浅析Python的类、继承和多态

esky 2年前
   <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/08b4cb97366a671bf95f4eb1f9feb6a2.jpg"></p>    <h2>类的定义</h2>    <p>假如要定义一个类 Point,表示二维的坐标点:</p>    <pre>  <code class="language-python"># point.py      class Point:          def __init__(self, x=0, y=0):              self.x, self.y = x, y    </code></pre>    <p>最最基本的就是 __init__ 方法,相当于 C++ / Java 的构造函数。带双下划线 __ 的方法都是特殊方法,除了 __init__ 还有很多,后面会有介绍。</p>    <p>参数 self 相当于 C++ 的 this,表示当前实例,所有方法都有这个参数,但是调用时并不需要指定。</p>    <pre>  <code class="language-python">>>> from point import *      >>> p = Point(10, 10) # __init__ 被调用      >>> type(p)      <class 'point.Point'>      >>> p.x, p.y      (10, 10)    </code></pre>    <p>几乎所有的特殊方法(包括 __init__)都是隐式调用的(不直接调用)。</p>    <p>对一切皆对象的 Python 来说,类自己当然也是对象:</p>    <pre>  <code class="language-python">>>> type(Point)      <class 'type'>      >>> dir(Point)      ['__class__', '__delattr__', '__dict__', ..., '__init__', ...]      >>> Point.__class__      <class 'type'>    </code></pre>    <p>Point 是 type 的一个实例,这和 p 是 Point 的一个实例是一回事。</p>    <p>现添加方法 set:</p>    <pre>  <code class="language-python">class Point:          ...          def set(self, x, y):              self.x, self.y = x, y    </code></pre>    <pre>  <code class="language-python">>>> p = Point(10, 10)      >>> p.set(0, 0)      >>> p.x, p.y      (0, 0)    </code></pre>    <p>p.set(...) 其实只是一个语法糖,你也可以写成 Point.set(p, ...),这样就能明显看出 p 就是 self 参数了:</p>    <pre>  <code class="language-python">>>> Point.set(p, 0, 0)      >>> p.x, p.y      (0, 0)    </code></pre>    <p>值得注意的是,self 并不是关键字,甚至可以用其它名字替代,比如 this:</p>    <pre>  <code class="language-python">class Point:      ...      def set(this, x, y):      this.x, this.y = x, y    </code></pre>    <p>与 C++ 不同的是,“成员变量”必须要加 self. 前缀,否则就变成类的属性(相当于 C++ 静态成员),而不是对象的属性了。</p>    <h2>访问控制</h2>    <p>Python 没有 public / protected / private 这样的访问控制,如果你非要表示“私有”,习惯是加双下划线前缀。</p>    <pre>  <code class="language-python">class Point:          def __init__(self, x=0, y=0):              self.__x, self.__y = x, y                 def set(self, x, y):              self.__x, self.__y = x, y                 def __f(self):              pass    </code></pre>    <p>__x、__y 和 __f 就相当于私有了:</p>    <pre>  <code class="language-python">>>> p = Point(10, 10)      >>> p.__x      ...      AttributeError: 'Point' object has no attribute '__x'      >>> p.__f()      ...      AttributeError: 'Point' object has no attribute '__f'    </code></pre>    <h2>_repr_</h2>    <p>尝试打印 Point 实例:</p>    <pre>  <code class="language-python">>>> p = Point(10, 10)      >>> p      <point.Point object at 0x000000000272AA20>    </code></pre>    <p>通常,这并不是我们想要的输出,我们想要的是:</p>    <pre>  <code class="language-python">>>> p      Point(10, 10)    </code></pre>    <p>添加特殊方法 __repr__ 即可实现:</p>    <pre>  <code class="language-python">class Point:      def __repr__(self):      return 'Point({}, {})'.format(self.__x, self.__y)    </code></pre>    <p>不难看出,交互模式在打印 p 时其实是调用了 repr(p):</p>    <pre>  <code class="language-python">>>> repr(p)      'Point(10, 10)'    </code></pre>    <h2>_str_</h2>    <p>如果没有提供 __str__,str() 缺省使用 repr() 的结果。</p>    <p>这两者都是对象的字符串形式的表示,但还是有点差别的。简单来说,repr() 的结果面向的是解释器,通常都是合法的 Python 代码,比如 Point(10, 10);而 str() 的结果面向用户,更简洁,比如 (10, 10)。</p>    <p>按照这个原则,我们为 Point 提供 __str__ 的定义如下:</p>    <pre>  <code class="language-python">class Point:      def __str__(self):      return '({}, {})'.format(self.__x, self.__y)    </code></pre>    <h2>_add_</h2>    <p>两个坐标点相加是个很合理的需求。</p>    <pre>  <code class="language-python">>>> p1 = Point(10, 10)      >>> p2 = Point(10, 10)      >>> p3 = p1 + p2      Traceback (most recent call last):      File "<stdin>", line 1, in <module>      TypeError: unsupported operand type(s) for +: 'Point' and 'Point'    </code></pre>    <p>添加特殊方法 __add__ 即可做到:</p>    <pre>  <code class="language-python">class Point:      def __add__(self, other):      return Point(self.__x + other.__x, self.__y + other.__y)    </code></pre>    <pre>  <code class="language-python">>>> p3 = p1 + p2      >>> p3      Point(20, 20)    </code></pre>    <p>这就像 C++ 里的操作符重载一样。</p>    <p>Python 的内建类型,比如字符串、列表,都“重载”了 + 操作符。</p>    <p>特殊方法还有很多,这里就不逐一介绍了。</p>    <h2>继承</h2>    <p>举一个教科书中最常见的例子。