继承和多态

廖雪峰 ... 2021-03-28 Python 大约 9 分钟

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...')
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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
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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()
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运行结果如下:

Animal is running...
Animal is running...
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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...')
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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...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...')
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再次运行,结果如下:

Dog is running...
Cat is running...
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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 strlistdict 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
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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
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看来 a、b、c 确实对应着 listAnimalDog 这 3 种类型。

但是等等,试试:

>>> isinstance(c, Animal)
True
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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
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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()
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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...
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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...
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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...
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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...')
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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...
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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:

                ┌───────────────┐
                │    object     │
                └───────────────┘
                        │
           ┌────────────┴────────────┐
           │                         │
           ▼                         ▼
    ┌─────────────┐           ┌─────────────┐
    │   Animal    │           │    Plant    │
    └─────────────┘           └─────────────┘
           │                         │
     ┌─────┴──────┐            ┌─────┴──────┐
     │            │            │            │
     ▼            ▼            ▼            ▼
┌─────────┐  ┌─────────┐  ┌─────────┐  ┌─────────┐
│   Dog   │  │   Cat   │  │  Tree   │  │ Flower  │
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# 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...')
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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。

# 多重继承

继承是面向对象编程的一个重要的方式,因为通过继承,子类就可以扩展父类的功能。

回忆一下 Animal 类层次的设计,假设我们要实现以下 4 种动物:

  • Dog - 狗狗;
  • Bat - 蝙蝠;
  • Parrot - 鹦鹉;
  • Ostrich - 鸵鸟。

如果按照哺乳动物和鸟类归类,我们可以设计出这样的类的层次:

                ┌───────────────┐
                │    Animal     │
                └───────────────┘
                        │
           ┌────────────┴────────────┐
           │                         │
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    ┌─────────────┐           ┌─────────────┐
    │   Mammal    │           │    Bird     │
    └─────────────┘           └─────────────┘
           │                         │
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     │            │            │            │
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┌─────────┐  ┌─────────┐  ┌─────────┐  ┌─────────┐
│   Dog   │  │   Bat   │  │ Parrot  │  │ Ostrich │
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但是如果按照“能跑”和“能飞”来归类,我们就应该设计出这样的类的层次:

                ┌───────────────┐
                │    Animal     │
                └───────────────┘
                        │
           ┌────────────┴────────────┐
           │                         │
           ▼                         ▼
    ┌─────────────┐           ┌─────────────┐
    │  Runnable   │           │   Flyable   │
    └─────────────┘           └─────────────┘
           │                         │
     ┌─────┴──────┐            ┌─────┴──────┐
     │            │            │            │
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┌─────────┐  ┌─────────┐  ┌─────────┐  ┌─────────┐
│   Dog   │  │ Ostrich │  │ Parrot  │  │   Bat   │
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如果要把上面的两种分类都包含进来,我们就得设计更多的层次:

  • 哺乳类: 能跑的哺乳类,能飞的哺乳类;
  • 鸟类: 能跑的鸟类,能飞的鸟类。

这么一来,类的层次就复杂了:

                ┌───────────────┐
                │    Animal     │
                └───────────────┘
                        │
           ┌────────────┴────────────┐
           │                         │
           ▼                         ▼
    ┌─────────────┐           ┌─────────────┐
    │   Mammal    │           │    Bird     │
    └─────────────┘           └─────────────┘
           │                         │
     ┌─────┴──────┐            ┌─────┴──────┐
     │            │            │            │
     ▼            ▼            ▼            ▼
┌─────────┐  ┌─────────┐  ┌─────────┐  ┌─────────┐
│  MRun   │  │  MFly   │  │  BRun   │  │  BFly   │
└─────────┘  └─────────┘  └─────────┘  └─────────┘
     │            │            │            │
     │            │            │            │
     ▼            ▼            ▼            ▼
┌─────────┐  ┌─────────┐  ┌─────────┐  ┌─────────┐
│   Dog   │  │   Bat   │  │ Ostrich │  │ Parrot  │
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如果要再增加“宠物类”和“非宠物类”,这么搞下去,类的数量会呈指数增长,很明显这样设计是不行的。

正确的做法是采用多重继承。首先,主要的类层次仍按照哺乳类和鸟类设计:

class Animal(object):
    pass

# 大类:
class Mammal(Animal):
    pass

class Bird(Animal):
    pass

# 各种动物:
class Dog(Mammal):
    pass

class Bat(Mammal):
    pass

class Parrot(Bird):
    pass

class Ostrich(Bird):
    pass
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现在,我们要给动物再加上 RunnableFlyable 的功能,只需要先定义好 RunnableFlyable 的类:

class Runnable(object):
    def run(self):
        print('Running...')

class Flyable(object):
    def fly(self):
        print('Flying...')
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对于需要 Runnable 功能的动物,就多继承一个 Runnable,例如 Dog:

class Dog(Mammal, Runnable):
    pass
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对于需要 Flyable 功能的动物,就多继承一个 Flyable,例如 Bat:

class Bat(Mammal, Flyable):
    pass
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通过多重继承,一个子类就可以同时获得多个父类的所有功能。

# MixIn

在设计类的继承关系时,通常,主线都是单一继承下来的,例如,Ostrich 继承自 Bird。但是,如果需要“混入”额外的功能,通过多重继承就可以实现,比如,让 Ostrich 除了继承自 Bird 外,再同时继承 Runnable。这种设计通常称之为 MixIn。

为了更好地看出继承关系,我们把 RunnableFlyable 改为 RunnableMixInFlyableMixIn。类似的,你还可以定义出肉食动物CarnivorousMixIn 和植食动物 HerbivoresMixIn,让某个动物同时拥有好几个 MixIn:

class Dog(Mammal, RunnableMixIn, CarnivorousMixIn):
    pass
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MixIn 的目的就是给一个类增加多个功能,这样,在设计类的时候,我们优先考虑通过多重继承来组合多个 MixIn 的功能,而不是设计多层次的复杂的继承关系。

Python 自带的很多库也使用了 MixIn。举个例子,Python 自带了 TCPServer 和 UDPServer 这两类网络服务,而要同时服务多个用户就必须使用多进程或多线程模型,这两种模型由 ForkingMixIn 和 ThreadingMixIn 提供。通过组合,我们就可以创造出合适的服务来。

比如,编写一个多进程模式的 TCP 服务,定义如下:

class MyTCPServer(TCPServer, ForkingMixIn):
    pass
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编写一个多线程模式的 UDP 服务,定义如下:

class MyUDPServer(UDPServer, ThreadingMixIn):
    pass
1
2

如果你打算搞一个更先进的协程模型,可以编写一个 CoroutineMixIn:

class MyTCPServer(TCPServer, CoroutineMixIn):
    pass
1
2

这样一来,我们不需要复杂而庞大的继承链,只要选择组合不同的类的功能,就可以快速构造出所需的子类。

# 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。

由于 Python 允许使用多重继承,因此,MixIn 就是一种常见的设计。

只允许单一继承的语言 (如 Java) 不能使用 MixIn 的设计。