Python 简明教程 --- 21，Python 继承与多态

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我们已经知道封装，继承和多态 是面向对象的三大特征，面向对象语言都会提供这些机制。

1，封装

在这一节介绍类的私有属性和方法的时候，我们已经讲到过封装。

封装就是在设计一个类的时候，只允许使用者访问他需要的方法，将复杂的，没有必要让使用者知道的方法隐藏起来。这样，使用者只需关注他需要的东西，为其屏蔽了复杂性。

私有性就是实现封装的一种手段，这样，类的设计者就可以控制类中的哪些属性和方法可以被使用者访问到。一般，类中的属性，和一些复杂的方法都不会暴露给使用者。

由于前边的章节介绍过封装，这里就不再举例说明了。

2，继承

通过继承的机制，可使得子类轻松的拥有父类中的属性和方法。继承也是一种代码复用的方式。

Python 支持类的继承，继承的类叫做子类或者派生类，被继承的类叫做父类或基类。

继承的语法如下：

class 子类名(父类名):
    pass

在子类名后边的括号中，写入要继承的父类。

object 类

在Python 的继承体系中，object 是最顶层类，它是所有类的父类。在定义一个类时，如果没有继承任何类，会默认继承object 类。如下两种定义方式是等价的：

# 没有显示继承任何类，默认继承 object
class A1:
    pass

# 显示继承 object
class A2(object):
    pass

每个类中都有一个mro 方法，该方法可以打印类的继承关系（顺序）。我们来查看A1 和 A2 的继承关系：

>>> A1.mro()
[<class '__main__.A1'>, <class 'object'>]
>>>
>>> A2.mro()
[<class '__main__.A2'>, <class 'object'>]

可见这两个类都继承了 object 类。

继承中的__init__ 方法

当一个子类继承一个父类时，如果子类中没有定义__init__，在创建子类的对象时，会调用父类的__init__ 方法，如下：

#! /usr/bin/env python3

class A(object):

    def __init__(self):
        print('A.__init__')

class B(A):
    pass

以上代码中，B 继承了A，A 中有__init__ 方法，B 中没有__init__ 方法，创建类B 的对象b：

>>> b = B()
A.__init__

可见A 中的__init__ 被执行了。

方法覆盖

如果类B 中也定义了__init__ 方法，那么，就只会执行B 中的__init__ 方法，而不会执行A 中的__init__ 方法：

#! /usr/bin/env python3

class A(object):

    def __init__(self):
        print('A.__init__')

class B(A):

    def __init__(self):
        print('B.__init__')

此时创建B 的对象b：

>>> b = B()
B.__init__

可见，此时只执行了B 中的__init__ 方法。这其实是方法覆盖的原因，因为子类中的__init__ 与父类中的__init__ 的参数列表一样，此时，子类中的方法覆盖了父类中的方法，所以创建对象b 时，只会执行B 中的__init__ 方法。

当发生继承关系（即一个子类继承一个父类）时，如果子类中的一个方法与父类中的一个方法一模一样（即方法名相同，参数列表也相同），这种情况就是方法覆盖（子类中的方法会覆盖父类中的方法）。

方法重载

当方法名与参数列表都一样时会发生方法覆盖；当方法名一样，参数列表不一样时，会发生方法重载。

在单个类中，代码如下：

#! /usr/bin/env python3

class A(object):

    def __init__(self):
        print('A.__init__')

    def test(self):
        print('test...')

    def test(self, i):
        print('test... i:%s' % i)

类A 中的两个test 方法，方法名相同，参数列表不同。

其实这种情况在Java 和 C++ 是允许的，就是方法重载。而在Python 中，虽然在类中这样写不会报错，但实际上，下面的test(self, i) 已经把上面的test(self) 给覆盖掉了。创建出来的对象只能调用test(self, i)，而test(self) 是不存在的。

示例：

>>> a = A()       # 创建 A 的对象 a
A.__init__
>>>
>>> a.test(123)   # 可以调用 test(self, i) 方法
test... i:123
>>>
>>> a.test()      # 调用 test(self) 发生异常
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
TypeError: test() missing 1 required positional argument: 'i'

