassen. Es gibt jedoch Konstruktor-Funktionen (kurz: Konstruktoren) und prototypische Objekte (kurz: Prototypen).

// Konstruktorfunktion
function Konstruktor() {
  // Zugriff auf das neue Objekt über this,
  // Hinzufügen der Eigenschaften und Methoden
  this.eigenschaft = "wert";
  this.methode = function () {
    // In den Methoden wird ebenfalls über this auf das Objekt zugegriffen
    alert("methode wurde aufgerufen\n" +
      "Instanz-Eigenschaft: " + this.eigenschaft);
  };
}

// Erzeuge Instanzen
var instanz1 = new Konstruktor();
instanz1.methode();
var instanz2 = new Konstruktor();
instanz2.methode();
// usw.

function Katze(name, rasse) {
  this.name = name;
  this.rasse = rasse;
  this.pfoten = 4;
}
var maunzi = new Katze('Maunzi', 'Perserkatze');

var maunzi = new Katze('Maunzi', 'Perserkatze');
alert(maunzi.name + ' ist eine ' + maunzi.rasse);
maunzi.rasse = 'Siamkatze';
alert(maunzi.name + ' ist neuerdings eine ' + maunzi.rasse);

function Katze() {}

Katze.prototype.miau = function () {
  alert("Miau!");
};

var maunzi = new Katze();
mauzi.miau();

Vererbung vom Prototypen zur Instanz

Durch den Aufruf von new Katze wird wie gesagt intern ein zunächst leeres Object erzeugt. Der Prototyp des Konstruktors, Katze.prototype, wird dabei in die sogenannte Prototyp-Kette (Prototype Chain) des Objekts eingehängt. Dies ist eine geordnete Liste mit Objekten, die abgearbeitet wird, wenn auf eine Eigenschaft des Objekts zugegriffen wird.

Ein konkretes Beispiel: Wenn wir den Ausdruck maunzi.miau schreiben, dann arbeitet der JavaScript-Interpreter die Prototyp-Kette ab, um die Eigenschaft namens miau zu finden und damit den Ausdruck aufzulösen. Die Prototyp-Kette von maunzi hat folgende Einträge:

1. maunzi – das Instanzobjekt selbst
2. Katze.prototype – der Prototyp für alle Objekte, die mit dem Katze-Konstruktor erzeugt wurden
3. Object.prototype – der Prototyp, der hinter allen Objekten steht

Das folgende Diagramm zeigt Objekte der Prototyp-Kette und listet deren Eigenschaften auf:

Wenn wir maunzi.miau notieren, dann wird nacheinander an diesen drei Objekten nach der Eigenschaft miau gesucht.

Das Instanzobjekt maunzi besitzt in diesem Beispiel keine sichtbaren Eigenschaften. Intern besitzt maunzi jedoch einen Verweis auf seinen Prototyp, das ist Katze.prototype. Dieser Verweis wird in der unsichtbaren Eigenschaft [[Prototype]] gespeichert und ist in einigen JavaScript-Engines über die besondere Eigenschaft __proto__ les- und schreibbar.

Das Objekt maunzi besitzt also keine Eigenschaft namens miau. Daher folgt der JavaScript-Interpreter dem Verweis zu Prototypen von maunzi: Katze.prototype. Dort wird er fündig, denn dort existiert eine Eigenschaft namens miau. Dies ist eine Funktion und sie kann mit dem Aufruf-Operator (…) ausgeführt werden: mauzi.miau().

Auf diese Weise stehen alle Eigenschaften eines Prototypen, im Beispiel Katze.prototype, auch beim Instanzobjekt zur Verfügung, im Beispiel maunzi. Dies ist das ganze Geheimnis hinter der prototypischen Vererbung. Wenn bei einem Objekt selbst die angeforderten Eigenschaften nicht gefunden wurde, so dienen die Objekte in der Prototyp-Kette als Fallback. Man spricht von einer Delegation (Übertragung, Weitergabe). Das Objekt gibt die Anfrage an seine Prototypen weiter.

