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Python中關於類別和繼承以及多態的範例詳解

黄舟
黄舟原創
2017-07-17 15:02:321422瀏覽

本文透過實例給大家詳細解釋了Python 的類別、繼承和多型的定義和用法,非常實用,有需要的小夥伴可以參考下

##類別的定義

假如要定義一個類別Point,表示二維的座標點:

# 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,相當於C++ / Java 的

建構子。雙底線  的方法都是特殊方法,除了 init 還有很多,後面會有介紹。

參數 self 相當於 C++ 的 this,表示目前實例,所有方法都有這個參數,但是呼叫時並不需要指定。

>>> from point import *
>>> p = Point(10, 10) # init 被调用
>>> type(p)
<class &#39;point.Point&#39;>
>>> p.x, p.y
(10, 10)

幾乎所有的特殊方法(包括 init)都是隱式呼叫的(不直接呼叫)。

對一切皆物件的 Python 來說,類別自己當然也是物件:

>>> type(Point)
<class &#39;type&#39;>
>>> dir(Point)
[&#39;class&#39;, &#39;delattr&#39;, &#39;dict&#39;, ..., &#39;init&#39;, ...]
>>> Point.class
<class &#39;type&#39;>

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 並不是關鍵字,甚至可以用其它名字替代,例如this:

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

與C++ 不同的是, 「成員變數」必須加self. 前綴,否則就變成類別的屬性(相當於C++ 靜態成員),而不是物件的屬性了。

存取控制

Python 沒有public / protected / private 這樣的存取控制,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 就相當於私有了:

>>> p = Point(10, 10)
>>> p.x
...
AttributeError: &#39;Point&#39; object has no attribute &#39;x&#39;
>>> p.f()
...
AttributeError: &#39;Point&#39; object has no attribute &#39;f&#39;

#_repr_

嘗試列印Point 實例:

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

通常,這並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 即可實現:

class Point:
  def repr(self):
    return &#39;Point({}, {})&#39;.format(self.x, self.y)

不難看出,交互模式在打印p 時其實是呼叫了repr(p):

>>> repr(p)

'Point(10, 10)'

_str_

如果沒有提供str,str() 預設使用repr() 的結果。

 這兩者都是物件的
字串形式的表示,但還是有點差異的。簡單來說,repr() 的結果面向的是解釋器,通常都是合法的 Python 程式碼,例如 Point(10, 10);而 str() 的結果面向用戶,更簡潔,例如 (10, 10)。

依照這個原則,我們為Point 提供str 的定義如下:

class Point:
  def str(self):
    return &#39;({}, {})&#39;.format(self.x, self.y)

#_add_

兩個座標點相加是個很合理的需求。

>>> 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 +: &#39;Point&#39; and &#39;Point&#39;

新增特殊方法 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++ 裡的

運算元重載一樣。 Python 的內建類型,例如字串、列表,都「重載」了 + 運算子。

特殊方法還有很多,這裡就不逐一介紹了。

繼承

舉出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.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

那麼它將繼承父類別Shape 的area:

>>> Shape.area is Circle.area
True

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

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

透過類別的字典更能明顯地看清這一點:

>>> Shape.dict[&#39;area&#39;]
<function Shape.area at 0x0000000001FDB9D8>
>>> Circle.dict[&#39;area&#39;]
<function Circle.area at 0x0000000001FDBB70>

所以,子類別重寫父類別的方法,其實只是把相同的屬性名稱綁定到了不同的函數物件。可見 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“介面”,並不能得到語法的保證。

甚至可以動態的新增方法:

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

動態語言通常都這麼靈活,Python 也不例外。

Python 官方教學「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意實現了類別機制,這確實讓人驚嘆,但是也讓C++ / Java 程式設計師感到相當不適。

多態

如前所述,Python 沒有覆寫(override)的概念。嚴格來講,Python 並不支援「多型」。

為了解決繼承結構中介面與實作的問題,或者說為了更好的用 Python 面向介面程式設計(

設計模式所提倡的),我們需要人為的設一些規格。

請考慮 Shape.area() 除了簡單的回傳 0.0,有沒有更好的實作?

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。

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

纵然如此,你是无法禁止用户实例化 AbstractEventLoop 的:

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

class AbstractShape:
  def area(self):
    raise NotImplementedError

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:

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

那么子类的 init() 势必也要跟着改动:

class Circle(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:

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

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。

以上是Python中關於類別和繼承以及多態的範例詳解的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章!

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