24 - 面向对象基础-多继承-super-mro-Mixin

2024-03-12 21:04:26

1 类的继承
2 不同版本的类
3 基本概念
4 特殊属性和方法
5 继承中的访问控制
6 方法的重写(override)
- 6.1 super
- 6.2 继承中的初始化
7 多继承

1 类的继承

继承是面向对象的重要特性之一，是相对两个类而言的父子关系，子类继承了父类的所有的属性和方法，继承最大的好处是实现了代码的重用，可以重用已经存在的数据和行为，减少代码的重复编写。

2 不同版本的类

在Python2.2之前，类是没有共同的祖先的，之后，引入了object类，它是所有类的共同祖先类。Python2中为了兼容，分为古典类(旧式类)和新式类。而在Python 3中全部都为新式类，新式类都是继承object类的，并且可以使用super函数(后面会说)。下面是Python2.x中的代码

class A:
    pass

class B(object):
    pass

>>> dir(A)  # 查看类的__dict__
['__doc__', '__module__']
>>> dir(B)
['__class__', '__delattr__', '__dict__', '__doc__', '__format__', '__getattribute__', '__hash__', '__init__', '__module__', '__new__', '__reduce__', '__reduce_ex__', '__repr__', '__setattr__', '__sizeof__', '__str__', '__subclasshook__', '__weakref__']

在Python2.x中 A和B是不同的两个类。A没有继承，被称为古典类，B继承自object，被称为新式类。不止少了很多方法，连实例对象的属性也是不太相同的。Python 3中的代码如下

class A:
    pass

class B(object):
    pass
 
>>> dir(A)
['__class__', '__delattr__', '__dict__', '__dir__', '__doc__', '__eq__', '__format__', '__ge__', '__getattribute__', '__gt__', '__hash__', '__init__', '__init_subclass__', '__le__', '__lt__', '__module__', '__ne__', '__new__', '__reduce__', '__reduce_ex__', '__repr__', '__setattr__', '__sizeof__', '__str__', '__subclasshook__', '__weakref__']
>>> dir(B)
['__class__', '__delattr__', '__dict__', '__dir__', '__doc__', '__eq__', '__format__', '__ge__', '__getattribute__', '__gt__', '__hash__', '__init__', '__init_subclass__', '__le__', '__lt__', '__module__', '__ne__', '__new__', '__reduce__', '__reduce_ex__', '__repr__', '__setattr__', '__sizeof__', '__str__', '__subclasshook__', '__weakref__']
>>>

在Python 3中，都为新式类，所以A和A(object)是两个结果相同的不同写法而已 class A:pass == class A(object):pass。

更多的区别这里就不在详述，Python 3是未来，忘记旧式类吧。

3 基本概念

Python在类名后使用一对括号来表示继承关系，括号中的类即为父类。先来看看不用继承的例子：

class Animal:

    def shout(self):
        print('{} shout'.format(self.__class__.__name__))

class Cat:
    def shout(self):
        print('{} shout'.format(self.__class__.__name__))

class Dog:
    def shout(self):
        print('{} shout'.format(self.__class__.__name__))

a = Animal()
c = Cat()
d = Dog()

a.shout()
c.shout()
d.shout()

从上面例子来看，虽然猫狗动物都可以叫，但是却分别实现了叫这个动作，那么下一步使用继承来优化

class Animal:

    def shout(self):
        print('{} shout'.format(self.__class__.__name__))

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

a = Animal()
c = Cat()
d = Dog()

a.shout()
c.shout()
d.shout()

通过继承，猫类、狗类就不用写代码，直接继承了父类Animal类的叫方法了。所以，在上面的例子中：

父类：Animal是Cat和Dog的父类，也成为基类、超类
子类：Cat和Dog是Animal的子类，也成为派生类

4 特殊属性和方法

和继承相关的常用特殊属性和方法如下：

特殊属性和方法	含义	示例
`__base__`	类的基类
`__bases__`	类的基类们(元组)
`__mro__`	方法解析顺序(基类们的元组)
`mro()`	方法解析顺序(基类们的列表)	int.mro()
`__subclasses__()`	类的子类列表	`int.__subclasses__()`

