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Python | 继承(实现)关系

时间:2022-09-14 13:54:44  来源:今日头条  作者:VT漫步

面向对象与继承

面向对象思想有三大要素:

  1. 继承
  2. 封装
  3. 多态

面向对象编程(OOP)语言的一个重要功能就是 “继承”:

  • 它可以使用现有类的所有功能,并在无需重新编写原来类的情况下,对这些功能进行扩展
  • 通过继承创建的新类被称为 “子类” 或 “派生类”,被继承的类被称为 “基类”、“父类” 或 “超类”
  • Python/ target=_blank class=infotextkey>Python 中,同时支持单继承与多继承

继承的概念

举个例子,我们现在像创建猪、狗和猫三个类,它们都有名字和年龄属性,也都有一个叫的方法。不同的是,猪有吃的方法、狗有看家的方法、猫有抓老鼠的方法。按照之前的学习,我们会将代码写成这样:

class Pig:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age
    def bark(self):
        print('叫')
    def eat(self):
        print('吃')

class Dog:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age
    def bark(self):
        print('叫')
    def guarding(self):
        print('看家')
        
class Cat:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age
    def bark(self):
        print('叫')
    def catch(self):
        print('抓老鼠')

我们发现,虽然实现了需求,但是我们看到,这里面出现了大量的重复代码。如果我们能将这些重复代码封装起来,比如封装到一个动物类中,然后猪、狗和猫分别都继承这个动物类,就可以让代码更加简洁。

具体的实现方法为:

class Animal:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age
    def bark(self):
        print('叫')
class Pig(Animal):
    def eat(self):
        print('吃')
class Dog(Animal):
    def guarding(self):
        print('看家')
class Cat(Animal):
    def catch(self):
        print('抓老鼠')
mimi = Cat('咪咪', 3)
print(mimi.name, mimi.age)
mimi.bark()
mimi.catch()

输出的结果为:

咪咪 3
叫
抓老鼠

实现继承之后,子类将继承父类的属性和方法。

不难看出,继承关系的特点为:

  • 增加了类的耦合性(耦合性不宜多,宜精)
  • 减少了重复代码
  • 使得代码更加规范化,合理化

组合与继承的对比:

  • 组合
  • 组合是指在新类里面创建原有类的对象,重复利用已有类的功能,是 has-a 的关系(如:猫有腿)
  • 原来类的对象作为整体,以新类的属性的形式存在
  • 继承
  • 继承允许设计人员根据其他类的实现来定义一个类的实现,是 is-a 的关系(如:猫是动物)
  • 子类可以直接使用父类中的属性和方法,就好像父类的属性和方法已经存在于子类中了一样

Python 3 中使用的都是新式类,如果一个类谁都不继承,那么它默认继承 object 类。

继承虽然很好用,但是不能滥用,像之前说的,耦合程度不宜过高,否则逻辑会十分混乱:

  • 不要轻易地使用继承,除非两个类之间是 is-a 关系
  • 不要单纯地为了实现代码的重用而使用继承,因为过多的继承会破坏代码的可维护性,当父类被修改的时候,会影响到所有继承自它的子类,从而增加程序的维护难度与成本
  • 总结起来就是:组装的时候使用组合,扩展的时候使用继承

回到我们刚才的例子,猪、狗、猫三各类都只有动物一个父类,这种只有一个父类的继承方式,我们称作为单继承。在单继承中,子类可以继承父类的属性和方法,修改父类,所有子类都会受到影响。

isinstance和issubclass

isinstance:

  • 用于检查实例类型
  • isinstance(对象, 类),用来判断对象是不是该类的实例对象

issubclass:

  • 用于检查类继承
  • issubclass(类1, 类2),用来判断类 1 是否是类 2 的子类

类与数据类型

Python 与其他编程语言不同,当我们定义一个 class 的时候,我们实际上就定义了一个数据类型。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:

print(isinstance(10, int))

输出的结果为: True

重写父类方法

如果父类中的方法在子类中不适用,我们可以对其进行重写:

class Animal:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age
    def bark(self):
        print('叫')

class Dog(Animal):
    def bark(self):    # 重写叫的方法
        print('汪汪汪!')
    def guarding(self):
        print('看家')
  
wangwang = Dog('汪汪', 3)
print(wangwang.name)
wangwang.bark()

输出的结果为:

汪汪
汪汪汪!

