Python3面向对象多态

r囧r小猫 2022-03-17 08:53 325阅读 0赞

在OOP程序设计中，当我们定义一个class的时候，可以从某个现有的class继承，新的class称为子类（Subclass），而被继承的class称为基类、父类或超类（Base class、Super class）。

比如，我们已经编写了一个名为`Animal`的class，有一个`run()`方法可以直接打印：

class Animal(object):
        def run(self):
            print('Animal is running...')

当我们需要编写`Dog`和`Cat`类时，就可以直接从`Animal`类继承：

class Dog(Animal):
        pass
    
    class Cat(Animal):
        pass

对于`Dog`来说，`Animal`就是它的父类，对于`Animal`来说，`Dog`就是它的子类。`Cat`和`Dog`类似。

继承有什么好处？最大的好处是子类获得了父类的全部功能。由于`Animial`实现了`run()`方法，因此，`Dog`和`Cat`作为它的子类，什么事也没干，就自动拥有了`run()`方法：

dog = Dog()
    dog.run()
    
    cat = Cat()
    cat.run()

运行结果如下：

Animal is running...
    Animal is running...

当然，也可以对子类增加一些方法，比如Dog类：

class Dog(Animal):
    
        def run(self):
            print('Dog is running...')
    
        def eat(self):
            print('Eating meat...')

继承的第二个好处需要我们对代码做一点改进。你看到了，无论是`Dog`还是`Cat`，它们`run()`的时候，显示的都是`Animal is running...`，符合逻辑的做法是分别显示`Dog is running...`和`Cat is running...`，因此，对`Dog`和`Cat`类改进如下：

class Dog(Animal):
    
        def run(self):
            print('Dog is running...')
    
    class Cat(Animal):
    
        def run(self):
            print('Cat is running...')

再次运行，结果如下：

Dog is running...
    Cat is running...

当子类和父类都存在相同的`run()`方法时，我们说，子类的`run()`覆盖了父类的`run()`，在代码运行的时候，总是会调用子类的`run()`。这样，我们就获得了继承的另一个好处：多态。

要理解什么是多态，我们首先要对数据类型再作一点说明。当我们定义一个class的时候，我们实际上就定义了一种数据类型。我们定义的数据类型和Python自带的数据类型，比如str、list、dict没什么两样：

a = list() # a是list类型
    b = Animal() # b是Animal类型
    c = Dog() # c是Dog类型

判断一个变量是否是某个类型可以用`isinstance()`判断：

>>> isinstance(a, list)
    True
    >>> isinstance(b, Animal)
    True
    >>> isinstance(c, Dog)
    True

看来`a`、`b`、`c`确实对应着`list`、`Animal`、`Dog`这3种类型。

但是等等，试试：

>>> isinstance(c, Animal)
    True

看来`c`不仅仅是`Dog`，`c`还是`Animal`！

不过仔细想想，这是有道理的，因为`Dog`是从`Animal`继承下来的，当我们创建了一个`Dog`的实例`c`时，我们认为`c`的数据类型是`Dog`没错，但`c`同时也是`Animal`也没错，`Dog`本来就是`Animal`的一种！

所以，在继承关系中，如果一个实例的数据类型是某个子类，那它的数据类型也可以被看做是父类。但是，反过来就不行：

>>> b = Animal()
    >>> isinstance(b, Dog)
    False

`Dog`可以看成`Animal`，但`Animal`不可以看成`Dog`。

要理解多态的好处，我们还需要再编写一个函数，这个函数接受一个`Animal`类型的变量：

def run_twice(animal):
        animal.run()
        animal.run()

当我们传入`Animal`的实例时，`run_twice()`就打印出：

>>> run_twice(Animal())
    Animal is running...
    Animal is running...

当我们传入`Dog`的实例时，`run_twice()`就打印出：

>>> run_twice(Dog())
    Dog is running...
    Dog is running...

当我们传入`Cat`的实例时，`run_twice()`就打印出：

>>> run_twice(Cat())
    Cat is running...
    Cat is running...

看上去没啥意思，但是仔细想想，现在，如果我们再定义一个`Tortoise`类型，也从`Animal`派生：

class Tortoise(Animal):
        def run(self):
            print('Tortoise is running slowly...')

当我们调用`run_twice()`时，传入`Tortoise`的实例：

>>> run_twice(Tortoise())
    Tortoise is running slowly...
    Tortoise is running slowly...

你会发现，新增一个`Animal`的子类，不必对`run_twice()`做任何修改，实际上，任何依赖`Animal`作为参数的函数或者方法都可以不加修改地正常运行，原因就在于多态。

多态的好处就是，当我们需要传入`Dog`、`Cat`、`Tortoise`……时，我们只需要接收`Animal`类型就可以了，因为`Dog`、`Cat`、`Tortoise`……都是`Animal`类型，然后，按照`Animal`类型进行操作即可。由于`Animal`类型有`run()`方法，因此，传入的任意类型，只要是`Animal`类或者子类，就会自动调用实际类型的`run()`方法，这就是多态的意思：

对于一个变量，我们只需要知道它是`Animal`类型，无需确切地知道它的子类型，就可以放心地调用`run()`方法，而具体调用的`run()`方法是作用在`Animal`、`Dog`、`Cat`还是`Tortoise`对象上，由运行时该对象的确切类型决定，这就是多态真正的威力：调用方只管调用，不管细节，而当我们新增一种`Animal`的子类时，只要确保`run()`方法编写正确，不用管原来的代码是如何调用的。这就是著名的“开闭”原则：

对扩展开放：允许新增`Animal`子类；

对修改封闭：不需要修改依赖`Animal`类型的`run_twice()`等函数。

继承还可以一级一级地继承下来，就好比从爷爷到爸爸、再到儿子这样的关系。而任何类，最终都可以追溯到根类object，这些继承关系看上去就像一颗倒着的树。比如如下的继承树：

┌───────────────┐
                    │    object     │
                    └───────────────┘
                            │
               ┌────────────┴────────────┐
               │                         │
               ▼                         ▼
        ┌─────────────┐           ┌─────────────┐
        │   Animal    │           │    Plant    │
        └─────────────┘           └─────────────┘
               │                         │
         ┌─────┴──────┐            ┌─────┴──────┐
         │            │            │            │
         ▼            ▼            ▼            ▼
    ┌─────────┐  ┌─────────┐  ┌─────────┐  ┌─────────┐
    │   Dog   │  │   Cat   │  │  Tree   │  │ Flower  │
    └─────────┘  └─────────┘  └─────────┘  └─────────┘

### 静态语言 vs 动态语言 ###

对于静态语言（例如Java）来说，如果需要传入`Animal`类型，则传入的对象必须是`Animal`类型或者它的子类，否则，将无法调用`run()`方法。

对于Python这样的动态语言来说，则不一定需要传入`Animal`类型。我们只需要保证传入的对象有一个`run()`方法就可以了：

class Timer(object):
        def run(self):
            print('Start...')

这就是动态语言的“鸭子类型”，它并不要求严格的继承体系，一个对象只要“看起来像鸭子，走起路来像鸭子”，那它就可以被看做是鸭子。

Python的“file-like object“就是一种鸭子类型。对真正的文件对象，它有一个`read()`方法，返回其内容。但是，许多对象，只要有`read()`方法，都被视为“file-like object“。许多函数接收的参数就是“file-like object“，你不一定要传入真正的文件对象，完全可以传入任何实现了`read()`方法的对象。