Python的面向对象的三大特性之继承
Posted 思江
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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了Python的面向对象的三大特性之继承相关的知识,希望对你有一定的参考价值。
一、继承
1、什么是继承
继承是一种创新类的方式,在python中,
新建的类可称子类或者派生类,父类称为基类或者超类
子类会继承父类所有属性
需要注意的是:
python支持多继承
新建的类可以继承一个或者多个父类
class Parent1:
pass
class Parent2:
pass
class Sub1(Parent1): # 单继承
pass
class Sub2(Parent1,Parent2): # 多继承
pass
# 查看子类调用的父类
print(Sub1.__bases__) # (<class \'__main__.Parent1\'>,)
print(Sub2.__bases__) # (<class \'__main__.Parent1\'>, <class \'__main__.Parent2\'>)
python的多继承
优点:子类可以同时继承多个父类的属性,最大限度的重用代码。
缺点:
1、违背人的思维习惯,继承表达的是一种什么“是”什么的关系。
2、代码可读性会变差
3、不建议使用多继承,扩展性变差,如果真的涉及到一个子类不可避免的要重用多个父类的属性,应该使用Mixins
单继承:继承表达的是一种什么“是”什么的关系
人类
动物类
共同的特点:吃,睡,跑,叫,也就是说人是动物
多继承:就不能像单继承那样,一个事物不能同时是多个事物,逻辑冲突
class A:
pass
class B(A):
x = 222
class C(B):
pass
class D(C):
pass
print(D.x) # 222 先去D找,再去C找,再去B找
# ps1:在python2中有经典类和新式类之分
# 新式类:继承了object类的子类,以及该子类的子类
# 经典类:没有继承object类的子类,以及该子类的子类子子类
# 总结:object类是python内置的类,也就是所有类的超类
"""
>>> class Foo: # 经典类
... pass
...
>>> Foo.__bases__
()
>>> class Bar(object): # 新式类
... pass
...
>>> Bar.__bases__
(<type \'object\'>,)
>>>
"""
# ps2:在python3中有没有经典类和新式类之分?
# 在python3之中没有继承任何类,那么会默认继承object类,所以python3中所有的类都是新式类
print(Parent1.__bases__) # (<class \'object\'>,)
print(Parent2.__bases__) # (<class \'object\'>,)
# 所以思考如何让python3中的类在python2中兼容?加入(object)
class Parent3(object): # 兼容python2
pass
2、为何要用继承?
用来解决代码冗余,
类是解决对象之间代码冗余,
继承是解决类之间代码冗余。
class Parent4:
x = 1
class Sub4(Parent4):
y = 2
print(Sub4.x,Sub4.y) # 1 2
3、要找出类与类之间的继承关系,需要先抽象,再继承。抽象即总结相似之处,总结对象之间的相似之处得到类,总结类与类之间的相似之处就可以得到父类,如下图所示
基于抽象的结果,我们就找到了继承关系
4、继承的使用
# 思考一下找到学生和老师的共同之处:
# 示范1:基于类与类之间存在冗余问题
# 选课系统
# 定义学生类
class Student:
school = \'OLDBOY\'
# 定义学生属性
def __init__(self,stu_id,name,age,sex):
self.name = name
self.age = age
self.sex = sex
# 定义学生功能
def choose_course(self):
print(\'%s 正向选课\' % self.name)
# 定义老师类
class Teacher:
school = \'OLDBOY\'
def __init__(self,name,age,sex,salary,level):
self.name = name
self.age = age
self.sex = sex
self.salary = salary
self.level = level
def score(self):
print(\'老师 %s 正在给学生打分\' % self.name)
# 派生的三种情况:新建,修改,扩展
# 提取出共有的属性
class OldboyPeople:
school = \'OLDBOY\'
# 定义共有属性
def __init__(self,name,age,sex):
self.name = name
self.age = age
self.sex = sex
