第二章 面向对象—继承&多态
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2024-4-23

2. 继承

面向对象三要素之一，继承Inheritance
人类和猫类都继承自动物。
个体继承自父母，继承了父母的一部分特征，但也可以有自己的个性。
在面向对象的世界中，从父类继承就可以直接拥有父类的属性和方法，这样就减少代码、多复用。
子类也可以定义自己的属性和方法。
看一个不用继承的例子
上面的2个类虽然有关系，但是定义时并没有建立这种关系，而是各自完成定义。
动物类和猫类都会叫，但是它们的叫法有区别，所以分别定义。
上例可以看出，通过继承，猫类不用写代码了，直接继承了父类的属性和方法。
继承可以让子类从父类获取特征（属性和方法），子类不用再写了可以直接使用，达到了复用的目的。
  • 继承
    • class Cat(Animal)这种形式就是从父类继承，括号中写上继承的类的列表。
    • 继承可以让子类从父类获取特征（属性和方法）
  • 父类
    • Animal就是Cat的父类，也称为基类、超类。
  • 子类
    • Cat就是Animal的子类，也称为派生类
 

2.1 定义

格式如下
如果类定义时，没有基类列表，等同于继承自object。在Python3中，object类是所有对象的根基类（object是Python中继承这条线，所有对象的祖先，称为根基类）
注意，上例在Python2中，两种写法是不同的。
Python支持多继承，继承也可以升级。
查看继承的特殊属性和方法有
特殊属性和方法
含义
__bases__
类的基类元组
__base__
类的基类元组的第一项
__mro__
显示方法查看顺序，基类的元组
mro()方法
同上，返回列表
__subclasses__
类的子类列表

2.2 继承中的访问控制

从父类继承，自己没有，就可以到父类中找
私有的都是不可以访问的，但是本质上依然是改变了名称放在这个属性所在类或实例的的__dict__中，知道这个新名称就可以直接找到这个隐藏的变量，这是个黑魔法技巧，慎用。
总结：
继承时，公有成员，子类和实例都可以随意访问；私有成员被隐藏，子类和实例不可以直接访问，但私有变量所在的类内的方法中可以访问这个私有变量。
Python通过自己一套实现，实现和其他语言一样的面向对象的继承机制。
实例属性查询顺序(重点！！！)
实例的__dict__ —> 类__dict__ —>如果有继承—>父类__dict__
如果搜索这些地方后没有找到就会抛异常，先找到就立即返回了。
 

2.3 方法的重写、覆盖override

Cat中能覆盖自己的方法吗？即Cat中编写两个shout方法，下面的shout能覆盖上面一个shout方法吗？答案是可以的。
Cat中能否对父类方法做个增强，不需要完全重写？
super()可以访问到父类的类属性。
那对于类方法和静态方法呢？
静态方法和类方法，是特殊方法，也是类属性，这些方法都可以实现覆盖，原理都一样，属性字典的搜索顺序

2.4 继承时使用初始化

如果子类中没有__init__方法，就会继承父类的__init__方法，那如果子类和父类同时都存在__init__方法，会怎样呢
上面的案例中父类的__init__并没有被子类继承，而是被子类的__init__方法覆盖了，能不能既可以用子类的__init__方法实例化的同时调用父类的__init__呢，是可以的，用super方法
而且作为好习惯，如果在父类中定义了__init__方法，你就该在子类中调用它。
在子类没有__init__方法的时候，子类会自动调用父类的__init__方法。在子类和父类都有__init__方法时，就需要你通过super方法手动调用父类的__init__方法了。
💡
super().__init__(b+h, b-h) 只有两个参数，而且开头并没有self参数，这是因为super()等同于super(Cat, self)，那么super().__init__(b+h, b-h) 也可以写成Animal.__init__(self, b+h, b-h)
同时需要注意的是，调用父类的方法前后顺序是很重要的，顺序不同，结果可能也不同。
规范写法是super.__init__(name, age)写在前面，父类方法打好基础，子类做增强即可。注意，如果super方法写在后面，则self.age += 2需要改写成self.age = age + 2，想想这是为什么？
那么直接将上面例子中实例属性改成私有变量呢？
上例中，打印10，原因看__dict__就知道了。因为父类Animal的show方法中__age会被解释为_Animal__age，因此显示的是11，不是13.
这样的设计不好，Cat的实例c应该显示自己的属性值更好。
解决办法：一个原则，自己的私有属性，就该自己的方法读取和修改，不要借助其他类的方法，即使是父类或者派生类的方法。