5 继承中的访问控制

通过一个例子来看继承中的访问控制

class Animal:
    __COUNT = 100   # _Animal__COUNT = 100
    HEIGHT = 0

    def __init__(self, age,weight,height):
        self.__COUNT += 1  # self._Animal_COUNT = self._Animal_COUNT + 1
        self.age = age
        self.__weight = weight  # self._Animal__weight = weight
        self.HEIGHT = height

    def eat(self):
        print('{} eat'.format(self.__class__.__name__))

    def __getweight(self):    # def _Animal__getweight(self):
        print(self.__weight)  #     print(self._Animal__weight)

    @classmethod
    def showcount1(cls):
        print(cls)
        print(cls.__dict__)
        print(cls.__COUNT)    # print(cls._Animal__COUNT)

    @classmethod
    def __showcount2(cls):    # def _Animal__showcount2(cls):
        print(cls.__COUNT)    #     print(cls._Animal__COUNT)

    def showcount3(self):
        print(self.__COUNT)   # print(self._Animal__COUNT)

class Cat(Animal):
    NAME = 'CAT'
    __COUNT = 200   # _Cat__Count = 200

c = Cat(3,5,15)
c.eat()          # 1 
print(c.HEIGHT)  # 2 
print(c.__COUNT) # 3
print('c:',c.__dict__)
print('cat:',Cat.__dict__)
print('Animal:',Animal.__dict__)
c.showcount1()   # 4
c.showcount2()   # 5
c.showcount3()   # 6
print(c.NAME)    # 7

分析：

通过c调用eat方法，c没有eat方法，在类Cat中寻找，Cat中没有，在Cat的父类Animal中寻找，找到eat方法，把c绑定在eat上，执行是把c传入eat，在eat内部self是c，所以self.__class__就是Cat,所以会打印'Cat eat'。
在查找属性时，优先在c.__dict__中寻找，因为c实例化时设置了HEIGHT属性，所以，这里是15。
__COUNT是私有属性，定义完毕后会被改名，所以在外部访问时，会提示没有该属性。
使用c调用类方法时，@classmethod会把c的类传入到cls中去，所以cls就是Cat类，cls.__dict__就是Cat.__dict__,而Cat中只定义两个属性，所以值为{'__module__': '__main__', 'NAME': 'CAT', '_Cat__COUNT': 200, '__doc__': None}(魔术方法先不考虑),类方法定义在哪个类中，那么私有变量就会被改成以那个类为前缀的变量名，所以showcount1方法定义在Animal中，__COUNT就变成了_Animal__COUNT。cls.__COUNT就是在寻找cls._Animal__COUNT属性，而Cat类中的__COUNT被改名为_Cat__COUNT,所以最后只能在Animal中找到，所以值为100。
和私有属性相同，私有方法也会被改名为_类名__方法，所以直接从外部访问，会提示没有该属性方法。
showcount3定义在Animal中，所以self.__COUNT实际上为self._Animal__COUNT，c在实例化的同时进行了初始化，Cat没了__init__函数，所以继承了父类Animal的init，在初始化过程中定义的self.__COUNT，实际上就是self._Animal__COUNT，这里self._Animal__COUNT = self._Animal__COUNT + 1，先算等式右边，在执行时c还没有_Animal__COUNT属性，所以会从Cat类开始找直到Animal类，Cat类的__COUNT改名为了_Cat__COUNT,不是我们想要的，然后找到了Animal的100，然后加1，再赋给实例c(等于c._Animal__COUNT = Animal._Animal__COUNT + 1)，所以实例c来说，它自己就已经拥有_Animal__COUNT属性，它的值为101。