# 选课系统
# 定义学生类
class Student(OldboyPeople):
# 派生之一:新建一个功能
def choose_course(self):
print(\'%s 正向选课\' % self.name)
# 派生之二:修改
school = \'派生之二修改OLDBOY学校名\'
# 实例话学生
stu_obj = Student(\'lili\',18,\'female\')
print(stu_obj.__dict__) # {\'name\': \'lili\', \'age\': 18, \'sex\': \'female\'}
print(stu_obj.school) # 派生前OLDBOY 派生后运行结果:派生之二修改OLDBOY学校名
stu_obj.choose_course() # lili 正向选课
"""
对象本身,lsj\',18,\'male\',3000,2
init中(self,name,age,sex,salary,level)
"""
class Teacher(OldboyPeople):
# 派生之三:扩展
def __init__(self,name,age,sex,salary,level):
# 指名道姓的跟父类要init这个方法(name,age,sex)
OldboyPeople.__init__(self,name,age,sex)
self.salary = salary
self.level = level
def score(self):
print(\'老师 %s 正在给学生打分\' % self.name)
tea_obj = Teacher(\'lsj\',18,\'male\',3000,2)
# 派生之三前运行结果:TypeError: __init__() takes 4 positional arguments but 6 were given
print(tea_obj.__dict__)
# 派生之三后运行结果:{\'name\': \'lsj\', \'age\': 18, \'sex\': \'male\', \'salary\': 3000, \'level\': 2}
print(tea_obj.school) # OLDBOY
tea_obj.score() # 老师 lsj 正在给学生打分
5、单继承下属性的查找顺序
# 单继承背景下的属性查找
# 示范一
class Foo: def f1(self): print(\'Foo.f1\') def f2(self): print(\'Foo.f2\') self.f1() # obj.f1() class Bar(Foo): def f1(self): print(\'Bar.f1\') obj = Bar() obj.f2() # 运行结果:Foo.f2 Bar.f1 # 为什么是这样的结果:不是就近查找
# 单继承背景下的属性查找 # 需求必须调用Foo类下的f1该怎么办?
# 示范一
class Foo: def f1(self): print(\'Foo.f1\') def f2(self): print(\'Foo.f2\') Foo.f1(self) # 调用当前类中的f1,运行结果:Foo.f1 self.f1() # obj.f1() class Bar(Foo): def f1(self): print(\'Bar.f1\') obj = Bar() obj.f2() # 运行结果:Foo.f2 Bar.f1 # 为什么是这样的结果:不是就近查找
# 示范二
class Foo:
# 使用隐藏属性
def __f1(self): # _Foo__f1
print(\'Foo.f1\')
def f2(self):
print(\'Foo.f2\')
self.__f1() # self._Foo__f1
class Bar(Foo):
def __f1(self): # _Bar__f1
print(\'Bar.f1\')
obj = Bar()
obj.f2()
# 运行结果:Foo.f2 Foo.f1
二、继承的实现原理
2.1、菱形问题
大多数面向对象语言都不支持多继承,而在Python中,一个子类是可以同时继承多个父类的,这固然可以带来一个子类可以对多个不同父类加以重用的好处,但也有可能引发著名的 Diamond problem菱形问题(或称钻石问题,有时候也被称为“死亡钻石”),菱形其实就是对下面这种继承结构的形象比喻
A类在顶部,B类和C类分别位于其下方,D类在底部将两者连接在一起形成菱形。注意:A不是Object的类,A是继承了object类
这种继承结构下导致的问题称之为菱形问题:如果A中有一个方法,B和/或C都重写了该方法,而D没有重写它,那么D继承的是哪个版本的方法:B的还是C的?如下所示
class A(object):
def test(self):
print(\'from A\')
class B(A):
def test(self):
print(\'from B\')
class C(A):
def test(self):
print(\'from C\')
class D(B,C):
pass
obj = D()
obj.test() # 结果为:from B
如果先继承C后继承B,运行结果如下
