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Python 的類、繼承和多態詳解

2019-11-25 16:00:56
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供稿:網友

類的定義

假如要定義一個類 Point,表示二維的坐標點:

# point.pyclass Point:  def __init__(self, x=0, y=0):    self.x, self.y = x, y

最最基本的就是 __init__ 方法,相當于 C++ / Java 的構造函數。帶雙下劃線 __ 的方法都是特殊方法,除了 __init__ 還有很多,后面會有介紹。

參數 self 相當于 C++ 的 this,表示當前實例,所有方法都有這個參數,但是調用時并不需要指定。

>>> from point import *>>> p = Point(10, 10) # __init__ 被調用>>> type(p)<class 'point.Point'>>>> p.x, p.y(10, 10)

幾乎所有的特殊方法(包括 __init__)都是隱式調用的(不直接調用)。

對一切皆對象的 Python 來說,類自己當然也是對象:

>>> type(Point)<class 'type'>>>> dir(Point)['__class__', '__delattr__', '__dict__', ..., '__init__', ...]>>> Point.__class__<class 'type'>

Point 是 type 的一個實例,這和 p 是 Point 的一個實例是一回事。

現添加方法 set:

class Point:  ...  def set(self, x, y):    self.x, self.y = x, y
>>> p = Point(10, 10)>>> p.set(0, 0)>>> p.x, p.y(0, 0)

p.set(...) 其實只是一個語法糖,你也可以寫成 Point.set(p, ...),這樣就能明顯看出 p 就是 self 參數了:

>>> Point.set(p, 0, 0)>>> p.x, p.y(0, 0)

值得注意的是,self 并不是關鍵字,甚至可以用其它名字替代,比如 this:

class Point:  ...  def set(this, x, y):    this.x, this.y = x, y

與 C++ 不同的是,“成員變量”必須要加 self. 前綴,否則就變成類的屬性(相當于 C++ 靜態成員),而不是對象的屬性了。

訪問控制

Python 沒有 public / protected / private 這樣的訪問控制,如果你非要表示“私有”,習慣是加雙下劃線前綴。

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

__x、__y 和 __f 就相當于私有了:

>>> p = Point(10, 10)>>> p.__x...AttributeError: 'Point' object has no attribute '__x'>>> p.__f()...AttributeError: 'Point' object has no attribute '__f'

_repr_

嘗試打印 Point 實例:

>>> p = Point(10, 10)>>> p<point.Point object at 0x000000000272AA20>

通常,這并不是我們想要的輸出,我們想要的是:

>>> pPoint(10, 10)

添加特殊方法 __repr__ 即可實現:

class Point:  def __repr__(self):    return 'Point({}, {})'.format(self.__x, self.__y)

不難看出,交互模式在打印 p 時其實是調用了 repr(p):

>>> repr(p)
'Point(10, 10)'

_str_

如果沒有提供 __str__,str() 缺省使用 repr() 的結果。
 這兩者都是對象的字符串形式的表示,但還是有點差別的。簡單來說,repr() 的結果面向的是解釋器,通常都是合法的 Python 代碼,比如 Point(10, 10);而 str() 的結果面向用戶,更簡潔,比如 (10, 10)。

按照這個原則,我們為 Point 提供 __str__ 的定義如下:

class Point:  def __str__(self):    return '({}, {})'.format(self.__x, self.__y)

_add_

兩個坐標點相加是個很合理的需求。

>>> p1 = Point(10, 10)>>> p2 = Point(10, 10)>>> p3 = p1 + p2Traceback (most recent call last): File "<stdin>", line 1, in <module>TypeError: unsupported operand type(s) for +: 'Point' and 'Point' 

添加特殊方法 __add__ 即可做到:

class Point:  def __add__(self, other):    return Point(self.__x + other.__x, self.__y + other.__y)
>>> p3 = p1 + p2>>> p3Point(20, 20)

這就像 C++ 里的操作符重載一樣。
Python 的內建類型,比如字符串、列表,都“重載”了 + 操作符。

特殊方法還有很多,這里就不逐一介紹了。

繼承

舉一個教科書中最常見的例子。Circle 和 Rectangle 繼承自 Shape,不同的圖形,面積(area)計算方式不同。

# shape.pyclass 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.rclass Rectangle(Shape):  def __init__(self, a, b):    self.a, self.b = a, b  def area(self):    return self.a * self.b

