淺析Python的類、繼承和多態(tài)
類的定義
假如要定義一個(gè)類 Point，表示二維的坐標(biāo)點(diǎn)：
- # point.py
- class 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(dāng)于 C++ / Java 的構(gòu)造函數(shù)。帶雙下劃線 __ 的方法都是特殊方法，除了 __init__ 還有很多，后面會(huì)有介紹。
參數(shù) self 相當(dāng)于 C++ 的 this，表示當(dāng)前實(shí)例，所有方法都有這個(gè)參數(shù)，但是調(diào)用時(shí)并不需要指定。
- >>> from point import *
- >>> p = Point(10, 10) # __init__ 被調(diào)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(diào)用的(不直接調(diào)用)。
對(duì)一切皆對(duì)象的 Python 來(lái)說，類自己當(dāng)然也是對(duì)象：
- >>> type(Point)
- <class 'type'>
- >>> dir(Point)
- ['__class__', '__delattr__', '__dict__', ..., '__init__', ...]
- >>> Point.__class__
- <class 'type'>
Point 是 type 的一個(gè)實(shí)例，這和 p 是 Point 的一個(gè)實(shí)例是一回事。
現(xiàn)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(shí)只是一個(gè)語(yǔ)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(shù)了：
- >>> Point.set(p, 0, 0)
- >>> p.x, p.y
- (0, 0)
值得注意的是，self 并不是關(guān)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(dāng)于 C++ 靜態(tài)成員)，而不是對(duì)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(xí)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(dāng)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(shí)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：
- >>> p
- Point(10, 10)
添加特殊方法 __repr__ 即可實(shí)現(xiàn)：
- 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(shí)其實(shí)是調(diào)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(jié)果。
這兩者都是對(duì)象的字符串形式的表示，但還是有點(diǎn)差別的。簡(jiǎn)單來(lái)說，repr() 的結(jié)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(jié)果面向用戶，更簡(jiǎn)潔，比如 (10, 10)。
按照這個(gè)原則，我們?yōu)?Point 提供 __str__ 的定義如下：
- class Point:
- def __str__(self):
- return '({}, {})'.format(self.__x, self.__y)
_add_
兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)相加是個(gè)很合理的需求。
- >>> 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'
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
- >>> p3
- Point(20, 20)
這就像 C++ 里的操作符重載一樣。
Python 的內(nèi)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(gè)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(jì)算方式不同。
- # 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
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.area
- True
一旦 Circle 定義了自己的 area，從 Shape 繼承而來(lái)的那個(gè) area 就被重寫(overwrite)了：
- >>> from shape import *
- >>> Shape.area is Circle.area
- False
通過類的字典更能明顯地看清這一點(diǎn)：
- >>> 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(shí)只是把相同的屬性名綁定到了不同的函數(shù)對(duì)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(yǔ)法的保證。
甚至可以動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)語(yǔ)言一般都是這么靈活，Python 也不例外。
Python 官方教程「9. Classes」***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(yǔ)法和語(yǔ)義實(shí)現(xiàn)了類機(jī)制，這一點(diǎn)確實(shí)讓人驚嘆，但是也讓 C++ / Java 程序員感到頗為不適。
多態(tài)
如前所述，Python 沒有覆寫(override)的概念。嚴(yán)格來(lái)講，Python 并不支持「多態(tài)」。
為了解決繼承結(jié)構(gòu)中接口和實(shí)現(xiàn)的問題，或者說為了更好的用 Python 面向接口編程(設(shè)計(jì)模式所提倡的)，我們需要人為的設(shè)一些規(guī)范。
請(qǐng)考慮 Shape.area() 除了簡(jiǎn)單的返回 0.0，有沒有更好的實(shí)現(xiàn)?
以內(nèi)建模塊 asyncio 為例，AbstractEventLoop 原則上是一個(gè)接口，類似于 Java 中的接口或 C++ 中的純虛類，但是 Python 并沒有語(yǔ)法去保證這一點(diǎn)，為了盡量體現(xiàn) AbstractEventLoop 是一個(gè)接口，首先在名字上標(biāo)志它是抽象的(Abstract)，然后讓每個(gè)方法都拋出異常 NotImplementedError。
- class AbstractEventLoop:
- def run_forever(self):
- raise NotImplementedError
- ...
縱然如此，你是無(wú)法禁止用戶實(shí)例化 AbstractEventLoop 的：
- loop = asyncio.AbstractEventLoop()
- try:
- loop.run_forever()
- except NotImplementedError:
- pass
C++ 可以通過純虛函數(shù)或設(shè)構(gòu)造函數(shù)為 protected 來(lái)避免接口被實(shí)例化，Java 就更不用說了，接口就是接口，有完整的語(yǔ)法支持。
你也無(wú)法強(qiáng)制子類必須實(shí)現(xiàn)“接口”中定義的每一個(gè)方法，C++ 的純虛函數(shù)可以強(qiáng)制這一點(diǎn)(Java 更不必說)。
就算子類「自以為」實(shí)現(xiàn)了“接口”中的方法，也不能保證方法的名字沒有寫錯(cuò)，C++ 的 override 關(guān)鍵字可以保證這一點(diǎn)(Java 更不必說)。
靜態(tài)類型的缺失，讓 Python 很難實(shí)現(xiàn) C++ / Java 那樣嚴(yán)格的多態(tài)檢查機(jī)制。所以面向接口的編程，對(duì) Python 來(lái)說，更多的要依靠程序員的素養(yǎng)。
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(gè)接口。
super
有時(shí)候，需要在子類中調(diào)用父類的方法。
比如圖形都有顏色這個(gè)屬性，所以不妨加一個(gè)參數(shù) color 到 __init__：
- class AbstractShape:
- def __init__(self, color):
- self.color = color
那么子類的 __init__() 勢(shì)必也要跟著改動(dòng)：
- 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(shí)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?yàn)樗苊饬擞簿幋a，也能處理多繼承的情況。