class D(C,B):
pass
obj = D()
obj.test() # 结果为:from C
要想搞明白obj.test()是如何找到方法test的,需要了解python的继承实现原理
2.2、继承原理
python到底是如何实现继承的呢? 对于你定义的每一个类,Python都会计算出一个方法解析顺序(MRO)列表,该MRO列表就是一个简单的所有基类的线性顺序列表,如下
# 新式类内置了mro方法可以查看线性列表的内容,经典类没有该内置该方法
print(D.mro())
# [<class \'__main__.D\'>, <class \'__main__.B\'>, <class \'__main__.C\'>, <class \'__main__.A\'>, <class \'object\'>]
# 类D以及该类D的对象访问属性都是参照该类的mro列表
print(C.mro()) # [<class \'__main__.C\'>, <class \'__main__.A\'>, <class \'object\'>]
# 类C以及该类C的对象访问属性都是参照该类的mro列表
print(B.mro()) # [<class \'__main__.B\'>, <class \'__main__.A\'>, <class \'object\'>]
print(A.mro()) # [<class \'__main__.A\'>, <class \'object\'>]
python会在MRO列表上从左到右开始查找基类,直到找到第一个匹配这个属性的类为止。 而这个MRO列表的构造是通过一个C3线性化算法来实现的。我们不去深究这个算法的数学原理,它实际上就是合并所有父类的MRO列表并遵循如下三条准则:
1.子类会先于父类被检查
2.多个父类会根据它们在列表中的顺序被检查
3.如果对下一个类存在两个合法的选择,选择第一个父类
所以obj.test()的查找顺序是,先从对象obj本身的属性里找方法test,没有找到,则参照属性查找的发起者(即obj)所处类D的MRO列表来依次检索,首先在类D中未找到,然后再B中找到方法test
1.由对象发起的属性查找,会从对象自身的属性里检索,没有则会按照对象的类.mro()规定的顺序依次找下去,
2.由类发起的属性查找,会按照当前类.mro()规定的顺序依次找下去,
总结:类相关的属性查找(类名.属性,该类的对象.属性),都是参照该类的mro。mro列表顺序是固定的,但是在python2和python3算出来的顺序不一样。
2.3、mro在python2和python3中的顺序
(1)如果多继承是非菱形继承,经典类和新式类的属性查找顺序一样,都是一个分支一个分支的找下去,最后找到Object
参照下述代码,多继承结构为非菱形结构,此时,会按照先找B这一条分支,然后再找C这一条分支,最后找D这一条分支的顺序直到找到我们想要的属性
上图的查找顺序是:A对象>A类>B>E>C>F>D>object
# encoding=utf-8
# auther:lsj
# Python3中展示多继承非菱形继承下属性查找顺序
class E:
def test(self):
print(\'from E\')
class F:
def test(self):
print(\'from F\')
class B(E):
def test(self):
print(\'from B\')
class C(F):
def test(self):
print(\'from C\')
class D:
def test(self):
print(\'from D\')
class A(B, C, D):
# def test(self):
# print(\'from A\')
pass
print(A.mro())
# 多继承非菱形下属性查找顺序:A对象>A类>B>E>C>F>D>object
\'\'\'
[<class \'__main__.A\'>, <class \'__main__.B\'>, <class \'__main__.E\'>,
<class \'__main__.C\'>, <class \'__main__.F\'>,
<class \'__main__.D\'>, <class \'object\'>]
\'\'\'
# obj = A()
# obj.test() # 结果为:from B
# 可依次注释上述类中的方法test来进行验证
# encoding=utf-8
# auther:lsj
# Python2中展示多继承非菱形继承下属性查找顺序
# AttributeError: class A has no attribute \'mro\',
# 需要把没有继承父类的类继承(Object)形成新式类。
class E(object):
def test(self):
print(\'from E\')
class F(object):
def test(self):
print(\'from F\')
class B(E):
def test(self):
print(\'from B\')
class C(F):
def test(self):
print(\'from C\')
class D(object):
def test(self):