Prototypische Vererbung funktioniert grundlegend anders als klassenbasierte Vererbung, denn JavaScript ist eine äußerst dynamische Sprache. Es gibt keine Klassen, die einmal deklariert werden und nach der Kompilierung unveränderlich sind. Über die Prototyp-Kette erben gewöhnliche Objekte von gewöhnlichen Objekten. Jedes Objekt kann der Prototyp eines anderen Objekts werden und »einspringen«, wenn es die angeforderte Eigenschaft nicht selbst bereitstellen kann.

Alle beteiligten Objekte einschließlich der Prototypen können zur Laufzeit beliebig verändert werden. Ein Prototyp ist also im Gegensatz zu einer Klasse kein fester Bauplan für immer gleiche Instanzen, sondern selbst ein beliebiges Objekt, an das Eigenschaftsanfragen delegiert werden. Deshalb ist der Begriff »Instanz« für das Objekt, welches new Katze erzeugt, letztlich irreführend. Wo es keine Klassen als rein abstrakten Bauplan gibt, sondern bloß flexible Objekte mittels Konstruktoren erzeugt werden und von Prototypen erben, so trifft dieser Begriff die Sache nicht. Er wird hier trotzdem der Einfachheit halber verwendet.

Prototypen verstehen: Die Glasplatten-Metapher

Eine hervorragende Veranschaulichung von Prototypen hat Robin Debreuil ausgearbeitet. Er schrieb 2001 ein Tutorial über objektorientierte Programmierung mit ActionScript 1.0 in Flash 5. ActionScript war damals eine Sprache, die auf ECMAScript 3 aufbaute und damit in den Grundzügen mit JavaScript identisch war. Die Sprache ActionScript ist mittlerweile von prototypenbasierter auf klassenbasierte Objektorientierung umgestiegen – für JavaScript sind diese Erklärungen aber immer noch gültig und aufschlussreich.

Die Metapher beschreibt Objekte in der Prototyp-Kette als beklebte Glasplatten. Auf jeder Glasplatte sind farbige Zettel an bestimmten Positionen aufgeklebt. Diese Zettel entsprechen den Objekteigenschaften, die Positionen entsprechen Eigenschaftsnamen. Die Instanz selbst verfügt über ein paar Zettel, sein Prototyp und dessen Prototyp über weitere. Diese können auch an denselben Stellen kleben.

Die Funktionalität, über die die Instanz verfügt, ist nun eine Summe der Zettel der drei Glasplatten: In der Metapher werden die Glasplatten übereinandergelegt. Da sie durchsichtig sind, schimmern durch die Lücken die Zettel auf den darunterliegenden Platten durch. Das Gesamtbild, das sich so ergibt, setzt sich aus den Zetteln der drei Platten zusammen.

Das Objekt ist demnach ein Mosaik, das sich aus den eigenen sowie fremden Eigenschaften zusammensetzt. Welches Objekt in der Prototyp-Kette nun eine gesuchte Eigenschaft bietet, ist unwichtig. An der gesuchten Stelle auf dem Glas ist ein Zettel sichtbar – in der Grafik z.B. oben links, des entspricht einem Eigenschaftsnamen, z.B. eins.

Die Metapher zeigt auch, dass Objekte in der Prototyp-Kette gleiche Eigenschaften bieten können. An der Stelle oben in der Mitte klebt ein gelber Zettel auf der Instanz-Glasplatte, aber auch ein orangener auf der, die Konstruktor.prototype darstellt. Beim Übereinanderlegen ist nur der gelbe Zettel der oben liegenden Instanz-Glasplatte sichtbar, der orangene wird überdeckt. Übertragen heißt das: Eine Eigenschaft kann am Instanzobjekt definiert werden, und schon überschreibt sie eine gleichnamige Eigenschaft am prototype-Objekt des Konstruktors.