在继承关系中，代码如下：

#! /usr/bin/env python3

class A(object):

    def __init__(self):
        print('A.__init__')

    def test(self):
        print('test...')

class B(A):

    def __init__(self):
        print('B.__init__')

    def test(self, i):
        print('test... i:%s' % i)

上面代码中B 继承了A，B 和 A 中都有一个名为test 的方法，但是参数列表不同。

这种情况跟在单个类中的情况是一样的，在类B 中，test(self, i) 会覆盖A 中的test(self)，类B 的对象只能调用test(self, i)，而不能调用test(self)。

示例：

>>> b = B()        # 创建 B 的对象
B.__init__
>>> 
>>> b.test(123)    # 可以调用 test(self, i)  方法
test... i:123
>>>
>>> b.test()       # 调用 test(self) 方法，出现异常
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
TypeError: test() missing 1 required positional argument: 'i'

super() 方法

super() 方法用于调用父类中的方法。

示例代码：

#! /usr/bin/env python3

class A(object):

    def __init__(self):
        print('A.__init__')

    def test(self):
        print('class_A test...')

class B(A):

    def __init__(self):
        print('B.__init__')
        super().__init__()     # 调用父类中的构造方法

    def test(self, i):
        print('class_B test... i:%s' % i)
        super().test()         # 调用父类中的 test 方法

演示：

>>> b = B()          # 创建 B 的对象
B.__init__           # 调用 B 的构造方法
A.__init__           # 调用 A 的构造方法
>>>
>>> b.test(123)      # 调用 B 中的 test 方法 
class_B test... i:123
class_A test...      # 执行 A 中的 test 方法

is-a 关系

一个子类的对象，同时也是一个父类的对象，这叫做is-a 关系。但是一个父类的对象，不一定是一个子类的对象。

这很好理解，就像，猫一定是动物，但动物不一定是猫。

我们可以使用isinstance() 函数来判断一个对象是否是一个类的实例。

比如我们有如下两个类，Cat 继承了 nimal：

#! /usr/bin/env python3

class Animal(object):
    pass

class Cat(Animal):
    pass

来看下对象和类之间的从属关系：

>>> a = Animal()           # 创建 Animal 的对象
>>> c = Cat()              # 创建 Cat 的对象
>>> 
>>> isinstance(a, Animal)  # a 一定是 Animal 的实例
True
>>> isinstance(c, Cat)     # c 一定是 Cat 的实例
True
>>> 
>>> isinstance(c, Animal)  # Cat 继承了 Animal，所以 c 也是 Animal 的实例
True
>>> isinstance(a, Cat)     # 但 a 不是 Cat 的实例
False

3，多继承

多继承就是一个子类同时继承多个父类，这样，这个子类就同时拥有了多个父类的特性。

C++ 语言中允许多继承，但由于多继承会使得类的继承关系变得复杂。因此，到了Java 中，就禁止了多继承的方式，取而代之的是，在Java 中允许同时继承多个接口。

Python 中也允许多继承，语法如下：

# 括号中可以写多个父类
class 子类名(父类1, 父类2, ...):
    pass

我们构造一个如下的继承关系：

在这里插入图片描述

代码如下：

#! /usr/bin/env python3

class A(object):
    def test(self):
        print('class_A test...')

class B(A):
    def test(self):
        print('class_B test...') 

class C(A):
    def test(self):
        print('class_C test...') 

class D(B, C):
    pass

类A，B，C 中都有test() 方法，D 中没有test() 方法。

使用D 类中的mro()方法查看继承关系：

>>> D.mro()
[<class 'Test.D'>, <class 'Test.B'>, <class 'Test.C'>, <class 'Test.A'>, <class 'object'>]

创建D 的对象：

>>> d = D()

如果类D 中有test() 方法，那么d.test() 肯定会调用D 中的test() 方法，这种情况很简单，不用多说。

当类D 中没有test() 方法时，而它继承的父类 B 和 C 中都有 test() 方法，此时会调用哪个test() 呢？

>>> d.test()
class_B test...