一般情况下不会这么写，这里只是练习知识点。分析这种情况时，直接把私有变量/方法改名后就非常好分析了。

总结：

从父类继承，自己没有的，就可以到父类中寻找。
私有的都是不可以直接在外部进行访问的，但是本质上依然是改了名称后放在这个属性所在的类或实例的__dict__中，如果知道这个新名称，就可以直接找到这个隐藏的变量。不建议使用。
继承时，公有的，子类和实例都可以随意访问；私有成员被吟唱，子类和实例不可直接访问，但私有变量所在的类内的方法可以直接访问这个私有变量。
实例属性查找顺序：实例的__dict__ , 类的__dict__ , 父类的__dict__(如果有继承)。

遇到私有变量/方法看定义的位置，直接进行改名就比较好分析了。

6 方法的重写(override)

方法重写，顾名思义就是重写继承来的方法，Python和其他语言不同的是，在Java中，要重写的方法，参数数量和类型要和原方法完全相同才行，否则会被认为是方法重载。Python由于其动态的语言的特性，只要方法相同，则表示的就是方法重写。

class Animal:

    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def shout(self):
        print('Animal shout')

class Cat(Animal):

    def shout(self):
        print('miaomiao')

c = Cat('daxin')
c.shout()

上面的例子中，Cat继承了Animal类的shout方法，但是由于Animal中定义的shout不符合Cat的需求，所以在Cat中重写了shout方法，但是需要注意的是，重写不是覆盖，严格来说的话应该算是遮盖，因为Python的类查找顺序是按照当前实例->父类->基类等来的，所以当给Cat类定义shout方法后，实例调用方法shout时，父类中已经包含了shout方法，所以就直接调用了，而Animal中的shout依旧在，只是Cat的shout方法被预先发现了。

如果我们并不是要改写，而是要增强原方法的功能呢？

class Animal:

    def shout(self):
        print('Animal shout')

class Cat(Animal):

    def shout(self):
        self.__class__.__base__.shout(self)  # 需要手动传入self
        print('miaomiao')
c = Cat()
c.shout()

通过查找父类然后传入实例调用，是可以的，但是不建议这样使用,在这种情况下,我们一般会使用super.

6.1 super

super函数(类)是用于调用父类(超类)的一个方法的。主要的两种写法如下：

super()   # 指代父类
super(type, obj)  # 同样指代父类，super接受两个参数，第一个是类型，第二个是实例对象。

super() == super(type, obj)

super(type, obj) 一般写为super(self.__class__, self) 按照上面Animal的例子的话，就为super(Cat, self)

利用super完成增强方法的例子：

class Animal:

    def shout(self):
        print('Animal shout')

class Cat(Animal):

    def shout(self):
        super(Cat, self).shout()
        # super().shout()
        print('miaomiao')
c = Cat()
c.shout()

静态方法和类方法都可以被覆盖，原理都相同，都是在属性字典__dict__中搜索。

6.2 继承中的初始化

class Animal:

    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def shout(self):
        print('Animal shout')

class Cat(Animal):

    def __init__(self, age):
        self.age = age 

    def shout(self):
        print('miaomiao')

c = Cat('daxin',20)
c.shout()
print(c.name)

请问这种情况是可以执行吗？答案是不行的，因为Cat重写了__init__方法，所以在c实例化时，只能访问Cat类的__init__方法，所以，就需要显示的调用父类的__init__方法。

class Animal:

    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def shout(self):
        print('Animal shout')

class Cat(Animal):

    def __init__(self, name, age):
        super(Cat, self).__init__(name)   # 等于把实例和name变量，传递给Animal.__init__(self,name)
        # super().__init__(name)    #  效果相同
        self.age = age 

    def shout(self):
        print('miaomiao')

c = Cat('daxin',20)
c.shout()

需要注意的是，如果有同名属性，那么后执行的会覆盖先执行的。

def __init__(self, name, age):
    super(Cat, self).__init__(name)
    self.name = age     # 覆盖父类初始化的name属性

另外在私有属性继承的情况下，请注意真正的变量名称(因为会改名)。

7 多继承

一个类继承自多个类就是多继承，它将具有多个类的特征。面向对象的设计的开闭原则(实体应该对扩展开放，而对修改封闭)，就可以利用继承来设计，即多用'继承'，少修改(并不是一般的多继承，后面会详述)。它的定义个数如下

class MyClass(A,B,...):pass

Python中的继承关系，分为多继承和单继承，如图所示：

7.1 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。举个简单的例子：如果一个孩子继承了来自父母双方的特称，那么到底眼睛像爸爸还是妈妈呢，孩子究竟像谁多一点呢？