2.5 单继承

上面的例子中，类的继承列表中只有一个类，这种继承称为单一继承。
OCP原则：多用“继承”、少修改
继承的用途：在子类上实现对基类的增强，实现多态。
 
开闭原则(OCP，The Open-Closed Principle)两个主要特征：
(1)对扩展开放(open for extension)：模块的行为的可以扩展的，当应用的需求改变时，可以对模块进行扩展。
(2)对修改关闭(closed for modification)：对模块进行扩展时，不必改动模块的源代码

2.6 多继承

一个类继承自多个类就是多继承，他将具有多个类的特征。

2.6.1 多继承弊端

多继承很好的模拟了世界，因为事物很少是单一继承，但是舍弃简单，必然引入复杂性，带来了冲突。如同一个孩子继承了来自父母双方的特征。那么到底眼睛像爸爸还是妈妈呢？孩子究竟该像谁多一点呢？
多继承的实现会导致编译器设计的复杂度增加，所以有些高级语言舍弃了类的多继承。
C++支持多继承；Java舍弃了多继承
Java中，一个类可以实现多个接口，一个接口也可以继承多个接口。Java的接口很纯粹，只是方法的声明，继承者必须实现这些方法，就具备了这些能力，就能干什么。
多继承可能会带来二义性，例如，猫和狗都继承自动物类，现在如果一个类多继承了猫和狗类，猫和狗都有shout方法，子类究竟继承谁的shout呢？
解决方案：
实现多继承的语言，要解决二义性，深度优先或者广度优先

2.6.2 多继承实现

notion image
左图是多继承（菱形继承，图结构），右图是单一继承（线性结构）
多继承带来路径选择问题，究竟继承哪个父类的特征呢？
Python使用MRO（method resolution order方法解析顺序）解决基类搜索顺序问题
  • 历史原因，MRO有三个搜索算法：
    • 经典算法：按照定义从左到右，深度优先策略。2.2版本之前左图的MRO是MyClass，D，B，A，C，A
    • 新式类算法：是经典算法的升级，深度优先，重复的只保留最后一个，2.2版本左图的MRO是MyClass，D，B，C，A，object
    • C3算法：在类被创建出来的时候，就计算出了一个MRO有序列表。2.3之后支持，Python3唯一支持的算法，左图中MRO是MyClass，D，B，C，A，object。C3算法解决了多继承的二义性。
      • 经典算法有很大的问题，如果C中有方法覆盖了A的方法，也不会访问到C的方法，因为先访问A的（深度优先）
      新式类算法，依然采用了深度优先，解决了重复问题，但是同经典算法一样，没有解决继承的单调性。
      C3算法，解决了继承的单调性，它阻止创建之前版本产生二义性的代码。求得的MRO本质是为了线性化，且确定了顺序。
      单调性：假设A、B、C三个类，C的MRO是[C, A, B]，那么C的子类的MRO中，A、B的顺序一致就是单调的

2.6.3 多继承的缺点

当类很多且继承复杂的情况下，继承路径太多，很难说清什么样的继承路径
Python语法是允许多继承的，但Python代码是解释执行，只有执行的时候，才发现错误。
团队协作开发，如果引入多继承，那么代码很有可能不可控。
不管编程语言是否支持多继承，都应当避免多继承。
Python的面向对象，我们看到的太灵活了，太开放了，所以要团队守规矩。
 

