继承与派生

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内容概要

  • 继承介绍
  • 继承与抽象
  • 属性查找
  • 继承的实现原理
  • 派生与方法重用
  • 组合

内容详细

继承介绍

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继承是一种创建新类的方式，在python中，新建的类可以继承一个或多个父类，新建的类可称为子类或派生类，父类又可称为基类或超类

class ParentClass1: #定义父类
    pass

class ParentClass2: #定义父类
    pass

class SubClass1(ParentClass1): #单继承
    pass

class SubClass2(ParentClass1,ParentClass2): #多继承
    pass
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通过类的内置属性__bases__可以查看类继承的所有父类

>>> SubClass2.__bases__
(<class '__main__.ParentClass1'>, <class '__main__.ParentClass2'>)
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在Python2中有经典类与新式类之分，没有显式地继承object类的类，以及该类的子类，都是经典类，显式地继承object的类，以及该类的子类，都是新式类。而在Python3中，即使没有显式地继承object，也会默认继承该类，如下

>>> ParentClass1.__bases__
(<class ‘object'>,)
>>> ParentClass2.__bases__
(<class 'object'>,)
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因而在Python3中统一都是新式类，关于经典类与新式类的区别，我们稍后讨论

提示：object类提供了一些常用内置方法的实现，如用来在打印对象时返回字符串的内置方法__str__

继承与抽象

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：

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基于上图我们可以看出类与类之间的继承指的是什么’是’什么的关系（比如人类，猪类，猴类都是动物类）。子类可以继承／遗传父类所有的属性，因而继承可以用来解决类与类之间的代码重用性问题。比如我们按照定义Student类的方式再定义一个Teacher类

class Teacher:
    school='清华大学'

    def __init__(self,name,sex,age):
        self.name=name
        self.sex=sex
        self.age=age

    def teach(self):
        print('%s is teaching' %self.name)
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类Teacher与Student之间存在重复的代码，老师与学生都是人类，所以我们可以得出如下继承关系，实现代码重用

class People:
    school='清华大学'

    def __init__(self,name,sex,age):
        self.name=name
        self.sex=sex
        self.age=age

class Student(People):
    def choose(self):
        print('%s is choosing a course' %self.name)

class Teacher(People):
    def teach(self):
        print('%s is teaching' %self.name)
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Teacher类内并没有定义__init__方法，但是会从父类中找到__init__,因而仍然可以正常实例化，如下

>>> teacher1=Teacher('lili','male',18)
>>> teacher1.school,teacher1.name,teacher1.sex,teacher1.age
('清华大学', 'lili', 'male', 18)

属性查找

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有了继承关系，对象在查找属性时，先从对象自己的__dict__中找，如果没有则去子类中找，然后再去父类中找...

>>> class Foo:
...     def f1(self):
...         print('Foo.f1')
...     def f2(self):
...         print('Foo.f2')
...         self.f1()
... 
>>> class Bar(Foo):
...     def f1(self):
...         print('Foo.f1')
... 
>>> b=Bar()
>>> b.f2()
Foo.f2
Foo.f1
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b.f2()会在父类Foo中找到f2，先打印Foo.f2,然后执行到self.f1(),即b.f1()，仍会按照：对象本身->类Bar->父类Foo的顺序依次找下去，在类Bar中找到f1，因而打印结果为Foo.f1

父类如果不想让子类覆盖自己的方法，可以采用双下划线'开头'的方式将方法设置为私有的

>>> class Foo:
...     def __f1(self): # 变形为_Foo__fa
...         print('Foo.f1') 
...     def f2(self):
...         print('Foo.f2')
...         self.__f1() # 变形为self._Foo__fa,因而只会调用自己所在的类中的方法
... 
>>> class Bar(Foo):
...     def __f1(self): # 变形为_Bar__f1
...         print('Foo.f1')
... 
>>> 
>>> b=Bar()
>>> b.f2() #在父类中找到f2方法，进而调用b._Foo__f1()方法，同样是在父类中找到该方法
Foo.f2
Foo.f1

继承的实现原理

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

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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。
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
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

继承原理

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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