Diese Art der Vererbung nennt man Differential Inheritance. Im Gegensatz zur klassenbasierten Vererbung werden beim abgeleiteten Objekt (der Instanz) keine Eigenschaften erzeugt. Die Instanz ist keine Kopie des Prototypen, die Instanz kann sogar leer sein, wie es Katzen-Beispiel der Fall ist. Erst wenn sich die Instanz vom Prototypen unterscheidet, wird bei der Instanz eine Eigenschaft angelegt, die einen anderen Wert als die des Prototypen besitzt. In der Glasplatten-Metapher bedeutet dies: An den Stellen, in denen die Instanz dem Prototyp gleicht, ist die Platte durchsichtig – sie delegiert . Wo sie sich unterscheidet, besitzt sie einen eigenen, andersfarbigen Zettel.

Nehmen wir an, dass hiesige Katzen meistens von der Rasse »Europäisch Kurzhaar« sind. Anstatt dies jedes Mal beim Erzeugen anzugeben, legen wir die Eigenschaft beim Prototypen an:

function Katze() {}
Katze.prototype.rasse = "Europäisch Kurzhaar";

var maunzi = new Katze();
alert(maunzi.rasse);

Greifen wir auf maunzi.rasse zu, so wird die rasse-Eigenschaft nicht bei der Instanz selbst, aber beim Prototypen gefunden. Denn die relevanten Objekte sehen so aus (Object.prototype wird ausgeblendet):

Wenn wir nun eine Katze mit abweichender Rasse erzeugen wollen, so legen wir eine gleichnamige Eigenschaft bei der Instanz an, die die Eigenschaft des Prototypen verdeckt:

var maunzi = new Katze();
alert(maunzi.rasse); // Derzeit noch »Europäisch Kurzhaar« - vererbt vom Prototypen

maunzi.rasse = "Perser";
alert(maunzi.rasse); // Jetzt »Perser« - eigene Eigenschaft

Daraufhin besitzt die Instanz eine eigene, abweichende Eigenschaft:

Private Objekte anstatt private Eigenschaften

Viele klassenbasierte Sprachen erlauben es, die Sichtbarkeit von Instanzeigenschaften festzulegen und unterscheiden beispielsweise zwischen öffentlichen und privaten Eigenschaften.

In JavaScript (ECMAScript 3) gibt es keine Möglichkeit, gewisse Eigenschaften eines Objekts als privat zu deklarieren, sodass sie ausschließlich in Methoden des Objekt zur Verfügung stehen. Sobald wir einem Objekt eine Eigenschaft hinzufügen, ist diese auch überall dort verfügbar, wo das Objekt verfügbar ist.

Das folgende Beispiel zeigt, wie ein Instanzobjekt und auch der Prototyp nachträglich verändert werden können:

function Katze() {}

Katze.prototype.pfoten = 4;
Katze.prototype.miau = function () {
  alert("Miau!");
};

var maunzi = new Katze();
var schnucki = new Katze();

// Erzeuge eine gleichnamige Eigenschaft bei der Instanz,
// um die vom Prototyp vererbte Eigenschaft zu überdecken:
maunzi.pfoten = 5;
alert('Maunzi hat nun ' + maunzi.pfoten + ' Pfoten.');

// Überschreibe Methode des Prototyps:
Katze.prototype.miau = function () {
  alert("Wau, wau!");
};
schnucki.miau();

Plötzlich hat Maunzi fünf Pfoten und alle Katzen sagen »wau« anstatt »miau«. Dies ist sowohl ein Defizit von ECMAScript 3 als auch eine Stärke: Prototypen sind nicht abgeschlossen und Objekte immer erweiterbar. Erst ab ECMAScript 5 is es möglich, eine Eigenschaft als nicht überschreibbar und ein Objekt als nicht erweiterbar zu deklarieren.

Wie gesagt gibt es keine privaten Eigenschaften im Wortsinn, auch wenn manche diesen Begriff auch auf JavaScript anwenden. Denn wenn ein Objekt an der Instanz hängt, ist es in ECMAScript 3 auch notwendig nach außen sichtbar und unkontrolliert überschreibbar.

