JavaScript—ES6 元编程（5）

几年前 ES6 刚出来的时候接触过 元编程（Metaprogramming）的概念，不过当时还没有深究。在应用和学习中不断接触到这概念，比如 mobx 5 中就用到了 Proxy 重写了 Observable 对象，觉得有必要梳理总结一下。

本文并非是一篇传统意义上的教程，总结的是自己学习 ES6 元编程相关知识（Symbols & Proxy & Reflect）的理解、教程文档 和 代码片段。

1、理解元编程
Symbol、Reflect 和 Proxy 是属于 ES6 元编程范畴的，能“介入”的对象底层操作进行的过程中，并加以影响。元编程中的 元 的概念可以理解为 程序 本身。

”元编程能让你拥有可以扩展程序自身能力“。这句话还是很抽象，初学者该怎么理解呢？

我也理解了半天，想到了下面的例子：

就好比你原本是公司的部门的大主管，虽然你能力很强，但也必须按照规章制度做事，比如早上 8 点必须到公司，否则你就要扣绩效；而后来公司基本规定灵活了，每个部门可以自己制定打卡制度，此时身为主管的你，依据公司该基本规定，制定自己部门的考勤制度，本部门的职工可以 9 点来公司，还可以不打卡！（当然还可以制定其他规定）

在这个例子中：

”整个公司“就相当于 JS 引擎
”公司的基本规章制度“就相当于 JS 运行机制和语法，员工办事最低要求就是遵照公司的规章制度
”在此基础上，你拥有管理部门的权力，负责开发并维护一些产品“，这种行为就相当于平时普通的编程；
公司的基本规定变灵活之后，你除了拥有以前管理员工的权力之外，”还拥有更改制度（针对该部门）的能力，这样就可以从制度层面影响员工的最低要求行为“，这里更改规章制度就相当于 元编程 了；
这里的例子不一定准确，是我个人的理解，权做参考，也可以去看看知乎上 怎么理解元编程？ 的问答。

借助这个例子理解元编程，我们能感知在没有元编程能力的时候，就算你编程能力很厉害，但终究“孙悟空翻不出五指山”；而掌握了元编程能力之后，就差上天了，“给你一个支点，你就能撬动地球”，能力大大扩增。

简言之，元编程让你具备一定程度上改变现有的程序规则层面的能力。或者说，元编程可以让你以某种形式去影响或更改程序运行所依赖的基础功能，以此获得一些维护性、效率上的好处。

Javascript 中，eval、new Function()便是两个可以用来进行元编程的特性。不过因为性能和可维护的角度上，这两个特性还是不要用为妙。

在 ES6 之后，标准引入了 Proxy & Reflect & Symbols，从而提供比较完善的元编程能力。

2、学习 ES6 元编程的资源
我原本也想仔细讲讲 ES6 中 Symbol、Proxy 和 Reflect 的基本概念和使用的，但网上这方面的文章不要太多，觉得重复码字也没有太必要。这里着重推荐几篇，分为教程类和手册类，通读完之后应该就掌握差不多了。

元编程在 ES6 体现最为突出的是 Proxy 的应用，目前我所找的文章也多偏向 Proxy。

原理教程类：

深入浅出ES6（十二）：代理 Proxies：ES6 深入浅出系列，个人推荐认真读完该文章。本文的作者实现了 ES6 的 Reflect 特性，所以他对 ES6 这两个特性理解是最为深刻的，他的文章自然要深度阅读。
ES6 Proxies in Depth：和其他教程相比，该文章篇幅稍微短一些，能较为快速得掌握概念和一些实际应用。
Metaprogramming with proxies：来自 《Exploring ES6》书籍摘选，基础入门。
Chapter 7: Meta Programming：经典的 《You Don't Know JS》系列文章，深入浅出，文章够长，需要一些耐心。
Metaprogramming in ES6: Symbols and why they're awesome：本篇就是基于 Symbols、Reflect、Proxy 等实现元编程的教程系列教程，内容也足够详实。
ES6学习笔记： 代理和反射：非常详实地整理了 Proxy 和 Reflect 相关的知识点，只是阅读起来略微枯燥。
应用教程类：