用法比較直接:

>>> from shape import *>>> circle = Circle(3.0)>>> circle.area()28.274333882308138>>> rectangle = Rectangle(2.0, 3.0)>>> rectangle.area()6.0 

如果 Circle 沒有定義自己的 area:

class Circle(Shape):  pass  

那么它將繼承父類 Shape 的 area:

>>> Shape.area is Circle.areaTrue

一旦 Circle 定義了自己的 area,從 Shape 繼承而來的那個 area 就被重寫(overwrite)了:

>>> from shape import *>>> Shape.area is Circle.areaFalse 

通過類的字典更能明顯地看清這一點:

>>> Shape.__dict__['area']<function Shape.area at 0x0000000001FDB9D8>>>> Circle.__dict__['area']<function Circle.area at 0x0000000001FDBB70> 

所以,子類重寫父類的方法,其實只是把相同的屬性名綁定到了不同的函數對象??梢?Python 是沒有覆寫(override)的概念的。

同理,即使 Shape 沒有定義 area 也是可以的,Shape 作為“接口”,并不能得到語法的保證。

甚至可以動態的添加方法:

class Circle(Shape):  ...  # def area(self):    # return math.pi * self.r * self.r# 為 Circle 添加 area 方法。Circle.area = lambda self: math.pi * self.r * self.r 

動態語言一般都是這么靈活,Python 也不例外。

Python 官方教程「9. Classes」第一句就是:

Compared with other programming languages, Python's class mechanism adds classes with a minimum of new syntax and semantics.

Python 以最少的新的語法和語義實現了類機制,這一點確實讓人驚嘆,但是也讓 C++ / Java 程序員感到頗為不適。

多態

如前所述,Python 沒有覆寫(override)的概念。嚴格來講,Python 并不支持「多態」。

為了解決繼承結構中接口和實現的問題,或者說為了更好的用 Python 面向接口編程(設計模式所提倡的),我們需要人為的設一些規范。

請考慮 Shape.area() 除了簡單的返回 0.0,有沒有更好的實現?

以內建模塊 asyncio 為例,AbstractEventLoop 原則上是一個接口,類似于 Java 中的接口或 C++ 中的純虛類,但是 Python 并沒有語法去保證這一點,為了盡量體現 AbstractEventLoop 是一個接口,首先在名字上標志它是抽象的(Abstract),然后讓每個方法都拋出異常 NotImplementedError。

class AbstractEventLoop:  def run_forever(self):    raise NotImplementedError  ... 

縱然如此,你是無法禁止用戶實例化 AbstractEventLoop 的:

loop = asyncio.AbstractEventLoop()try:  loop.run_forever()except NotImplementedError:  pass 

C++ 可以通過純虛函數或設構造函數為 protected 來避免接口被實例化,Java 就更不用說了,接口就是接口,有完整的語法支持。

你也無法強制子類必須實現“接口”中定義的每一個方法,C++ 的純虛函數可以強制這一點(Java 更不必說)。

就算子類「自以為」實現了“接口”中的方法,也不能保證方法的名字沒有寫錯,C++ 的 override 關鍵字可以保證這一點(Java 更不必說)。

靜態類型的缺失,讓 Python 很難實現 C++ / Java 那樣嚴格的多態檢查機制。所以面向接口的編程,對 Python 來說,更多的要依靠程序員的素養。

回到 Shape 的例子,仿照 asyncio,我們把“接口”改成這樣:

class AbstractShape:  def area(self):    raise NotImplementedError 

這樣,它才更像一個接口。

super

有時候,需要在子類中調用父類的方法。

比如圖形都有顏色這個屬性,所以不妨加一個參數 color 到 __init__:

class AbstractShape:  def __init__(self, color):    self.color = color 

那么子類的 __init__() 勢必也要跟著改動:

class Circle(AbstractShape):  def __init__(self, color, r=0.0):    super().__init__(color)    self.r = r 

通過 super 把 color 傳給父類的 __init__()。其實不用 super 也行:

class Circle(AbstractShape):  def __init__(self, color, r=0.0):    AbstractShape.__init__(self, color)    self.r = r 

但是 super 是推薦的做法,因為它避免了硬編碼,也能處理多繼承的情況。

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