Wir können jedoch einen Trick anwenden, den wir bereits vom Revealing Module Pattern kennen: In einem Funktions-Scope notieren wir lokale Variablen und zudem die öffentlichen Methoden des Objekts. Die öffentlichen Methoden haben auf erstere Zugriff, weil sie im selben Scope erzeugt wurden und damit Closures sind. Daher handelt es sich um sogenannte privilegierte Methoden.

Da der Konstruktor bereits einen Funktions-Scope bereitstellt, nutzen wir kurzerhand diesen für private Objekte. Damit die Methoden auf die privaten Objekte Zugriff haben, müssen sie im Konstruktor erzeugt und dürfen nicht über den Prototyp definiert werden. Über this werden sie ans Instanzobjekt gehängt.

function Katze(name) {
  // --- Private Objekte ---

  // Private Variablen
  var pfoten = 4;
  var gestreichelt = 0;
  // Der Parameter »name« ist ebenfalls privat

  // Private Funktionen
  function miau() {
    alert(name + ' macht miau!');
  }

  // --- Öffentliche (privilegierte) Eigenschaften ---

  this.name = name;

  // Öffentliche Methoden
  this.kitzeln = function () {
    alert(name + ' hat ' + pfoten + ' kitzlige Pfoten.');
    miau();
  };
  this.streicheln = function () {
    gestreichelt++;
    miau();
  };
}

var maunzi = new Katze('Maunzi');
maunzi.kitzeln();
maunzi.streicheln();

alert('maunzi.name: ' + maunzi.name);
// pfoten ist keine Objekt-Eigenschaft, also von außen unzugänglich:
alert('maunzi.pfoten: ' + maunzi.pfoten);

Der Konstruktor nimmt hier den Parameter name entgegen. Dieser ist automatisch eine lokale Variable. Zusätzlich werden zwei lokalen Variablen (pfoten, gestreichelt) sowie eine lokale Funktion (miau) angelegt. Der leeren Instanz werden eine Eigenschaft (name) und zwei öffentliche Methoden (kitzeln, streicheln) angehängt, die als verschachtelte Funktionsausdrücke notiert werden.

Nach dem Anlegen einer Katze mit dem Namen Maunzi werden die beiden Methoden aufgerufen. Sie haben Lese- und Schreibzugriff auf die privaten Objekte und können auch die private Funktion ausführen, welche von außen nicht zugänglich sind.

Wie das Beispiel zeigt, können auch private Funktionen angelegt werden. Private Funktionen können zum Beispiel interne, in verschiedenen Methoden verwendete Helfer sein. Sie entsprechen privaten Methoden in klassenbasierten Sprachen. Dieser Begriff ist auf JavaScript nicht anwendbar, da es sich eben nicht um Methoden des Instanzobjekt handelt. Sie sind lediglich in den tatsächlichen Instanzmethoden verfügbar, da diese Zugriff auf die Variablen des Konstruktor-Scopes haben.

Nachteile von privaten Objekten

Der gravierende Unterschied zu den vorigen Beispielen ist, dass die Nutzung des Prototyps und damit die Vererbung wegfällt. Anstatt die Methoden einmal am Prototyp zu erzeugen, werden sie bei jeder Instanz im Konstruktor von neuem angelegt. Heraus kommt folgende Prototyp-Kette:

Der Prototyp Katze.prototype ist also leer, die Eigenschaften hängen direkt an der Instanz und werden nicht vererbt. Dies hat verschiedene Konsequenzen:

Ein Überschreiben oder Löschen dieser Eigenschaften über den Prototyp ist nicht möglich. Ein nachträgliches Erweitern des Prototyps ist möglich. Solche Methoden sind allerdings nicht privilegiert, haben also keinen Zugriff auf private Objekte. Denn sie wurden nicht im Konstruktor definiert und schließen die privaten Objekte nicht ein. Aus demselben Grund ist kein nachträgliches Hinzufügen von privaten Objekten möglich.

