继承和多态
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:
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。
小结
继承可以把父类的所有功能都直接拿过来,这样就不必重零做起,子类只需要新增自己特有的方法,也可以把父类不适合的方法覆盖重写。
动态语言的鸭子类型特点决定了继承不像静态语言那样是必须的。