ES6 Features - 10 Use Cases for Proxy：收集了 10 个 proxy 的具体应用场景，具体的代码放在 jsProxy 仓库中
从ES6重新认识JavaScript设计模式(五): 代理模式和Proxy：本文从设计模式上去理解 Proxy 的应用
使用 Javascript 原生的 Proxy 优化应用 ：文章涉及到 Proxy 的基本用法、如何使用 Proxy 创建代理模式，以及如何对应用进行优化。
手册类：

MDN - Proxy：MDN 上的 Proxy 官方文档
MDN - Reflect：MDN 上的 Reflect 官方文档
MDN - 元编程：MDN 官方文档教程，介绍了元编程的概念，应该算是比较抽象的，当手册翻翻不错；
ECMAScript 6 入门 - Proxy：阮一峰翻译的 《ECMAScript 6 入门》 教程
ES6 自定义JavaScript语言行为的 Proxy 对象：算是简明版的中文版的 API 手册
在没充分理解元编程之前翻手册还是挺枯燥的，建议平时使用的时候再从这里补漏
随着时间的推移，上面收集的文章可能会显得陈旧，又有可能出现新的好文章，推荐在搜索引擎中使用 js Metaprogramming 或者 es6 proxy 进行搜索相关文章；

3、代码片段
下面摘抄一些代码片段，方便自己后续在应用 JS 元编程的时候快速 "借鉴"。你们如果也有觉得不错的代码片段，欢迎在 issue 中回复，我将不定期更新到这儿。

目录
Schema 校验
自动填充对象
进制转换
缓存代理
实现私有属性
函数节流
图片懒加载
监听属性更改
实现单例模式
Python 那样截取数组

Schema 校验 ↑
示例来自 ES6 Proxies in Depth
场景：person 是一个普通对象，包含一个 age 属性，当我们给它赋值的时候确保是大于零的数值，否则赋值失败并抛出异常。

var person = { age: 27 };

思路：通过设置 set trap，其中包含了对 age 字段的校验逻辑。

代码：

 
var validator = {
  set (target, key, value) {
    if (key === 'age') {
      if (typeof value !== 'number' || Number.isNaN(value)) {
        throw new TypeError('Age must be a number')
      }
      if (value <= 0) {
        throw new TypeError('Age must be a positive number')
      }
    }
    return true
  }
}
var proxy = new Proxy(person, validator)
proxy.age = 'foo'
// <- TypeError: Age must be a number
proxy.age = NaN
// <- TypeError: Age must be a number
proxy.age = 0
// <- TypeError: Age must be a positive number
proxy.age = 28
console.log(person.age)
// <- 28

自动填充对象 ↑

场景：创建一个Tree()函数来实现以下特性，当我们需要时，所有中间对象 branch1、branch2 和 branch3 都可以自动创建。

 
var tree = Tree();
tree
//    { }
tree.branch1.branch2.twig = "green";
// { branch1: { branch2: { twig: "green" } } }
 
tree.branch1.branch3.twig = "yellow";
 
// { branch1: { branch2: { twig: "green" },
//                 branch3: { twig: "yellow" }}}

思路：Tree 返回的就是一个 proxy 实例，通过 get trap ，当不存在属性的时候自动创建一个子树。

代码：

 
  function Tree() {
    return new Proxy({}, handler);
  }
  var handler = {
    get: function (target, key, receiver) {
      if (!(key in target)) {
        target[key] = Tree();  // 自动创建一个子树
      }
      return Reflect.get(target, key, receiver);
    }
  };

