Python通过实例介绍抽象类

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wx6653eb01d9705 2024-06-05 09:36:58 ©著作权

文章标签 抽象类子类 bc 文章分类 Python 后端开发

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2. 抽象类的实现与使用

0. 前言

按照国际惯例，首先声明：本文只是我自己学习的理解，虽然参考了他人的宝贵见解及成果，但是内容可能存在不准确的地方。如果发现文中错误，希望批评指正，共同进步。

本文介绍Python中的抽象类。

类封装了共享的属性和方法，是对象的抽象。而抽象类是对类的抽象，即代表了一类的类，是定义接口规范和强制子类实现特定方法的特殊类，旨在实现多态性、代码重用与模块化设计。

有点无法直视类这个字了……

为了让这个说明不这么绕，这里需要举一个例子：假如我们有两个对象老师和学生，正常我们需要分别面向这两个对象进行编程，完整地构建这两个类所包含的所有方法和属性。

然后我们通过总结归纳，发现这两个类其实可以从一个更通用的基类——人衍生出来，这里的人即为抽象类，而老师和学生即为子类，基类规定了子类的接口规范。

人这个抽象类既规定了其子类必须强制实现的方法，比如显示名字、年龄等，这些都是作为人必须拥有的属性；也规定了可以选择实现的方法，比如工资，老师才有工资，而学生没有。

上面的例子先不考虑类的继承。

1. 抽象类的概念与特性

1.1 定义

抽象类是一种不能被直接实例化的类，它主要用于定义一组抽象方法，并作为其他类（子类）的基类。Python中实现抽象类的功能主要依赖于内置的 abc（Abstract Base Classes）模块。

1.2 特性

接口规范：抽象类通过声明抽象方法，为子类定义了一个公共接口。这个接口规定了子类必须提供的方法名称、参数列表和返回类型，形成了类与类间交互的契约。
强制实现：子类在继承抽象类时，必须实现所有抽象方法。否则，试图实例化子类会引发 TypeError，确保子类具备抽象类所要求的基本功能。
多态性：抽象类定义的接口允许不同子类根据各自业务需求提供不同的实现。通过抽象基类的引用，程序可以以统一的方式处理多种子类对象，实现了“一种接口，多种行为”的多态特性。
非抽象成员：抽象类不仅可以包含抽象方法，还可以定义普通方法（有实现）和属性。这些非抽象成员可以提供通用逻辑或默认行为，子类可以选择是否重写或补充。
类型检查与注册：除了直接继承外，Python的 abc 模块允许通过注册机制声明一个类实现了某个抽象基类的接口，从而进行类型检查和验证，即使该类并未直接继承抽象基类。

2. 抽象类的实现与使用

2.1 抽象类的创建

在Python中创建抽象类，首先需要导入 abc 模块，并继承 abc.ABC 类（或使用 abc.ABCMeta 元类）。接着，使用 @abc.abstractmethod 装饰器标识抽象方法。

首先我们来看一个简单的示例：

import abc

class human(abc.ABC):
    @abc.abstractmethod
    def show_basic_info(self, arg):
        """声明一个抽象方法，子类必须实现"""
        pass

    def calculate_salary(self, arg):
        """一个普通方法，提供默认行为，子类可选重写"""
        print("Default behavior in the abstract base class")

class teacher(human):
    def show_basic_info(self, name, age, if_married = 'Is'):
        print("name:%s"%name)
        print("age:%i"%age)
        print("%s married"%if_married)

    def calculate_salary(self, teach_year):
        if teach_year > 20:
            print('salary is $2000')

        else:
            print('salary is $1000')

class student(human):
    def show_basic_info(self, name, age, grade):
        print("name:%s"%name)
        print("age:%i"%age)
        print("grade:%i"%grade)

MrLee = teacher()
MrLee.show_basic_info('Lee', 28, 'Is not')
MrLee.calculate_salary(5)
print('\n')
Tommy = student()
Tommy.show_basic_info('Tommy',12,6)

输出：

name:Lee
age:28
Is not married
salary is $1000


name:Tommy
age:12
grade:6

2.2 抽象类的特性验证

现在我们再回过头来验证下上面说的抽象类的特性：

接口规范：这点通过上面的示例可以明显看出，无需多说。
强制实现：需要强制实现的方法会用装饰器@abc.abstractmethod标注。对于上段代码，如果我们把calculate_salary()方法也标注一下：

import abc
class human(abc.ABC):
    @abc.abstractmethod
    def show_basic_info(self, arg):
        """声明一个抽象方法，子类必须实现"""
        pass

