python中封裝、繼承和多型——python學習筆記
1. 準備
封裝、繼承和多型在程式語言中專指面向物件程式設計的特性,下面先給出一個python中建立類的例子:
class Student(object):
def __init__(self, name, score):
self.name = name
self.score = score
這裡建立了一個Student類,對應的例項如下:
>>> bart = Student('Bart Simpson', 59)
>>> bart.name
'Bart Simpson'
>> > bart.score
59
這裡建立了一個bart例項,同時傳入了相應的引數。
2. 資料封裝
在上面的Student類中,每個例項就擁有各自的name和score這些資料。我們可以通過函式來訪問這些資料,比如列印一個學生的成績:
>>> def print_score(std):
... print('%s: %s' % (std.name, std.score))
...
>>> print_score(bart)
Bart Simpson: 59
但是,既然Student例項本身就擁有這些資料,要訪問這些資料,就沒有必要從外面的函式去訪問,可以直接在Student類的內部定義訪問資料的函式,這樣,就把“資料”給封裝起來了,也就是說,資料封裝其實就是在類內部對函式進行呼叫,外部只需要呼叫內部的方法即可,不直接對類中資料做呼叫或者更改。
class Student(object):
def __init__(self, name, score):
self.name = name
self.score = score
def print_score(self):
print('%s: %s' % (self.name, self.score))
python中要定義一個方法,除了第一個引數是self外,其他和普通函式一樣。要呼叫一個方法,只需要在例項變數上直接呼叫,除了self不用傳遞,其他引數正常傳入:
>>> bart.print_score()
Bart Simpson: 59
這樣一來,我們從外部看Student類,就只需要知道,建立例項需要給出name和score,而如何列印,都是在Student類的內部定義的,這些資料和邏輯被“封裝”起來了,呼叫很容易,但卻不用知道內部實現的細節。
封裝的另一個好處是可以給Student類增加新的方法,比如get_grade:
class Student(object):
...
def get_grade(self):
if self.score >= 90:
return 'A'
elif self.score >= 60:
return 'B'
else:
return 'C'
同樣的,get_grade方法可以直接在例項變數上呼叫,不需要知道內部實現細節。
3. 繼承
在OOP程式設計中,當我們定義一個class的時候,可以從某個現有的class繼承,新的class稱為子類(Subclass),而被繼承的class稱為基類、父類或超類(Base class、Super class)。
比如,我們已經編寫了一個名為Animal的class,有一個run()方法可以直接列印:
class Animal(object):
def run(self):
print('Animal is running...')
當我們需要編寫Dog和Cat類時,就可以直接從Animal類繼承:
class Dog(Animal):
pass
class Cat(Animal):
pass
對於Dog來說,Animal就是它的父類,對於Animal來說,Dog就是它的子類。Cat和Dog類似。
繼承有什麼好處?最大的好處是子類獲得了父類的全部功能。由於Animial實現了run()方法,因此,Dog和Cat作為它的子類,什麼事也沒幹,就自動擁有了run()方法:
dog = Dog()
dog.run()
cat = Cat()
cat.run()
#結果
Animal is running...
Animal is running...
當然,也可以對子類增加一些方法,比如Dog類:
class Dog(Animal):
def run(self):
print('Dog is running...')
def eat(self):
print('Eating meat...')
繼承的第二個好處需要我們對程式碼做一點改進。你看到了,無論是Dog還是Cat,它們run()的時候,顯示的都是Animal is running…,符合邏輯的做法是分別顯示Dog is running…和Cat is running…,因此,對Dog和Cat類改進如下:
class Dog(Animal):
def run(self):
print('Dog is running...')
class Cat(Animal):
def run(self):
print('Cat is running...')
當子類和父類都存在相同的run()方法時,我們說,子類的run()覆蓋了父類的run(),在程式碼執行的時候,總是會呼叫子類的run()。這樣,我們就獲得了繼承的另一個好處:多型。
4. 多型
官方解釋:
多型是同一個行為具有多個不同表現形式或形態的能力。
多型就是同一個介面,使用不同的例項而執行不同操作,如圖所示:
多型性是物件多種表現形式的體現。
要理解什麼是多型,我們首先要對資料型別再作一點說明。當我們定義一個class的時候,我們實際上就定義了一種資料型別。我們定義的資料型別和Python自帶的資料型別,比如str、list、dict沒什麼兩樣:
a = list() # a是list型別
b = Animal() # b是Animal型別
c = Dog() # c是Dog型別
判斷一個變數是否是某個型別可以用isinstance()判斷:
>>> isinstance(a, list)
True
>>> isinstance(b, Animal)
True
>>> isinstance(c, Dog)
True
看來a、b、c確實對應著list、Animal、Dog這3種類型。
但是等等,試試:
>>> isinstance(c, Animal)
True
看來c不僅僅是Dog,c還是Animal!