可以看到d.test() 调用了类B 中的 test() 方法。

实际上这种情况下，Python 解释器会根据D.mro() 的输出结果来依次查找test() 方法，即查找顺序是D->B->C->A->object。

所以d.test() 调用了类B 中的 test() 方法。

建议：

由于多继承会使类的继承关系变得复杂，所以并不提倡过多的使用多继承。

4，多态

多态从字面上理解就是一个事物可以呈现多种状态。继承是多态的基础。

在上面的例子中，类D 的对象d 调用test() 方法时，沿着继承链（D.mro()）查找合适的test() 方法的过程，就是多态的表现过程。

比如，我们有以下几个类：

Animal：有一个speak() 方法
Cat：继承Animal 类，有自己的speak() 方法
Dog：继承Animal 类，有自己的speak() 方法
Duck：继承Animal 类，有自己的speak() 方法

Cat，Dog，Duck 都属于动物，因此都继承Animal，代码如下：

#! /usr/bin/env python3

class Animal(object):
    def speak(self):
        print('动物会说话...')

class Cat(Animal):
    def speak(self):
        print('喵喵...') 

class Dog(Animal):
    def speak(self):
        print('汪汪...') 

class Duck(Animal):
    def speak(self):
        print('嘎嘎...') 

def animal_speak(animal):
    animal.speak()

我们还定义了一个animal_speak 函数，它接受一个参数animal，在函数内，调用了speak() 方法。

实际上，这种情况下，我们调用animal_speak 函数时，可以为它传递Animal 类型的对象，以及任何的Animal 子类的对象。

传递Animal 的对象时，调用了Animal 类中的 speak()：

>>> animal_speak(Animal())
动物会说话...

传递Cat 的对象时，调用了Cat 类中的 speak()：

>>> animal_speak(Cat())
喵喵...

传递Dog 的对象时，调用了Dog 类中的 speak()：

>>> animal_speak(Dog())
汪汪...

传递Duck 的对象时，调用了Duck 类中的 speak()：

>>> animal_speak(Duck())
嘎嘎...

可以看到，我们可以给animal_speak() 函数传递多种不同类型的对象，为animal_speak() 函数传递不同类型的参数，输出了不同的结果，这就是多态。

5，鸭子类型

在静态类型语言中，有严格的类型判断，上面的animal_speak() 函数的参数只能传递Animal 及其子类的对象。

而Python 属于动态类型语言，不会进行严格的类型判断。

因此，我们不仅可以为animal_speak() 函数传递Animal 及其子类的对象，还可以传递其它与Animal 类毫不相关的类的对象，只要该类中有speak() 方法就行。

这种特性，在Python 中被叫做鸭子类型，意思就是，只要一个事物走起来像鸭子，叫起来像鸭子，那么它就是鸭子，即使它不是真正的鸭子。

从代码上来说，只要一个类中有speak() 方法，那么就可以将该类的对象传递给animal_speak() 函数。

比如，有一个鼓类Drum，其中有一个函数speak()：

class Drum(object):
    def speak(self):
        print('咚咚...')

那么，类Drum 的对象也可以传递给animal_speak() 函数，即使Drum 与Animal 类毫不相关：

>>> animal_speak(Drum())
咚咚...

从另一个角度来考虑，实际上Python 函数中的参数，并没有标明参数的类型。在animal_speak() 函数中，我们只是将参数叫做了animal 而已，因此我们就认为animal_speak() 函数应该接受Animal 类及其子类的对象，其实这仅仅只是我们认为的而已。

计算机并不知道animal 的含义，如果我们将原来的animal_speak() 函数：

def animal_speak(animal):
    animal.speak()

改写成：

def animal_speak(a):
    a.speak()

实际上，我们知道，这两个函数并没有任何区别。因此，参数a可以是任意的类型，只要a 中有speak() 方法就行。这就是Python 能够表现出鸭子特性的原因。

（完。）

推荐阅读：

Python 简明教程 — 16，Python 高阶函数

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