print(\'from D\')
class A(B, C, D):
# def test(self):
# print(\'from A\')
pass
print(A.mro())
# 多继承非菱形下属性查找顺序:A对象>A类>B>E>C>F>D>object
\'\'\'
[<class \'__main__.A\'>, <class \'__main__.B\'>, <class \'__main__.E\'>,
<class \'__main__.C\'>, <class \'__main__.F\'>,
<class \'__main__.D\'>, <class \'object\'>]
\'\'\'
obj = A()
obj.test() # 结果为:from B
# 可依次注释上述类中的方法test来进行验证
(2)如果多继承是菱形继承
如果继承关系为菱形结构,那么经典类与新式类会有不同MRO,分别对应属性的两种查找方式:深度优先和广度优先
在Python2中有经典类和新式类
经典类:未继承object类的类,mro列表,对应属性的两种查找顺序-->深度优先
新式类:继承了object类的类,mro列表,对应属性的两种查找顺序-->广度优先
# 经典类
class G: # 在python2中,未继承object的类及其子类,都是经典类
def test(self):
print(\'from G\')
class E(G):
def test(self):
print(\'from E\')
class F(G):
def test(self):
print(\'from F\')
class B(E):
def test(self):
print(\'from B\')
class C(F):
def test(self):
print(\'from C\')
class D(G):
def test(self):
print(\'from D\')
class A(B,C,D):
# def test(self):
# print(\'from A\')
pass
obj = A()
obj.test() # 如上图,查找顺序为:obj->A->B->E->G->C->F->D->object
# 可依次注释上述类中的方法test来进行验证,注意请在python2.x中进行测试
新式类:python2中加入object类
class G(object):
def test(self):
print(\'from G\')
class E(G):
def test(self):
print(\'from E\')
class F(G):
def test(self):
print(\'from F\')
class B(E):
def test(self):
print(\'from B\')
class C(F):
def test(self):
print(\'from C\')
class D(G):
def test(self):
print(\'from D\')
class A(B,C,D):
# def test(self):
# print(\'from A\')
pass
obj = A()
obj.test() # 如上图,查找顺序为:obj->A->B->E->C->F->D->G->object
# 可依次注释上述类中的方法test来进行验证
总结:
多继承到底要不要用?要用
1、继承结构不能太复杂
2、推荐使用mixins机制,在多继承的基础下满足什么“是”什么的关系
三、多继承的Mixins机制
mixins机制核心任务:就是在多继承背景下尽可能提升多继承的可读性。
一个子类可以同时继承多个父类,这样的设计常被人诟病,一来它有可能导致可恶的菱形问题,二来在人的世界观里继承应该是个”is-a”关系。 比如轿车类之所以可以继承交通工具类,是因为基于人的世界观,我们可以说:轿车是一个(“is-a”)交通工具,而在人的世界观里,一个物品不可能是多种不同的东西,因此多重继承在人的世界观里是说不通的,它仅仅只是代码层面的逻辑。不过有没有这种情况,一个类的确是需要继承多个类呢?
答案是有,我们还是拿交通工具来举例子:
民航飞机、直升飞机、轿车都是一个(is-a)交通工具,前两者都有一个功能是飞行fly,但是轿车没有,所以如下所示我们把飞行功能放到交通工具这个父类中是不合理的
class Vehicle: # 交通工具
def fly(self):
\'\'\'
飞行功能相应的代码
\'\'\'
print("I am flying")
class CivilAircraft(Vehicle): # 民航飞机
pass
class Helicopter(Vehicle): # 直升飞机
pass
class Car(Vehicle): # 汽车并不会飞,但按照上述继承关系,汽车也能飞了
pass
但是如果民航飞机和直升机都各自写自己的飞行fly方法,又违背了代码尽可能重用的原则(如果以后飞行工具越来越多,那会重复代码将会越来越多)。
怎么办???为了尽可能地重用代码,那就只好在定义出一个飞行器的类,然后让民航飞机和直升飞机同时继承交通工具以及飞行器两个父类,这样就出现了多重继承。这时又违背了继承必须是”is-a”关系。这个难题该怎么解决?