多继承的实现或导致编译器设计的复杂度增加，所以现在很多语言也舍弃了类的多继承。

C++支持多继承，而Java舍弃了多继承。有些人说Java支持的多继承的，其实他说的是接口，在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，只是方法的生命，继承者必须实现这些方法，就具有了这些能力，就能干什么。
多继承带来的问题，最主要的就是二义性，例如猫和狗都继承自动物类，现在如果一个类继承了猫和狗类，猫和狗都有shout方法，子类究竟继承谁的shout呢？

实现多继承的语言，要解决二义性，主要有两种方法深度优先和广度优先。

7.2 MRO

MRO：方法解析顺序，Python使用MRO来解决多继承带来的二义性问题。因为Python 2.x的旧式类和新式类等历史原因(旧式类不会继承object对想)，MRO有三个搜索算法：

经典算法(2.2之前)：按照定义从左至右，深度优先策略。左图的MRO为：MyClass、D、B、A、C
新式类算法(2.2版本)：经典算法的升级，深度优先，重复的只保留最后一个。左图的MRO为：MyClass、D、B、C、A、object
C3算法(2.3之后)：在类被创建出来的时候，就计算一个MRO有序列表。Python3唯一支持的算法。左图的MRO为：MyClass、D、B、C、A、object

经典算法有很大的问题。如果C中有覆盖A的方法，就不会访问到C，因为深度优先，会先访问A。新式类算法算法，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，么有解决继承和单调性的问题。

单调性：如果在D的解析顺序中，B排在A的前面，那么在D的所有子类里，也必须满足这个顺序。

C3算法，解决了继承的单调性，它阻止创建之前版本产生的二义性代码，求得MRO是为了线性化，且确定了顺序。关于MRO和C3可以参考：Python的多重继承问题-MRO和C3算法

class A:pass
class B(A):pass
class C(A):pass
class D(B):pass
class MyClass(D,C):pass

print(MyClass.mro())  # [<class '__main__.MyClass'>, <class '__main__.D'>, <class '__main__.B'>, <class '__main__.C'>, <class '__main__.A'>, <class 'object'>]

注意：

MyClass.mro() 和 MyClass.__mro__结果相同，一个是方法，一个是属性。
D的解析顺序中，B在A的前面，那么在D的所有资料，都将保持这个顺序。
序列是有序的，当执行一个方法，子类不存在时，会按照mro列表开始寻找。

7.3 多继承的建议

当类很多，继承很复杂的情况下，继承路径太多，很难说清什么样的继承路线。Python语法是允许多继承的，但是Python代码是解释执行，只有执行时，才发现错误，如果团队协作开发，并且引入多继承，那么代码将有可能会变得不可控。所以在Python日常开发规范中建议：

避免多继承
由于Python语言本身过于灵活，所以最好遵循一定的团队开发规范。

7.4 Mixin

从一个需求开始了解Mixin。现有如下继承关系：

假设已经有了三个类：

class Animal:

    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def talk(self):  # 抽象方法，没有真正被实现，需要子类自己去实现
        raise NotImplementedError()   # raise表示抛出异常，NotImplementedError表示没有被实现。

class Human(Animal):
    pass

class Monkey(Animal):
    pass

解释：

没有实现的方法称为抽象方法，拥有抽象方法的类，叫做抽象类(抽象类不是用来实例化的，而是用来继承的，所以又叫做抽象基类)
子类直接执行talk方法时会产生异常(方法没有被实现)

Python中如果采用上面的方式定义抽象方法，子类可以不实现，但是到子类使用该方法的时候才会报错。

Animal类是抽象基类，基类的方法可以不具体实现，因为它未必适合所有子类，在子类中一般需要重写。Human类和Monkey类属于Animal的子类，现在需要为Human类添加说话的功能，该怎么办呢？如果在Humman类上直接添加，虽然可以，但是却违反了OCP原则，所以我们只能继承了