重写父类方法的原理是,当示例调用方法时,会先在自己的类方法中查找,如果找不到,才会去父类中查找是否有相应的方法。如果在自己的类方法中找到了需要的方法,就不会去父类中查找,也就调用不到父类的同名方法,从而实现对父类中方法的重写

调用父类方法

但是有些时候,我们不得已会写一些重名的方法,比如父类和子类都会有 __init__ 构造方法。但是我们在调用子类方法的同时,也希望调用到父类中相应的方法。我们可以通过父类的类名直接调用:

class Father:
    eye_num = 2
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age
    def live_like_yemen(self):
        print('打儿子')
class Son(Father):
    hAIr_color = '蓝色'
    def __init__(self, name, age, sex):
        Father.__init__(self, name, age)
        self.sex = sex
    def live_like_yemen(self):
        print('打弟弟')

xiaoming = Son('小明', 16, '男')
xiaoming.live_like_yemen()
print(xiaoming.name)

输出的结果为:

打弟弟
小明

需要注意的是,在类中,self 永远指的是调用类的实例化对象。

super 方法

在上面的例子中,如果没有 Father.__init__(self, name, age) 这行代码,在子类中就无法调用父类的构造方法,因为子类已经重写了构造方法。上面的方法虽然实现了预期的功能,但是并不符合开发规范。

从子类中,调用父类中方法的关键字是 super,上述例子可修改为:

class Father:
    eye_num = 2
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age
    def live_like_yemen(self):
        print('打儿子')
class Son(Father):
    hair_color = '蓝色'
    def __init__(self, name, age, sex):
        super().__init__(name, age)    # 也可以写为super(Son, self).__init__(name, age)
        self.sex = sex
    def live_like_yemen(self):
        print('打弟弟')

xiaoming = Son('小明', 16, '男')
xiaoming.live_like_yemen()
print(xiaoming.name)

super 方法:

  • 子类如果编写了自己的构造方法,但是没有声明要调用父类的构造方法,而还需要父类的构造函数中初始化的一些属性,就会出现问题
  • 如果子类和父类都有构造函数,子类的构造函数其实是对父类的构造函数的重写。如果不显示调用父类构造函数,父类的构造函数便不会被执行
  • 解决方法:直接使用超类的类名调用超类构造方法,或者使用 super 函数 super(当前类名, self).__init__()

父类方法重写:

  • 子类可以重写父类中的方法
  • 通过 super 关键字可以调用父类中的方法

Python 中的多继承

多重继承和多继承

多重继承:包含多个间接父类

class A(object): pass
class B(A): pass
class C(B): pass

多继承:有多个直接父类

class X(object): pass
class Y(object): pass
class Z(object): pass
class M(X, Y, Z): pass

大部分面向对象的编程语言(除了 C++)都只支持单继承,而不支持多继承

  • 多继承不仅增加了编程的复杂度,而且很容易导致一些莫名的错误 ^1

Python 虽然在语法上明确支持多继承,但通常推荐如果不是很有必要,尽量不要使用多继承,而是使用单继承

  • 这样可以保证编程思路更清晰,而且可以避免很多麻烦

如果多个直接父类中包含了同名的方法

  • 排在前面的父类中的方法会 “遮蔽 “排在后面的父类中的同名方法
class A:
    def method(self):
        print('A_method')
class B:
    def method(self):
        print('B_method')
class C(A, B):
    pass

c = C()
c.method()

输出的结果为:

A_method

钻石继承和 MRO

我们刚刚谈到,即便不使用 super 方法,直接使用父类的类名,同样可以实现对父类方法的调用。那为什么更推荐使用 super 方法呢?

这是因为当涉及到比较复杂得多继承关系,比如钻石继承关系时,会出现间接父类会被初始化多次的情况。

比如,我们来看下面这个钻石继承的例子,如果我们使用父类的类名调用构造方法:

class YeYe:
    def __init__(self):
        print('初始化爷爷类')
class QinBa(YeYe):
    def __init__(self):
        print('进入化亲爸类')
        YeYe.__init__(self)
        print('初始化亲爸类')
class GanDie(YeYe):
    def __init__(self):
        print('进入化干爹类')
        YeYe.__init__(self)
        print('初始化干爹类')
class ErZi(QinBa, GanDie):
    def __init__(self):
        print('进入化儿子类')
        QinBa.__init__(self)
        GanDie.__init__(self)
        print('初始化儿子类')
erzi = ErZi()