Python语言可没有接口功能,但Python提供了Mixins机制,简单来说Mixins机制指的是子类混合(mixin)不同类的功能,而这些类采用统一的命名规范(例如Mixin后缀),以此标识这些类只是用来混合功能的,并不是用来标识子类的从属"is-a"关系的,所以Mixins机制本质仍是多继承,但同样遵守”is-a”关系,如下
class Vehicle: # 交通工具
pass
class FlyableMixin:
def fly(self):
\'\'\'
飞行功能相应的代码
\'\'\'
print("I am flying")
class CivilAircraft(FlyableMixin, Vehicle): # 民航飞机
pass
class Helicopter(FlyableMixin, Vehicle): # 直升飞机
pass
class Car(Vehicle): # 汽车
pass
# ps: 采用某种规范(如命名规范)来解决具体的问题是python惯用的套路
可以看到,上面的CivilAircraft、Helicopter类实现了多继承,不过它继承的第一个类我们起名为FlyableMixin,而不是Flyable,这个并不影响功能,但是会告诉后来读代码的人,这个类是一个Mixin类,表示混入(mix-in),这种命名方式就是用来明确地告诉别人(python语言惯用的手法),这个类是作为功能添加到子类中,而不是作为父类,它的作用同Java中的接口。所以从含义上理解,CivilAircraft、Helicopter类都只是一个Vehicle,而不是一个飞行器。
使用Mixin类实现多重继承要非常小心
- 首先它必须表示某一种功能,而不是某个物品,python 对于mixin类的命名方式一般以 Mixin, able, ible 为后缀
- 其次它必须责任单一,如果有多个功能,那就写多个Mixin类,一个类可以继承多个Mixin,为了保证遵循继承的“is-a”原则,只能继承一个标识其归属含义的父类
- 然后,它不依赖于子类的实现
- 最后,子类即便没有继承这个Mixin类,也照样可以工作,就是缺少了某个功能。(比如飞机照样可以载客,就是不能飞了)
Mixins是从多个类中重用代码的好方法,但是需要付出相应的代价,我们定义的Minx类越多,子类的代码可读性就会越差,并且更恶心的是,在继承的层级变多时,代码阅读者在定位某一个方法到底在何处调用时会晕头转向,如下
class Displayer:
def display(self, message):
print(message)
class LoggerMixin:
def log(self, message, filename=\'logfile.txt\'):
with open(filename, \'a\') as fh:
fh.write(message)
def display(self, message):
super().display(message) # super的用法请参考下一小节
self.log(message)
class MySubClass(LoggerMixin, Displayer):
def log(self, message):
super().log(message, filename=\'subclasslog.txt\')
obj = MySubClass()
obj.display("This string will be shown and logged in subclasslog.txt")
# 属性查找的发起者是obj,所以会参照类MySubClass的MRO来检索属性
#[<class \'__main__.MySubClass\'>, <class \'__main__.LoggerMixin\'>, <class \'__main__.Displayer\'>, <class \'object\'>]
# 1、首先会去对象obj的类MySubClass找方法display,没有则去类LoggerMixin中找,找到开始执行代码
# 2、执行LoggerMixin的第一行代码:执行super().display(message),参照MySubClass.mro(),super会去下一个类即类Displayer中找,找到display,开始执行代码,打印消息"This string will be shown and logged in subclasslog.txt"
# 3、执行LoggerMixin的第二行代码:self.log(message),self是对象obj,即obj.log(message),属性查找的发起者为obj,所以会按照其类MySubClass.mro(),即MySubClass->LoggerMixin->Displayer->object的顺序查找,在MySubClass中找到方法log,开始执行super().log(message, filename=\'subclasslog.txt\'),super会按照MySubClass.mro()查找下一个类,在类LoggerMixin中找到log方法开始执行,最终将日志写入文件subclasslog.txt
ps:课外了解小知识
Java只允许接口的多重继承。接口本质上是抽象基类,具有所有抽象方法,没有数据成员。
与java一样,python也有抽象类的概念但是同样需要借助模块实现,抽象类是一个特殊的类,它的特殊之处在于只能被继承,不能被实例化,继承的子类必须实现抽象基类规定的方法,这样便可保证始终只有一个特定方法或属性的实现,并且不会产生歧义,因而也可以起到避免菱形问题的作用
java的interface:https://www.cnblogs.com/linhaifeng/articles/7340153.html#_label6
python的抽象基类:https://www.cnblogs.com/linhaifeng/articles/7340153.html#_label7
四、派生与方法重用
子类可以派生出自己新的属性,在进行属性查找时,子类中的属性名会优先于父类被查找,例如每个老师有职称这一属性,我们就需要在Teacher类中定义该类自己的__init__覆盖父类的
>>> class People:
... school=\'清华大学\'
...
... def __init__(self,name,sex,age):
... self.name=name
... self.sex=sex
... self.age=age
...
>>> class Teacher(People):
... def __init__(self,name,sex,age,title): # 派生
... self.name=name
... self.sex=sex
... self.age=age
... self.title=title
... def teach(self):
... print(\'%s is teaching\' %self.name)
...
