9.3 继承、多态和Mixin

继承基本概念

面向对象三要素之一，继承 Inheritance

人类和猫类都继承自动物类。 个体继承自父母，继承了父母的一部分特征，但也可以有自己的个性。 在面向对象的世界中，从父类继承，就可以直接拥有父类的属性和方法，这样可减少代码冗余、多复用。子类也可以定义自己的属性和方法。

看一个不用继承的例子

class Animal:
    def shout(self):
        print('Animal shouts')

a = Animal()
a.shout()

class Cat:
    def shout(self):
        print('Cat shouts')

c = Cat()
c.shout()

上面的2个类虽然有关系，但是定义时并没有建立这种关系，而是各自完成定义。 动物类和猫类都会叫，但是它们的叫法有区别，所以分别定义。

class Animal:
    def __init__(self, name):
        self._name = name

    def shout(self): # 一个通用的叫方法
        print('{} shouts'.format(self.__class__.__name__))

    @property
    def name(self):
        return self._name

a = Animal('monster')
a.shout()

class Cat(Animal):
    pass

cat = Cat('garfield')
cat.shout()
print(cat.name)

class Dog(Animal):
    pass

dog = Dog('ahuang')
dog.shout()
print(dog.name)

上例可以看出，通过继承，猫类、狗类不用写代码，直接继承了父类的属性和方法。

继承 class Cat(Animal) 这种形式就是从父类继承，括号中写上继承的类的列表。 继承可以让子类从父类获取特征（属性和方法）

父类 Animal就是Cat的父类，也称为基类、超类。

子类 Cat就是Animal的子类，也称为派生类。

类继承的定义

格式如下

class 子类名(基类1[,基类2,...]):
	语句块

如果类定义时，没有基类列表，等同于继承自 object 。在 Python3 中，object 类是所有对象的根基类。

class A:
	pass
# 等价于
class A(object):
	pass

注意，上例在 Python2 中，两种写法是不同的。

Python 支持多继承，继承也可以多级。

查看继承的特殊属性和方法有

特殊属性和方法	含义
_bases_	类的基类元组
_base_	类的基类元组的第一项
_mro_	显示方法查找顺序，基类的元组
mro()方法	同上，返回列表
_subclasses_()	类的子类列表

class A:
    pass

print(A.__base__)
print(A.__bases__)
print()
print(A.mro())
print(A.__mro__)
print(int.__subclasses__())
print(bool.mro())

Python 不通版本的类

Python2.2之前类是没有共同的祖先的，之后，引入object类，它是所有类的共同祖先类 object。 Python2 中为了兼容，分为古典类（旧式类）和新式类。 Python3 中全部都是新式类。 新式类都是继承自 object的，新式类可以使用super。

# 以下代码在Python2.x中运行
# 古典类（旧式类）
class A: pass
# 新式类
class B(object): pass
print(dir(A))
print(dir(B))
print(A.__bases__)
print(B.__bases__)
# 古典类
a = A()
print(a.__class__)
print(type(a)) # <type 'instance'>
# 新式类
b = B()
print(b.__class__)
print(type(b))

继承中的访问控制

class Animal:
    __a = 10
    _b = 20
    c = 30

    def __init__(self):
        self.__d = 40
        self._e = 50
        self.f = 60
        self.__a += 1

    def showa(self):
        print(self.__a)
        print(self.__class__.__a)

    def __showb(self):
        print(self._b)
        print(self.__a)
        print(self.__class__.__a)

class Cat(Animal):
    __a = 100
    _b = 200

c = Cat()
c.showa() # 11 10
c._Animal__showb() # 200, 11, 10
print(c.c) # 30
print(c._Animal__d) #40
print(c._e, c.f, c._Animal__a) # 50,60,11
print(c._Animal__a, c._Cat__a) # 11 100
print(c.__dict__) #
print(c.__class__.__dict__.keys())

从父类继承，自己没有的，就可以到父类中找。

私有的都是不可以访问的，但是本质上依然是改了名称放在这个属性所在类或实例的__dict__中。

知道这个新名称就可以直接找到这个隐藏的变量，这是个黑魔法技巧，慎用。

总结 继承时，公有成员，子类和实例都可以随意访问；私有成员被隐藏，子类和实例不可直接访问，但私有变量所在的类内的方法中可以访问这个私有变量。

Python通过自己一套实现，实现和其它语言一样的面向对象的继承机制。

实例属性查找顺序

实例的__dict__ → 类__dict__ →如果有继承→ 父类 __dict__ 如果搜索这些地方后没有找到就会抛异常，先找到就立即返回了。

方法的重写、覆盖override

class Animal:
    def shout(self):
        print('Animal shouts')

class Cat(Animal):
    # 覆盖了父类方法
    def shout(self):
        print('miao')

a = Animal()
a.shout()
c = Cat()
c.shout()
print(a.__dict__)
print(c.__dict__)
print(Animal.__dict__)
print(Cat.__dict__)
# Animal shouts
# miao