进制转换 ↑
场景：比如将 2 进制转换成 16 进制或者 8 进制，反之也能转换。

思路：由于大部分的功能是相同的，我们通过函数名字将变量提取出来，然后通过 get trap 完成进制转换。

代码：

 
const baseConvertor = new Proxy({}, {
  get: function baseConvert(object, methodName) {
    var methodParts = methodName.match(/base(\d+)toBase(\d+)/);
    var fromBase = methodParts && methodParts[1];
    var toBase = methodParts && methodParts[2];
    if (!methodParts || fromBase > 36 || toBase > 36 || fromBase < 2 || toBase < 2) {
      throw new Error('TypeError: baseConvertor' + methodName + ' is not a function');
    }
    return function (fromString) {
      return parseInt(fromString, fromBase).toString(toBase);
    }
  }
});
 
baseConvertor.base16toBase2('deadbeef') === '11011110101011011011111011101111';
baseConvertor.base2toBase16('11011110101011011011111011101111') === 'deadbeef';

缓存代理 ↑

场景：以没有经过任何优化的计算斐波那契数列的函数来假设为开销很大的方法，这种递归调用在计算 40 以上的斐波那契项时就能明显的感到延迟感。希望通过缓存来改善。

const getFib = (number) => {
  if (number <= 2) {
    return 1;
  } else {
    return getFib(number - 1) + getFib(number - 2);
  }
}

注：这只是演示缓存的写法，递归调用本身就有问题，容易导致内存泄露，在实际应用中需要改写上述的 getFib 函数。

思路：因为是函数调用，所以需使用 apply trap，利用 Map 或者普通对象存储每次计算的结果，在执行运算前先去 Map 查询计算值是否被缓存。（相当于以空间换时间，获得性能提升）

代码：

 
const getCacheProxy = (fn, cache = new Map()) => {
  return new Proxy(fn, {
    apply(target, context, args) {
      const argsString = args.join(' ');
      if (cache.has(argsString)) {
        // 如果有缓存,直接返回缓存数据
        console.log(`输出${args}的缓存结果: ${cache.get(argsString)}`);
        
        return cache.get(argsString);
      }
      const result = Reflect.apply(target, undefined, args);
      cache.set(argsString, result);
 
      return result;
    }
  })
}
 
const getFibProxy = getCacheProxy(getFib);
getFibProxy(40); // 102334155
getFibProxy(40); // 输出40的缓存结果: 102334155

在实际应用中数据量越大、计算过程越复杂，优化效果越好，否则有可能会得不偿失。

实现私有属性 ↑
场景：众所周知，JavaScript是没有私有属性这一个概念的，私有属性一般是以 下划线开头，请通过 Proxy 限制以 开头的属性的访问。

const myObj = {
  public: 'hello',
  _private: 'secret',
  method: function () {
    console.log(this._private);
  }
},

思路：看上去比较简单，貌似使用 get、set 这两个 trap 就可以，但实际上并不是。实际上还需要实现 has, ownKeys , getOwnPropertyDescriptor 这些 trap，这样就能最大限度的限制私有属性的访问。

代码：

function getPrivateProps(obj, filterFunc) {
  return new Proxy(obj, {
    get(obj, prop) {
      if (!filterFunc(prop)) {
        let value = Reflect.get(obj, prop);
        // 如果是方法, 将this指向修改原对象
        if (typeof value === 'function') {
          value = value.bind(obj);
        }
        return value;
      }
    },
    set(obj, prop, value) {
      if (filterFunc(prop)) {
        throw new TypeError(`Can't set property "${prop}"`);
      }
      return Reflect.set(obj, prop, value);
    },
    has(obj, prop) {
      return filterFunc(prop) ? false : Reflect.has(obj, prop);
    },
    ownKeys(obj) {
      return Reflect.ownKeys(obj).filter(prop => !filterFunc(prop));
    },
    getOwnPropertyDescriptor(obj, prop) {
      return filterFunc(prop) ? undefined : Reflect.getOwnPropertyDescriptor(obj, prop);
    }
  });
}
 
function propFilter(prop) {
  return prop.indexOf('_') === 0;
}
 
myProxy = getPrivateProps(myObj, propFilter);
 
console.log(JSON.stringify(myProxy)); // {"public":"hello"}
console.log(myProxy._private); // undefined
console.log('_private' in myProxy); // false
console.log(Object.keys(myProxy)); // ["public", "method"]
for (let prop in myProxy) { console.log(prop); }    // public  method
myProxy._private = 1; // Uncaught TypeError: Can't set property "_private"