>>> D.mro() # 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
[<class '__main__.D'>, <class '__main__.B'>, <class '__main__.C'>, <class '__main__.A'>, <class 'object'>]
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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

ps：

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，

深度优先和广度优先

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

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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())
'''
[<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

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

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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

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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

python mixins机制

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

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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？

不同的语言给出了不同的方法，让我们先来了解Java的处理方法。Java提供了接口interface功能，来实现多重继承：

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// 抽象基类：交通工具类
public abstract class Vehicle {
}

// 接口：飞行器
public interface Flyable {
    public void fly();
}

// 类：实现了飞行器接口的类，在该类中实现具体的fly方法，这样下面民航飞机与直升飞机在实现fly时直接重用即可
public class FlyableImpl implements Flyable {
    public void fly() {
        System.out.println("I am flying");
    }
}



// 民航飞机，继承自交通工具类，并实现了飞行器接口
public class CivilAircraft extends Vehicle implements Flyable {
    private Flyable flyable;

    public CivilAircraft() {
        flyable = new FlyableImpl();
    }

    public void fly() {
        flyable.fly();
    }
}

// 直升飞机，继承自交通工具类，并实现了飞行器接口
public class Helicopter extends Vehicle implements Flyable {
    private Flyable flyable;

    public Helicopter() {
        flyable = new FlyableImpl();
    }

    public void fly() {
        flyable.fly();
    }
}

// 汽车，继承自交通工具类，
public class Car extends Vehicle {
}

现在我们的飞机同时具有了交通工具及飞行器两种属性，而且我们不需要重写飞行器中的飞行方法，同时我们没有破坏单一继承的原则。飞机就是一种交通工具，可飞行的能力是飞机的属性，通过继承接口来获取。

回到主题，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

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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

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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

派生与方法重用

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子类可以派生出自己的新属性，在进行属性查找时，子类中的属性名会优先于父类被查找

例如每个老师还有职称这一属性，我们就需要在teacher类中定义自己的__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')
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很明显子类Teacher中__init__内的前三行又是在写重复代码，若想在子类派生出的方法内重用父类的功能，有两种实现方式

方法一：“指名道姓”地调用某一个类的函数
>>> class Teacher(People):
...     def __init__(self,name,sex,age,title):
...         People.__init__(self,name,age,sex) #调用的是函数,因而需要传入self
...         self.title=title
...     def teach(self):
...         print('%s is teaching' %self.name)
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方法二：super()

调用super()会得到一个特殊的对象，该对象专门用来引用父类的属性，且严格按照MRO规定的顺序向后查找
>>> class Teacher(People):
...     def __init__(self,name,sex,age,title):
...         super().__init__(name,age,sex) #调用的是绑定方法，自动传入self
...         self.title=title
...     def teach(self):
...         print('%s is teaching' %self.name)
...
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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()。

这两种方式的区别是：　　　　1 方式一是跟继承没有关系的　　　　2 方式二的super()是依赖于继承的，并且即使没有直接继承关系，super()仍然会按照MRO继续往后查找
>>> #A没有继承B
... class A:
...     def test(self):
...         super().test()
... 
>>> class B:
...     def test(self):
...         print('from B')
... 
>>> class C(A,B):
...     pass
... 
>>> C.mro() # 在代码层面A并不是B的子类，但从MRO列表来看，属性查找时，就是按照顺序C->A->B->object，B就相当于A的“父类”
[<class '__main__.C'>, <class '__main__.A'>, <class '__main__.B'>,<class ‘object'>]
>>> obj=C()
>>> obj.test() # 属性查找的发起者是类C的对象obj，所以中途发生的属性查找都是参照C.mro()
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obj.test()首先找到A下的test方法，执行super().test()会基于MRO列表(以C.mro()为准)当前所处的位置继续往后查找()，然后在B中找到了test方法并执行。

关于在子类中重用父类功能的这两种方式，使用任何一种都可以，但是在最新的代码中还是推荐使用super()

组合

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# 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

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:
    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

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继承与组合的区别：
    继承：满足is a的关系
    组合：满足has a的关系
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