Mit jedem Erzeugen einer Katze-Instanz werden alle Eigenschaften von neuem erzeugt. Die Instanzen teilen sich ihre Eigenschaften nicht mit anderen Katze-Instanzen. Dies wirkt sich negativ auf die Performance aus: Das Anlegen der Eigenschaften kostet Zeit und Arbeitsspeicher. Werden z.B. zehn Katzen instantiiert, so werden 20 Funktionsobjekte erzeugt (zehn mal kitzeln und streicheln). Würden die Instanzen diese Methoden vom Prototyp erben, so müssten sie nur einmal am Prototyp erzeugt werden.

Wozu Kapselung gut ist und wann sie nötig ist

Kapselung in objektorientiertem JavaScript hat zwei Bedeutungen: Zum einen wird das Programm so strukturiert, dass es möglichst nicht mit anderen Scripten in Konflikt kommt. Zum anderen bedeutet Kapselung die Trennung zwischen öffentlichen und privaten Objekten. Auf die öffentlichen können andere Scripte von außen zugreifen, die privaten sind diesen verborgen.

Die erste Art der Kapselung ist in jedem Fall sinnvoll, denn alle Scripte teilen sich das globale window-Objekt und müssen dafür Sorge tragen, nicht die Objekte anderer Scripte zu überschreiben.

Eine effektive Kapselung der zweiten Art bringt jedoch Nachteile mit sich. Wann also brauchen wir sie und in welchem Umfang?

Das Konzept der Kapselung in der objektorientierten Programmierung hat den Zweck, zwischen einer öffentlichen Programmierschnittstelle (API) und der internen Implementierung zu unterscheiden. Sie hilft in aller erster Linie dem Programmierer, gut strukturierte, wiederverwendbare Software zu schreiben.

Die öffentliche Schnittstelle, also die Menge an öffentlichen Methoden, wird dokumentiert und von anderen Programmierern angesteuert. Sie bleibt idealerweise über mehrere Programmversionen gleich. Sie kann natürlich erweitert und beizeiten durch eine leistungsfähigere und flexiblere Schnittstelle ergänzt werden.

Die privaten Objekte umfassen alle Variablen und Methoden, die nur intern Gebrauch finden und die tatsächliche Implementierung strukturieren. Ein bloßer Anwender des Scriptes muss diese nicht kennen. Von Version zu Version kann sich die interne Umsetzung und somit die privaten Objekte ändern, während die Funktionalität nach außen hin gleich bleibt.

Ein zweiter Grund für Kapselung ist die effektive Sicherheit: Ein fremdes Script soll die Interna nicht lesen und manipulieren können. Dies ist in anderen Sprachen sehr wichtig, um robuste Programme zu ermöglichen. Der Aspekt der tatsächlichen Unsichtbarkeit ist im Falle von JavaScript jedoch nachrangig:

• Wenn ein Script ein anderes manipulieren will, dann ist das auf die eine oder andere Art möglich, weil ECMAScript 3 so dynamisch ist. Erst ECMAScript 5 ermöglicht es, einzelne Objekteigenschaften oder ganze Objekte »einzufrieren« und vor Manipulation zu schützen.
• Mit Tricks ist es bei einigen JavaScript-Interpretern möglich, auf einen privaten Funktions-Scope zuzugreifen.
• Es kann durchaus von Vorteil sein, die Interna eines Scriptes lesen, abändern und erweitern zu können. Das gehört zu den Features von JavaScript.

var Modul = {
  // Öffentliche Eigenschaften
  öffentlicheMethode : function () {
    alert(this._privateMethode());
  },
  // Pseudo-private Eigenschaften
  _privateEigenschaft : 1;
  _privateMethode : function () {
    this._privateEigenschaft++;
    return this._privateEigenschaft;
  }
};
Module.öffentlicheMethode();

function Konstruktor() {}

// Öffentliche Eigenschaften
Konstruktor.prototype.öffentlicheMethode = function () {
  alert(this._privateMethode());
};

// Pseudo-private Eigenschaften
Konstruktor.prototype._privateEigenschaft = 1;
Konstruktor.prototype._privateMethode = function () {
  this._privateEigenschaft++;
  return this._privateEigenschaft;
};

var instanz = new Konstruktor();
instanz.öffentlicheMethode();