注意：其中在 get 方法的内部，我们有个判断，如果访问的是对象方法使将 this 指向被代理对象，这是在使用 Proxy 需要十分注意的，如果不这么做方法内部的 this 会指向 Proxy 代理。

一般来讲， set trap 都会默认触发 getOwnPropertyDescriptor 和 defineProperty

函数节流 ↑

场景：控制函数调用的频率.

const handler = () => console.log('Do something...');
document.addEventListener('scroll', handler);

思路：涉及到函数的调用，所以使用 apply trap 即可。

代码：

const createThrottleProxy = (fn, rate) => {
  let lastClick = Date.now() - rate;
  return new Proxy(fn, {
    apply(target, context, args) {
      if (Date.now() - lastClick >= rate) {
        fn.bind(target)(args);
        lastClick = Date.now();
      }
    }
  });
};
 
const handler = () => console.log('Do something...');
const handlerProxy = createThrottleProxy(handler, 1000);
document.addEventListener('scroll', handlerProxy);

同样需要注意使用 bind 绑定上下文，不过这里的示例使用了箭头函数，不用 bind 也没啥问题。

图片懒加载 ↑

场景：为了更好的用户体验，在加载图片的时候，使用 loading 占位图，等真正图片加载完毕之后再显示出来。原始的写法如下：

const img = new Image();
img.src = '/some/big/size/image.jpg';
document.body.appendChild(img);

思路：加载图片的时候，会读取 img.src 属性，我们使用 constructor trap 控制在创建的时候默认使用 loading 图，等加载完毕再将真实地址赋给 img;

代码：

 
 const IMG_LOAD = 'https://img.alicdn.com/tfs/TB11rDdclLoK1RjSZFuXXXn0XXa-300-300.png';
 
  const imageProxy = (loadingImg) => {
      return new Proxy(Image, {
          construct(target, args){
              const instance = Reflect.construct(target, args);
              instance.src = loadingImg;
              return instance;
          }
      });
  };
 
  const ImageProxy = imageProxy(IMG_LOAD);
 
  const createImageProxy = (realImg) =>{
      const img = new ImageProxy();
      const virtualImg = new Image();
      virtualImg.src = realImg;
      virtualImg.onload = () => {
          hasLoaded = true;
          img.src = realImg;
      };
      return img;
  }
  var img = createImageProxy('https://cdn.dribbble.com/users/329207/screenshots/5289734/bemocs_db_dribbble_03_gold_leaf.jpg');
  document.body.appendChild(img);

监听属性更改 ↑

场景：当普通对象属性更改后，触发所绑定的 onChange 回调；

思路：能更改属性的有 set 和 deleteProperty 这两个 trap，在其中调用 onChange 方法即可

 
function trackChange(obj, onChange) {
    const handler = {
        set (obj, prop, value) {
            const oldVal = obj[prop];
            Reflect.set(obj, prop, value);
            onChange(obj, prop, oldVal, value);
        },
        deleteProperty (obj, prop) {
            const oldVal = obj[prop];
            Reflect.deleteProperty(obj, prop);
            onChange(obj, prop, oldVal, undefined);
        }
    };
    return new Proxy(obj, handler);
}
 
// 应用在对象上
let myObj = trackChange({a: 1, b: 2}, function (obj, prop, oldVal, newVal) {
    console.log(`myObj.${prop} changed from ${oldVal} to ${newVal}`);
});
 
myObj.a = 5;     // myObj.a changed from 1 to 5
delete myObj.b;  // myObj.b changed from 2 to undefined
myObj.c = 6;     // myObj.c changed from undefined to 6
 