不過仔細想想,這是有道理的,因為Dog是從Animal繼承下來的,當我們建立了一個Dog的例項c時,我們認為c的資料型別是Dog沒錯,但c同時也是Animal也沒錯,Dog本來就是Animal的一種!
所以,在繼承關係中,如果一個例項的資料型別是某個子類,那它的資料型別也可以被看做是父類。但是,反過來就不行:
>>> b = Animal()
>>> isinstance(b, Dog)
False
Dog可以看成Animal,但Animal不可以看成Dog。
要理解多型的好處,我們還需要再編寫一個函式,這個函式接受一個Animal型別的變數:
def run_twice(animal):
animal.run()
animal.run()
當我們傳入Animal的例項時,run_twice()就打印出:
>>> run_twice(Animal())
Animal is running...
Animal is running...
當我們傳入Dog的例項時,run_twice()就打印出:
>>> run_twice(Dog())
Dog is running...
Dog is running...
當我們傳入Cat的例項時,run_twice()就打印出:
>>> run_twice(Cat())
Cat is running...
Cat is running...
看上去沒啥意思,但是仔細想想,現在,如果我們再定義一個Tortoise型別,也從Animal派生:
class Tortoise(Animal):
def run(self):
print('Tortoise is running slowly...')
當我們呼叫run_twice()時,傳入Tortoise的例項:
>>> run_twice(Tortoise())
Tortoise is running slowly...
Tortoise is running slowly...
你會發現,新增一個Animal的子類,不必對run_twice()做任何修改,實際上,任何依賴Animal作為引數的函式或者方法都可以不加修改地正常執行,原因就在於多型。
多型的好處就是,當我們需要傳入Dog、Cat、Tortoise……時,我們只需要接收Animal型別就可以了,因為Dog、Cat、Tortoise……都是Animal型別,然後,按照Animal型別進行操作即可。由於Animal型別有run()方法,因此,傳入的任意型別,只要是Animal類或者子類,就會自動呼叫實際型別的run()方法,這就是多型的意思:
對於一個變數,我們只需要知道它是Animal型別,無需確切地知道它的子型別,就可以放心地呼叫run()方法,而具體呼叫的run()方法是作用在Animal、Dog、Cat還是Tortoise物件上,由執行時該物件的確切型別決定,這就是多型真正的威力:呼叫方只管呼叫,不管細節,而當我們新增一種Animal的子類時,只要確保run()方法編寫正確,不用管原來的程式碼是如何呼叫的。這就是著名的“開閉”原則:
對擴充套件開放:允許新增Animal子類;
對修改封閉:不需要修改依賴Animal型別的run_twice()等函式。
繼承還可以一級一級地繼承下來,就好比從爺爺到爸爸、再到兒子這樣的關係。而任何類,最終都可以追溯到根類object,這些繼承關係看上去就像一顆倒著的樹。比如如下的繼承樹:
5. 靜態語言 vs 動態語言
對於靜態語言(例如Java)來說,如果需要傳入Animal型別,則傳入的物件必須是Animal型別或者它的子類,否則,將無法呼叫run()方法。
對於Python這樣的動態語言來說,則不一定需要傳入Animal型別。我們只需要保證傳入的物件有一個run()方法就可以了:
class Timer(object):
def run(self):
print('Start...')
這就是動態語言的“鴨子型別”,它並不要求嚴格的繼承體系,一個物件只要“看起來像鴨子,走起路來像鴨子”,那它就可以被看做是鴨子。
Python的“file-like object“就是一種鴨子型別。對真正的檔案物件,它有一個read()方法,返回其內容。但是,許多物件,只要有read()方法,都被視為“file-like object“。許多函式接收的引數就是“file-like object“,你不一定要傳入真正的檔案物件,完全可以傳入任何實現了read()方法的物件。