2.6.4 Mixin

类有下面的继承关系
notion image
文档Document类是其他所有文档类的抽象基类；
Word、Pdf类是Document的子类。
需求：为Document子类提供打印能力
思路：
1、在Document中提供print方法
假设已经有了下面三个类
基类提供的方法可以不具体实现，因为它未必适合子类的打印，子类中需要覆盖重写。基类中定义，不实现的方法，称为“抽象方法”。在Python中，如果采用这种方式定义的抽象方法，子类可以不实现，直到子类使用该方法的时候才报错。
print算一种能力——打印能力，不是所有的Document的子类都需要的，所以从这个角度出发，这上面的基类Document设计是有问题的。
2、需要打印的子类上增加
如果在所有的子类Word或Pdf上直接增加，虽然可以，却违反了OCP原则，所以可以继承后增加打印功能。因此有下图：
notion image
看似不错，如果需要还要提供其他功能，如何继承？
例如，如果该类用于网络，还应具备序列化的能力，在类上就应该实现序列化
可序列化还可能分为使用pickle、json、messagepack等
这个时候发现，为了增加一种能力，就需要一次继承，类可能太多了，继承的方式不是很好了。
可提供的功能太多，A类需要某几种功能，B类需要另几样功能，它们需要的是多种功能的自由组合，继承实现很繁琐。
3、装饰器
用装饰器增强一个类，把功能给类附加上去，那个类需要，就装饰它。
优点：简单方便，在需要的地方动态增加，直接使用装饰器。可以为类灵活的增加功能
4、Mixin
先看代码
Mixin就是其它类混合进来的，同时带来了类的属性和方法
这里看来Mixin类和装饰器效果一样，也没有什么特别的。但是Minxin是类，就可以继承。
Mixin类
Mixin本质上就是多继承实现的。
Mixin体现的是一种组合的设计模式。
在面向对象的设计中，一个复杂的类，往往需要很多的功能，而这些功能有来自不同的类提供这就需要从设计模式的角度来说，多组合，少继承
Mixin类的使用原则：
  • Mixin类中不应该显示的出现__init__初始化方法
  • Mixin类通常不能独立工作，因为它是准备混入别的类中部分功能实现
  • Mixin类的祖先类也应该是Mixin类
使用时，Mixin类通常在继承列表的第一个位置
Mixin类和装饰器，这两种方式都可以使用，看个人喜好。
 

2.7 抽象类(接口)

在设计父类的方法时, 父类方法只定义方法名, 然后用pass语句来代替具体实现代码. 继承的子类重写该方法, 并给出具体的实现方法.
如此设计的父类即为抽象类(接口)
  • 抽象方法: 方法体是空实现的(pass)称之为抽象方法
  • 抽象类: 含有抽象方法的类称之为抽象类
抽象类多用做顶层设计(设计标准), 以便子类做具体实现, 同时也是对子类的一种软性约束, 要求子类必须复写(实现)父类的一些方法.
同时, 可以配合多态使用, 获得不同的工作状态.通过多态语法, 实现模块和模块之间的解耦合.
 
 

3. 多态

3.1 多态定义

在面向对象过程中，父类、子类通过继承联系在一起，如果可以通过一套方法，在不同的场景下就可以实现不同表现，就是多态。
上例中，同一接口shout，对于不同类型实例，调用同一个方法，具有不同的表现，这就是多态的概念。
多态实现的三个前提：
  • 必须有子类，继承
  • 子类中实现对父类方法的 覆盖
  • 父类引用指向子类实例
 

3.2 多态的应用场景

父类型可以作为函数的形参类型, 这样可以接受其任意的子类对象, 实现传入什么(子类对象), 就调用该子类具体的功能, 起到了隐藏接口差异性的作用.(这也是多态中父类引用指向子类实例的体现.)
不使用多态思想实现
使用多态思想实现
  • 在不改变框架代码的情况下，通过多态语法轻松的实现模块和模块之间的解耦合；实现了软件系统的可拓展
  • 对解耦合的大白话解释：搭建的平台函数def object_play(herofighter:HeroFighter, enemyfighter:EnemyFighter) 相当于任务的调用者；子类、孙子类重写父类的函数，相当于子任务；相当于任务的调用者和任务的编写者进行了解耦合
  • 对可拓展的大白话解释： 搭建的平台函数def object_play(herofighter:HeroFighter, enemyfighter:EnemyFighter)，在不做任何修改的情况下，可以调用后来人写的代码
  • 对“继承和多态对照理解”大白话解释：
    • 继承相当于：孩子可以复用老爹的东西。
    • 多态相当于：老爹框架，不做任何修改的情况下，可以可拓展的使用后来人（孩子）写的东西。
 

4. 作业

 
1、 shape基类要求所有子类都必须提供面积的计算，子类有三角形、矩形、圆。(三角形面积——海伦公式)
2、上题圆类的数据可序列化
 
3、用面向对象实现Linkedlist链表
  • 单项列表实现append、iternodes方法
  • 双向列表实现append、iternodes、pop、insert、remove方法
 
 
📖
参考资料：《Python编程：从入门到实践》 《Python学习手册》（上下册） 某哥教育Python全栈开发资源