下面对代码进行改写

class Animal:

    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def talk(self):  # 抽象方法，没有真正被实现，需要子类自己去实现
        raise NotImplementedError()

class Human(Animal):
    pass

class Monkey(Animal):
    pass

class TalkHuman(Human):

    def talk(self):
        print('{} say something'.format(self.name))

daxin = TalkHuman('daxin')
daxin.talk()

疑问：看似完成了需求，但是如果Human又要唱歌、跳舞、吃饭等方法呢？每次都要继承吗？这样类会不会太多了？能否用其他的方法呢？

7.4.1 利用装饰器新增功能

前面我们利用装饰器为函数新增了功能，在Python中一切皆对象，函数和类都是对象，那么我们是否可以利用装饰器为类添加新功能呢？答案当然是可以的。使用装饰器为Human类添加talk方法：

class Animal:

    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def talk(self):  # 抽象方法，没有真正被实现，需要子类自己去实现
        raise NotImplementedError()

def talkhuman(cls):
    # def talk(self):
    #     print('{} say I Love You'.format(self.name))
    # cls.talk = talk
    cls.talk = lambda self: print('{} say I Love You'.format(self.name))
    return cls

@talkhuman  # Human = talk(human)
class Human(Animal):
    pass

class Monkey(Animal):
    pass

daxin = Human('daxin')
daxin.talk()

使用柯里化很容易就可以写出为类添加方法的装饰器，这种装饰器还有一个好处，哪里需要talk功能，直接装饰就好。有多个功能的话，那就写多个装饰器。

class Animal:

    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def talk(self):  # 抽象方法，没有真正被实现，需要子类自己去实现
        raise NotImplementedError()

def talkhuman(cls):
    cls.talk = lambda self: print('{} say I Love You'.format(self.name))
    return cls

def sleephuman(cls):
    cls.sleep = lambda self: print('{} will sleep with you'.format(self.name))
    return cls

@sleephuman  
@talkhuman  
class Human(Animal):
    pass

class Monkey(Animal):
    pass

daxin = Human('daxin')
daxin.talk()
daxin.sleep()

7.4.2 Mixin类

先来看代码：

class Animal:

    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def talk(self):  # 抽象方法，没有真正被实现，需要子类自己去实现
        raise NotImplementedError()

class TalkMixin:
    def talk(self):
        print('{} say I Love You too'.format(self.name))

class Human(Animal):
    pass

class Monkey(Animal):
    pass

class TalkMan(TalkMixin, Human):
    pass

daxin = TalkMan('daxin')
daxin.talk()

PS: 感觉就是写了一个类给别人继承了？

Mixin体现的就是一种组合的设计模式，本质上就是多继承实现的。核心思想就是把其它类混合进来，同时带来了类的属性和方法。这里的Mixin看起来和装饰器的效果是一样的，也没什么特别的，但是Mixin是类，它可以继承。

class Animal:

    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def talk(self):  # 抽象方法，没有真正被实现，需要子类自己去实现
        raise NotImplementedError()

class TalkMixin:
    def talk(self):
        print('{} say I Love You'.format(self.name))

class SingMixin(TalkMixin):  # 通过继承来添加新的功能
    def sing_a_song(self):
        print('{} want sing a song'.format(self.name))
        super(SingMixin, self).talk()
        print('Go out,Now')

class Human(Animal):
    pass

class Monkey(Animal):
    pass

class TalkMan(TalkMixin, Human):
    pass

class SingMan(SingMixin,Human):
    pass

daxin = SingMan('daxin')
daxin.sing_a_song()

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的部分功能实现
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。

小结：

在面向对象的设计中，一个复杂的类，往往需要很多功能，而这些功能又来自于不同类的提供，这就需要很多的类组合在一起。
从设计模式的角度来看，多组合，少继承。
Mixin和装饰器都可以使用，看个人喜好，如果还需要继承，就是用Mixin的方式。

码农公寓