Python類的繼承

veelion發表於2019-03-10

面嚮物件語言的一個特性就是類的繼承。繼承的關係跟人類繁衍的關係相似,被繼承的類稱為基類(也叫做父類),繼承而得的類叫派生類(也叫子類),這種關係就像人類的父子關係。

Python類的繼承

類的繼承,說明了不同類直接的關係,派生類複用了基類的程式碼同時也繼承了基類的屬性和方法。派生類定義的語法如下:

派生類的定義

class DerivedClassName(BaseClassName):
    語句1
    ...
    語句n

下面我們根據這個語法來寫一個繼承的例子:

class Person:
    def __init__(self, name, age, height):
        self.name = name
        self.age = age
        self.height = height

    def look(self):
        print(self.name, 'is looking')

    def walk(self):
        print(self.name, 'is walking')


class Teacher(Person):
    def __init__(self, name, age, height):
        super().__init__(name, age, height)

    def teach(self):
        print(self.name, 'is teaching')


class Student(Person):
    def __init__(self, name, age, height):
        super().__init__(name, age, height)

    def learn(self):
        print(self.name, 'is learning')


if __name__ == '__main__':
    teacher = Teacher('Tom', 31, 178)
    s1 = Student('Jim', 12, 160)
    s2 = Student('Kim', 13, 162)

    teacher.look()
    teacher.walk()
    teacher.teach()
    print('==='*5)

    s1.look()
    s1.walk()
    s1.learn()
    print('==='*5)

    s2.look()
    s2.walk()
    s2.learn()

我們定義了一個基類Person,這個人有名字(name)、年齡(age)和身高(height)三個屬性,還有look(), walk()兩個方法。由它派生出兩個類:TeacherStudent,這兩個派生類繼承了name, age, height屬性,也繼承了look(), walk()方法。但它們又有自己獨有的方法,Teacher可以teach()Student可以learn()

執行這個示例程式碼,可以得到下面的資訊:

Tom is looking
Tom is walking
Tom is teaching
===============
Jim is looking
Jim is walking
Jim is learning
===============
Kim is looking
Kim is walking
Kim is learning

派生類定義的執行過程與基類相同。 當構造類物件時,基類會被記住。 此資訊將被用來解析屬性引用:如果請求的屬性在類中找不到,搜尋將轉往基類中進行查詢。 如果基類本身也派生自其他某個類,則此規則將被遞迴地應用。

派生類的例項化會建立該類的一個新例項。方法引用將按以下方式解析:搜尋相應的類屬性,如果搜尋的方法在派生類中找不到,就去基類中進行查詢,如果基類本身也派生自其它類,則此規則將被遞迴地應用。如果搜尋到了一個函式物件則方法引用就生效。

比如,Teacher中並沒有定義look(),當我們呼叫方法teacher.look()的時候會在它的基類Person中找到並呼叫look()

過載基類方法

派生類可以過載基類的方法。過載,就是重新定義。如果派生類中重新定義了基類的某方法,那麼派生類的過載的這個方法就會覆蓋基類中的同名方法。

例如,我們定義Student時可以過載walk()方法,讓它擁有Student特徵:

class Student(Person):
    def __init__(self, name, age, height):
        super().__init__(name, age, height)

    def learn(self):
        print(self.name, 'is learning')

    def walk(self):
        print('Student:', self.name, 'is walking')

再次執行s1.walk()時,就會列印下面的資訊:

Student: Jim is walking

Python有兩個內建函式可被用於檢查繼承機制:

  • isinstance()來檢查一個例項的型別:isinstance(obj, int)僅僅會在obj.__class__int或某個派生自int的類時為True。
  • issubclass()來檢查類的繼承關係:issubclass(bool, int)True,因為boolint的子類。但是,issubclass(float, int)False,因為float不是int的子類。

多重繼承

多重繼承的意思就是,一個派生類同時派生自多個基類,繼承它們全部屬性和方法。它的定義形式是:

class DerivedClassName(Base1, Base2, Base3):
    語句1
    ...
    語句1

對於多數應用來說,在最簡單的情況下,你可以認為搜尋從父類所繼承屬性的操作是深度優先、從左至右的,當層次結構中存在重疊時不會在同一個類中搜尋兩次。 因此,如果某一屬性在 DerivedClassName 中未找到,則會到 Base1 中搜尋它,然後(遞迴地)到 Base1 的基類中搜尋,如果在那裡未找到,再到 Base2 中搜尋,依此類推。

真實情況比這個更復雜一些;方法解析順序會動態改變以支援對 super() 的協同呼叫。 這種方式在某些其他多重繼承型語言中被稱為後續方法呼叫,它比單繼承型語言中的 super 呼叫更強大。

比如,我們要定義一個“助教”類,助教是幫助老師教學的高年級同學。他兼具老師和學生的特點,我們可以讓這個類多重繼承“老師類”和“學生類”。

私有變數

我們上一節講過,Python中沒有類似C++中的“私有變數”。但是,大多數Python程式碼都遵循這樣一個約定(只是約定但很重要):帶有一個下劃線的名稱(例如:_name)應當被動作是API的非僅供部分(無論它是函式、方法或是資料成員)。 這應當被視為一個實現細節,可能不經通知即加以改變。

由於存在對於類私有成員的有效使用場景(例如避免名稱與子類所定義的名稱相沖突),因此存在對此種機制的有限支援,稱為名稱改寫。 任何形式為__name的識別符號(至少帶有兩個字首下劃線,至多一個字尾下劃線)的文字將被替換為_classname__name,其中classname為去除了字首下劃線的當前類名稱。這種改寫不考慮識別符號的句法位置,只要它出現在類定義內部就會進行。

名稱改寫有助於讓子類過載方法而不破壞類內方法呼叫。例如:

class MyList:
    def __init__(self, iterable):
        self.items_list = []
        self.__update(iterable)

    def update(self, iterable):
        for item in iterable:
            self.items_list.append(item)

    __update = update   # 把update()複製給私有方法

class MyListSubclass(MyList):

    def update(self, keys, values):
        # 過載 update()
        # 但不會破壞 __init__()
        for item in zip(keys, values):
            self.items_list.append(item)

這個示例中即使正在MyListSubclass引入一個__update識別符號的情況下也不會出錯,因為它會在MyList類中被替換為_MyList__update,而在MyListSubclass類中被替換為_MyListSubclass__update

改寫規則的設計主要是為了避免意外衝突;訪問或修改被視為私有的變數仍然是可能的。這在特殊情況下甚至會很有用,例如在偵錯程式中。

請注意傳遞給 exec() 或 eval() 的程式碼不會將發起呼叫類的類名視作當前類;這類似於 global 語句的效果,因此這種效果僅限於同時經過位元組碼編譯的程式碼。 同樣的限制也適用於 getattr(), setattr() 和 delattr(),以及對於 dict 的直接引用。

總結

類的繼承體現了類的關係,基類的屬性和方法可以被派生類繼承,同時派生類又可以過載基類的方法。派生類既可以單獨繼承一個基類,也可以多重繼承多個基類。Python的類沒有真正意義上的私有變數,透過約定和名稱改寫來有限支援私有變數。

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