    @abc.abstractmethod   #变成强制实现的方法
    def calculate_salary(self, arg):
        """一个普通方法，提供默认行为，子类可选重写"""
        print("Default behavior in the abstract base class")
class teacher(human):
    def show_basic_info(self, name, age, if_married = 'Is'):
        print("name:%s"%name)
        print("age:%i"%age)
        print("%s married"%if_married)

    def calculate_salary(self, teach_year):
        if teach_year > 20:
            print('salary is $2000')

        else:
            print('salary is $1000')

class student(human):
    def show_basic_info(self, name, age, grade):
        print("name:%s"%name)
        print("age:%i"%age)
        print("grade:%i"%grade)

MrLee = teacher()
MrLee.show_basic_info('Lee', 28, 'Is not')
MrLee.calculate_salary(5)
print('\n')
Tommy = student()
Tommy.show_basic_info('Tommy',12,6)

student类实例化过程就会报错，而teacher类实现了这个方法，就不会报错：

TypeError: Can't instantiate abstract class student with abstract method calculate_salary
name:Lee
age:28
Is not married
salary is $1000

多态性：上面这个示例中，虽然teacher和student子类都有show_basic_info()方法，但是它们根据不同子类的不同需求，有着不同的定义，即实现了“一种接口，多种行为”。
非抽象成员：例如可以增加一个announce()方法：

import abc
class human(abc.ABC):
    @abc.abstractmethod
    def show_basic_info(self, arg):
        """声明一个抽象方法，子类必须实现"""
        pass

    def calculate_salary(self, arg):
        """一个普通方法，提供默认行为，子类可选重写"""
        print("Default behavior in the abstract base class")

    def announce(self):  #增加一个具体的方法
        print("I'm a human")

class student(human):
    def show_basic_info(self, name, age, grade):
        print("name:%s"%name)
        print("age:%i"%age)
        print("grade:%i"%grade)
        
Tommy = student()
Tommy.show_basic_info('Tommy',12,6)
Tommy.announce()

输出为：

name:Tommy
age:12
grade:6
I'm a human  #新增加的非抽象成员

2.3 注册机制与非直接继承

对于不直接继承抽象基类但仍希望符合其接口规范的类，可以使用 abc.ABCMeta.register() 方法进行注册，我们再改造下上文的例子：

import abc
class human(abc.ABC):
    @abc.abstractmethod
    def show_basic_info(self, arg):
        """声明一个抽象方法，子类必须实现"""
        pass

    def calculate_salary(self, arg):
        """一个普通方法，提供默认行为，子类可选重写"""
        print("Default behavior in the abstract base class")

    def announce(self):  #增加一个具体的方法
        print("I'm a human")

class worker(abc.ABC):
    pass

class firefighter(worker):
    def show_basic_info(self, age):
        print("age:%i"%age)

John = firefighter()
John.show_basic_info(23)
print(isinstance(John, worker))  #True
print(isinstance(John, human))   #False

human.register(firefighter)
print(isinstance(John, worker))  #True
print(isinstance(John, human))   #True

这里的John是子类firefigher的实例，firefight原本仅是worker的子类，但是通过观察发现firefight也符合human的接口，于是可以通过.register()给firefight注册为human的子类。

3. 应用场景与设计价值

1. 设计原则与设计模式

抽象类是实现“依赖倒置原则”、“开闭原则”等设计原则的关键工具，同时也是“策略模式”、“模板方法模式”等设计模式的基础构造块。它们有助于构建松耦合、高内聚的系统，使其易于应对变化和扩展。

2. 大型项目与框架开发

在复杂的软件项目和框架开发中，抽象类常被用来定义核心组件的接口标准。例如，Web框架可能定义一个抽象视图类，规定子类必须实现 render() 方法来呈现网页内容。这种标准化接口确保了框架与用户自定义代码之间的协调一致。

3. API设计

对外提供API时，抽象类可以作为客户端实现特定接口的指南。通过定义抽象服务类或接口类，API文档可以直接引用这些类来说明预期的行为和方法签名，简化了第三方集成过程。

4. 总结

Python抽象类作为设计和组织复杂代码的强大工具，通过定义接口规范、强制子类实现特定方法以及支持多态性，极大地增强了代码的可读性、可扩展性和可维护性。无论是大型项目、框架开发，还是API设计，正确理解和运用抽象类都能带来显著的架构优势。通过结合 abc 模块提供的功能，开发者可以构建更为健壮、灵活的面向对象系统，满足不断变化的需求和未来的扩展。