// 应用在数组上
let myArr = trackChange([1,2,3], function (obj, prop, oldVal, newVal) {
    let propFormat = isNaN(parseInt(prop)) ? `.${prop}` : `[${prop}]`,
        arraySum = myArr.reduce((a,b) => a + b);
    console.log(`myArr${propFormat} changed from ${oldVal} to ${newVal}`);
    console.log(`  sum [${myArr}] = ${arraySum}`);
});
 
myArr[0] = 4;      // myArr[0] changed from 1 to 4         
                   //   sum [4,2,3] = 9
delete myArr[2];   // myArr[2] changed from 3 to undefined                
                   //   sum [4,2,] = 6
myArr.length = 1;  // myArr.length changed from 3 to 1                
                   //   sum [4] = 4

实现单例模式 ↑

场景：实现单例设计模式；

思路：和创建有关的，是 construct 这个 trap，每次我们返回相同的实例即可。

代码：

 
// makes a singleton proxy for a constructor function
function makeSingleton(func) {
    let instance,
        handler = {
            construct: function (target, args) {
                if (!instance) {
                    instance = new func();
                }
                return instance;
            }
        };
    return new Proxy(func, handler);
}
 
 
// 以这个为 constructor 为例
function Test() {
    this.value = 0;
}
 
// 普通创建实例
const t1 = new Test(),
    t2 = new Test();
t1.value = 123;
console.log('Normal:', t2.value);  // 0 - 因为 t1、t2 是不同的实例
 
// 使用 Proxy 来 trap 构造函数, 完成单例模式
const TestSingleton = makeSingleton(Test),
    s1 = new TestSingleton(),
    s2 = new TestSingleton();
s1.value = 123;
console.log('Singleton:', s2.value);  // 123 - 现在 s1、s2 是相同的实例。

像 Python 那样截取数组 ↑

场景：在 python 中，你可以使用 list[10:20:3] 来获取 10 到 20 索性中每隔 3 个的元素组成的数组（也支持负数索引）。

思路：由于在 JS 中，数组方括号语法中不支持冒号，只能曲线救国，使用这样 list["10:20:3"] 的形式。只需要实现 get trap 即可。

 
// Python-like array slicing
 
function pythonIndex(array) {
 
    function parse(value, defaultValue, resolveNegative) {
        if (value === undefined || isNaN(value)) {
            value = defaultValue;
        } else if (resolveNegative && value < 0) {
            value += array.length;
        }
        return value;
    }
    
    function slice(prop) {
        if (typeof prop === 'string' && prop.match(/^[+-\d:]+$/)) {
            // no ':', return a single item
            if (prop.indexOf(':') === -1) {
                let index = parse(parseInt(prop, 10), 0, true);
                console.log(prop, '\t\t', array[index]);
                return array[index];
            }                
            // otherwise: parse the slice string
            let [start, end, step] = prop.split(':').map(part => parseInt(part, 10));
            step = parse(step, 1, false);
            if (step === 0) {
                throw new RangeError('Step can\'t be zero');
            }
            if (step > 0) {
                start = parse(start, 0, true);
                end = parse(end, array.length, true);
            } else {
                start = parse(start, array.length - 1, true);
                end = parse(end, -1, true);
            }
            // slicing
            let result = [];
            for (let i = start; start <= end ? i < end : i > end; i += step) {
                result.push(array[i]);
            }
            console.log(prop, '\t', JSON.stringify(result));
            return result;
        }
    }
    const handler = {
        get (arr, prop) {
            return slice(prop) || Reflect.get(array, prop);
        }
    };
    return new Proxy(array, handler);
}
// try it out
let values = [0,1,2,3,4,5,6,7,8,9],
    pyValues = pythonIndex(values);
console.log(JSON.stringify(values));
pyValues['-1'];      // 9
pyValues['0:3'];     // [0,1,2]    
pyValues['8:5:-1'];  // [8,7,6]
pyValues['-8::-1'];  // [2,1,0]
pyValues['::-1'];    // [9,8,7,6,5,4,3,2,1,0]
pyValues['4::2'];    // [4,6,8]
// 不影响正常的索引
pyValues[3];         // 3

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