>>> obj=Teacher(\'lili\',\'female\',28,\'高级讲师\') #只会找自己类中的__init__,并不会自动调用父类的
>>> obj.name,obj.sex,obj.age,obj.title
(\'lili\', \'female\', 28, \'高级讲师\')
在子类派生的新方法中如何重用父类的功能
方式一:指名道姓调用某一类下的函数-->不依赖于继承关系
方式二:supper()调用父类提供给自己的方法-->严格依赖继承关系
调用supper()会得到一个特殊的对象,该对象会参照当前类的mro去当前类的父类中找属性
# 方式一实例
# class OldboyPeple:
# def __init__(self,name,age,sex):
# self.name = name
# self.age = age
# self.sex = sex
# def f1(self):
# print(\'%s say hello\' %self.name)
#
# class Teacher(OldboyPeple):
# def __init__(self,name,age,sex,level,salary):
# OldboyPeple.__init__(self,name,age,sex) # 指名道姓
# self.level = level
# self.salary = salary
#
# tea_obj = Teacher(\'lsj\',18,\'male\',10,3000)
# print(tea_obj.__dict__) # {\'salary\': 3000, \'age\': 18, \'level\': 10, \'name\': \'lsj\', \'sex\': \'male\'}
# 方法二实例:提示:在Python2中super的使用需要完整地写成super(自己的类名,self) ,而在python3中可以简写为super()。
class OldboyPeple:
def __init__(self,name,age,sex):
self.name = name
self.age = age
self.sex = sex
def f1(self):
print(\'%s say hello\' %self.name)
class Teacher(OldboyPeple):
def __init__(self,name,age,sex,level,salary):
# super(Teacher,self).__init__(name,age,sex) # python2中新式类写法
super().__init__(name,age,sex) # python3中的写法,该处调用的是方法,自动传入对象
self.level = level
self.salary = salary
print(Teacher.mro()) # [<class \'__main__.Teacher\'>, <class \'__main__.OldboyPeple\'>, <class \'object\'>]
tea_obj = Teacher(\'lsj\',18,\'male\',10,3000)
print(tea_obj.__dict__) # {\'salary\': 3000, \'age\': 18, \'level\': 10, \'name\': \'lsj\', \'sex\': \'male\'}
五、组合
在一个类中以另外一个类的对象作为数据属性,称为类的组合。组合与继承都是用来解决代码的重用性问题。不同的是:继承是一种“是”的关系,比如老师是人、学生是人,当类之间有很多相同的之处,应该使用继承;而组合则是一种“有”的关系,比如老师有生日,老师有多门课程,当类之间有显著不同,并且较小的类是较大的类所需要的组件时,应该使用组合,如下示例
# encoding=utf-8 # auther:lsj # 组合
# 定义一个课程类
class Course: def __init__(self,name,period,price): self.name=name self.period=period self.price=price def tell_info(self): print(\'<%s %s %s>\' %(self.name,self.period,self.price)) class Date: # 定义日期类 def __init__(self,year,mon,day): self.year=year self.mon=mon self.day=day def tell_birth(self): print(\'<%s-%s-%s>\' %(self.year,self.mon,self.day)) class People: school=\'清华大学\' def __init__(self,name,sex,age): self.name=name self.sex=sex self.age=age #Teacher类基于继承来重用People的代码,基于组合来重用Date类和Course类的代码 class Teacher(People): #老师是人 def __init__(self,name,sex,age,title,year,mon,day): super().__init__(name,age,sex) self.birth=Date(year,mon,day) #老师有生日 self.courses=[] #老师有课程,可以在实例化后,往该列表中添加Course类的对象 def teach(self): print(\'%s is teaching\' %self.name) python=Course(\'python\',\'3mons\',3000.0) linux=Course(\'linux\',\'5mons\',5000.0) teacher1=Teacher(\'lili\',\'female\',28,\'博士生导师\',1990,3,23) # teacher1有两门课程 teacher1.courses.append(python) teacher1.courses.append(linux) # 重用Date类的功能 teacher1.birth.tell_birth() # 重用Course类的功能 for obj in teacher1.courses: obj.tell_info()
此时对象teacher1集对象独有的属性、Teacher类中的内容、Course类中的内容于一身(都可以访问到),是一个高度整合的产物
以上是关于Python的面向对象的三大特性之继承的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章