Circle 和 Rectangle 继承自 Shape,不同的图形,面积(area)计算方式不同。</p>    <pre>  <code class="language-python"># shape.py             class Shape:          def area(self):              return 0.0                    class Circle(Shape):          def __init__(self, r=0.0):              self.r = r                 def area(self):              return math.pi * self.r * self.r             class Rectangle(Shape):          def __init__(self, a, b):              self.a, self.b = a, b                 def area(self):              return self.a * self.b    </code></pre>    <p>用法比较直接:</p>    <pre>  <code class="language-python">>>> from shape import *      >>> circle = Circle(3.0)      >>> circle.area()      28.274333882308138      >>> rectangle = Rectangle(2.0, 3.0)      >>> rectangle.area()      6.0    </code></pre>    <p>如果 Circle 没有定义自己的 area:</p>    <pre>  <code class="language-python">class Circle(Shape):      pass    </code></pre>    <p>那么它将继承父类 Shape 的 area:</p>    <pre>  <code class="language-python">>>> Shape.area is Circle.area      True    </code></pre>    <p>一旦 Circle 定义了自己的 area,从 Shape 继承而来的那个 area 就被重写(overwrite)了:</p>    <pre>  <code class="language-python">>>> from shape import *      >>> Shape.area is Circle.area      False    </code></pre>    <p>通过类的字典更能明显地看清这一点:</p>    <pre>  <code class="language-python">>>> Shape.__dict__['area']      <function Shape.area at 0x0000000001FDB9D8>      >>> Circle.__dict__['area']      <function Circle.area at 0x0000000001FDBB70>    </code></pre>    <p>所以,子类重写父类的方法,其实只是把相同的属性名绑定到了不同的函数对象。可见 Python 是没有覆写(override)的概念的。</p>    <p>同理,即使 Shape 没有定义 area 也是可以的,Shape 作为“接口”,并不能得到语法的保证。</p>    <p>甚至可以动态的添加方法:</p>    <pre>  <code class="language-python">class Circle(Shape):      ...      # def area(self):      # return math.pi * self.r * self.r      # 为 Circle 添加 area 方法。      Circle.area = lambda self: math.pi * self.r * self.r    </code></pre>    <p>动态语言一般都是这么灵活,Python 也不例外。</p>    <p>Python 官方教程「9. Classes」第一句就是:</p>    <p>Compared with other programming languages, Python’s class mechanism adds classes with a minimum of new syntax and semantics.</p>    <p>Python 以最少的新的语法和语义实现了类机制,这一点确实让人惊叹,但是也让 C++ / Java 程序员感到颇为不适。</p>    <h2>多态</h2>    <p>如前所述,Python 没有覆写(override)的概念。严格来讲,Python 并不支持「多态」。</p>    <p>为了解决继承结构中接口和实现的问题,或者说为了更好的用 Python 面向接口编程(设计模式所提倡的),我们需要人为的设一些规范。</p>    <p>请考虑 Shape.area() 除了简单的返回 0.0,有没有更好的实现?</p>    <p>以内建模块 asyncio 为例,AbstractEventLoop 原则上是一个接口,类似于 Java 中的接口或 C++ 中的纯虚类,但是 Python 并没有语法去保证这一点,为了尽量体现 AbstractEventLoop 是一个接口,首先在名字上标志它是抽象的(Abstract),然后让每个方法都抛出异常 NotImplementedError。</p>    <pre>  <code class="language-python">class AbstractEventLoop:      def run_forever(self):      raise NotImplementedError      ...    </code></pre>    <p>纵然如此,你是无法禁止用户实例化 AbstractEventLoop 的:</p>    <pre>  <code class="language-python">loop = asyncio.AbstractEventLoop()      try:      loop.run_forever()      except NotImplementedError:      pass    </code></pre>    <p>C++ 可以通过纯虚函数或设构造函数为 protected 来避免接口被实例化,Java 就更不用说了,接口就是接口,有完整的语法支持。</p>    <p>你也无法强制子类必须实现“接口”中定义的每一个方法,C++ 的纯虚函数可以强制这一点(Java 更不必说)。</p>    <p>就算子类「自以为」实现了“接口”中的方法,也不能保证方法的名字没有写错,C++ 的 override 关键字可以保证这一点(Java 更不必说)。</p>    <p>静态类型的缺失,让 Python 很难实现 C++ / Java 那样严格的多态检查机制。所以面向接口的编程,对 Python 来说,更多的要依靠程序员的素养。</p>    <p>回到 Shape 的例子,仿照 asyncio,我们把“接口”改成这样:</p>    <pre>  <code class="language-python">class AbstractShape:      def area(self):      raise NotImplementedError    </code></pre>    <p>这样,它才更像一个接口。</p>    <h2>super</h2>    <p>有时候,需要在子类中调用父类的方法。</p>    <p>比如图形都有颜色这个属性,所以不妨加一个参数 color 到 __init__:</p>    <pre>  <code class="language-python">class AbstractShape:      def __init__(self, color):      self.color = color    </code></pre>    <p>那么子类的 __init__() 势必也要跟着改动:</p>    <pre>  <code class="language-python">class Circle(AbstractShape):      def __init__(self, color, r=0.0):      super().__init__(color)      self.r = r    </code></pre>    <p>通过 super 把 color 传给父类的 __init__()。其实不用 super 也行:</p>    <pre>  <code class="language-python">class Circle(AbstractShape):      def __init__(self, color, r=0.0):      AbstractShape.__init__(self, color)      self.r = r    </code></pre>    <p>但是 super 是推荐的做法,因为它避免了硬编码,也能处理多继承的情况。</p>    <p> </p>    <p>来自:http://developer.51cto.com/art/201707/545393.htm</p>    <p> </p>