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。 ### 参考源码 [animals.py](https://github.com/michaelliao/learn-python3/blob/master/samples/oop_basic/animals.py)