我们看到,程序运行后,爷爷类被初始化了两次。

这是因为,当创建儿子对象时,会执行它的构造函数。首先打印的是儿子类中初始化方法的代码,然后执行秦霸的构造方法。在亲爸的构造方法中,也是先打印代码,然后执行爷爷的构造方法。执行完爷爷的构造方法之后,程序继续执行亲爸中剩余的代码,然后回到儿子类中,执行干爹的构造方法。在干爹的构造方法中,又要调用爷爷的构造方法。然后打印剩余代码,直至结束。

我们看到,第五步和第十步都是要调用爷爷的构造方法,爷爷类被初始化了两次。这种情况一来没有必要,会占用很大空间,二来,多次初始化也会带来程序逻辑的混乱。

如果我们改用 super 函数来进行这样的操作,就不会有这些麻烦:

class YeYe:
    def __init__(self):
        print('初始化爷爷类')
        
class QinBa(YeYe):
    def __init__(self):
        print('进入亲爸类')
        super().__init__()
        print('初始化亲爸类')
        
class GanDie(YeYe):
    def __init__(self):
        print('进入干爹类')
        super().__init__()
        print('初始化干爹类')
        
class ErZi(QinBa, GanDie):
    def __init__(self):
        print('进入儿子类')
        super().__init__()
        print('初始化儿子类')
        
erzi = ErZi()

首先,我们发现,在儿子类中,我们只用一行代码指代调用两个直接父类的构造方法。然后,从结果上看,此时,爷爷类只被初始化一次。

而且我们发现,代码的运行情况与多个装饰器装饰一个函数的情况很类似,子类的代码包含着父类的代码,一层套一层的形式。


查看 mro 的方法有两种:

类名.mro()
对象名.__class__.mro()

前面例子中的 mro 为:

[<class '__main__.ErZi'>, <class '__main__.QinBa'>, <class '__main__.GanDie'>, <class '__main__.YeYe'>, <class 'object'>]

我们说过,super 后面什么都不写,默认和 super(当前类名, self) 的写法一样。但事实上,super 的参数除了可以写当前类名外,还可以写它的父类 [^3] 的类名。此时,会执行在方法解析顺序列表中,该类下一个类的方法。

补充了这些知识,我们就可以解释上面的程序运行的顺序了。

super 关键字详解:

  • 基本结构:super(class[, object or class])
  • Python 3 可以直接使用 super().xxx 代替 super(class, self).xxx
  • 使用多继承时,会涉及到查找顺序(MRO)、钻石继承等问题单继承时,类名.__init__() 的方式和 super().__init__() 的方式调用父类中的方法没有什么差别使用 类名.__init__() 的方式在钻石继承时,会遇到初始化混乱的问题

super 内核的 mro 方法:返回的是一个类的方法解析顺序表(顺序结构)

  • 我们定义的每一个类,Python 都会计算出一个方法解析顺序(MRO [^2])列表这也是 super 在父类中查找成员的顺序,它是通过 C3 线性算法来实现的
  • 每个父类 [^3] 都存在且只在其中出现一次
  • 我们可以通过下面两种方式获得某个类的 mro 列表:
类名.mro()
对象名.__class__.mro()
  • 当使用 super(cls, obj) 时,Python 会在 obj 的 mro 列表上搜索 cls 的下一个类

事实上,super 和父类没有实质性的关联,我们也不一定非要把 super 后面的参数写成自己类的名字和 self。我们甚至可以很灵活地给 super 传参数

super(cls, obj) 获得的是 cls 在 obj 的 MRO 列表中的下一个类,cls 可以是任何一个类,obj 可以是任何一个对象,只要合理即可

class class ErZi(Qinba,GanDie):
    def __init__(self):
        super(ErZi, self).__init__()
        print('初始化儿子')

在前面我们定义儿子类的时候,如果我们不想调用亲爸的 __init__(),而是要调用干爹的 __init__(),只需把 super 写成 super(Qinba, self).__init__(),也就是这样:

class YeYe:
    def __init__(self):
        print('初始化爷爷类')

class QinBa(YeYe):
    def __init__(self):
        print('进入亲爸类')
        super().__init__()
        print('初始化亲爸类')

class GanDie(YeYe):
    def __init__(self):
        print('进入干爹类')
        super().__init__()
        print('初始化干爹类')

class ErZi(QinBa, GanDie):
    def __init__(self):
        print('进入儿子类')
        super(QinBa, self).__init__()
        print('初始化儿子类')

erzi = ErZi()

其执行顺序为:

[^2]: Method Resolution Order

[^3]: 包括直接父类和间接父类



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