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浅析 Python 的类、继承和多态

程序员技术  · 公众号  · 程序员  · 2017-09-16 19:01

正文

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类的定义

假如要定义一个类 Point,表示二维的坐标点:

# point.py
classPoint:
def __init__(self,x=0,y=0):
self.x,self.y=x,y

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。

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。

>>>from point import *>>>p=Point(10,10)# __init__ 被调用
>>>type(p)

>>>p.x,p.y
(10,10)

几乎所有的特殊方法(包括 init)都是隐式调用的(不直接调用)。

对一切皆对象的 Python 来说,类自己当然也是对象:

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

Point 是 type 的一个实例,这和 p 是 Point 的一个实例是一回事。

现添加方法 set:

classPoint:...
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:

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

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:

classPoint:...
def set(this,x,y):this.x,this.y=x,y

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。

访问控制

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。

classPoint:
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 就相当于私有了:

>>>p=Point(10,10)
>>>p.__x
...
AttributeError:'Point'objecthas noattribute'__x'>>>p.__f()
...
AttributeError:'Point'objecthas noattribute'__f'

str

如果没有提供 str,str() 缺省使用 repr() 的结果。
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)。

按照这个原则,我们为 Point 提供 str 的定义如下:

classPoint:

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

add

两个坐标点相加是个很合理的需求。

>>>p1=Point(10,10)>>>p2=Point(10,10)
>>>p3=p1+p2
Traceback(most recent calllast):
File"",line1,inTypeError:unsupported operand type(s)for+:'Point'and'Point'

添加特殊方法 add 即可做到:

classPoint:def __add__(self,other):
returnPoint(self.__x+other.__x,self.__y+other.__y)
>>>p3=p1+p2
>>>p3
Point(20,20)

这就像 C++ 里的操作符重载一样。

Python 的内建类型,比如字符串、列表,都“重载”了 + 操作符。

特殊方法还有很多,这里就不逐一介绍了。

继承

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。

# shape.pyclassShape:
def area(self):
return0.0classCircle(Shape):
def __init__(self,r=0.0):
self.r=r
def area(self):
returnmath.pi *self.r *self.r
classRectangle(Shape):
def __init__(self,a,b):
self.a,self.b=a,b
def area(self):
returnself.a *self.b

用法比较直接:

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

如果 Circle 没有定义自己的 area:

classCircle(Shape):
pass

那么它将继承父类 Shape 的 area:

>>>Shape.areaisCircle.area
True

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:

>>>from shape import *
>>>Shape.areaisCircle.area
False

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。

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。

甚至可以动态的添加方法:

classCircle(Shape):

...
#  def area(self):
#  return math.pi * self.r * self.r
# 为 Circle 添加 area 方法。
Circle.area=lambdaself:math.pi *self.r *self.r

动态语言一般都是这么灵活,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。

多态

如前所述,Python 没有覆写(override)的概念。严格来讲,Python 并不支持「多态」。

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。

请考虑 Shape.area() 除了简单的返回 0.0,有没有更好的实现?

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。

classAbstractEventLoop:
def run_forever(self):
raiseNotImplementedError
...

纵然如此,你是无法禁止用户实例化 AbstractEventLoop 的:

loop=asyncio.AbstractEventLoop()try:
loop.run_forever()
exceptNotImplementedError:
pass

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。

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)。

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)。

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。

回到 Shape 的例子,仿照 asyncio,我们把“接口”改成这样:

classAbstractShape:def area(self):
raiseNotImplementedError

这样,它才更像一个接口。

super

有时候,需要在子类中调用父类的方法。

比如图形都有颜色这个属性,所以不妨加一个参数 color 到 _init

classAbstractShape:def __init__(self,color):
self.color=color

那么子类的 init() 势必也要跟着改动:

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

通过 super 把 color 传给父类的 init()。其实不用 super 也行:

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。

  • 来自:adam1q84

  • segmentfault.com/a/1190000010046025

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