Cat中能否覆盖自己的方法吗？ Cat中能否对父类方法做个增强，不需要完全重写？

class Animal:
    def shout(self):
        print('Animal shout')
        
class Cat(Animal):
    # 覆盖了父类方法
    def shout(self):
        print('miao')
    # 覆盖了自身的方法，显式调用了父类的方法
    def shout(self):
        print(super())
        print(super(Cat, self))

        super().shout()
        super(Cat, self).shout() # 等价于super()
        self.__class__.__base__.shout(self) # 不推荐
a = Animal()
a.shout()
c = Cat()
c.shout()
print(a.__dict__)
print(c.__dict__)
print(Animal.__dict__)
print(Cat.__dict__)

super()可以访问到父类的类属性。 静态方法和类方法，是特殊的方法，也是类属性，所以访问方式一样。

继承时使用初始化

先看下面一段代码，有没有问题

class A:
    def __init__(self, a):
        self.a = a

class B(A):
    def __init__(self, b, c):
        self.b = b
        self.c = c
    def printv(self):
        print(self.b)
        print(self.a) # 出错吗？ 出错，没定义

f = B(200, 300)
print(f.__class__.__bases__)
f.printv()
print(f.__dict__)

上例代码可知：

如果类B定义时声明继承自类A，则在类B中__bases__中是可以看到类A。 但是这和是否调用类A的构造方法是两回事。

如果B中调用了父类A的构造方法，就可以拥有父类的属性了。如何理解这一句话呢？ 观察B的实例 f 的__dict__中的属性。

class A:
    def __init__(self, a, d=10):
        self.a = a
        self.__d = d

class B(A):
    def __init__(self, b, c):
        A.__init__(self, b + c, b - c)
        self.b = b
        self.c = c
    def printv(self):
        print(self.b)
        print(self.a) # 出错吗？

f = B(200, 300)
print(f.__class__.__bases__)
f.printv()
print(f.__dict__)

作为好的习惯，如果父类定义了__init__方法，你就该在子类的__init__中调用它。 那么，子类什么时候自动调用父类的__init__方法呢？ 示例1

class A:
    def __init__(self):
        self.a1 = 'a1'
        self.__a2 = 'a2'
print('init in A')
class B(A):
    pass
b = B()
print(b.__dict__)

B实例的初始化会自动调用基类A的__init__方法

示例2

class A:
    def __init__(self):
        self.a1 = 'a1'
        self.__a2 = 'a2'
		print('init in A')
        
class B(A):
    def __init__(self):
        self.b1 = 'b1'
		print('init in B')
        
b = B()
print(b.__dict__)

B实例一旦定义了初始化__init__方法，就不会自动调用父类的初始化__init__方法，需要手动调用。

class A:
    def __init__(self):
        self.a1 = 'a1'
        self.__a2 = 'a2'
        print('init in A')

class B(A):
    def __init__(self):
        #super().__init__()
        #super(B, self).__init__()
        self.b1 = 'b1'
        print('init in B')
        A.__init__(self)
        
b = B()
print(b.__dict__) # 注意__a2

总结

• 如果在子类中覆盖了父类的__init__方法，那么在子类的__init__方法中，应该显式调用父类的__init__方法
• Python中并不限制在子类的__init__方法中调用父类的__init__方法的位置，但一般都应该尽早的调用
• 推荐使用 super().__init__() 或 super(B, self).__init__()

单继承

上面的例子中，类的继承列表中只有一个类，这种继承称为单一继承。

OCP 原则：多用“继承”、少修改

继承的用途：在子类上实现对基类的增强，实现多态

多态

在面向对象中，父类、子类通过继承联系在一起，如果可以通过一套方法，就可以实现不同表现，就是多态。多态的前提：继承、覆盖

多继承

一个类继承自多个类就是多继承，它将具有多个类的特征。

多继承弊端

多继承很好的模拟了世界，因为事物很少是单一继承，但是舍弃简单，必然引入复杂性，带来了冲突。

如同一个孩子继承了来自父母双方的特征。那么到底眼睛像爸爸还是妈妈呢？孩子究竟该像谁多一点呢？

多继承的实现会导致编译器设计的复杂度增加，所以有些高级编程语言舍弃了类的多继承。

C++支持多继承；Java舍弃了多继承。

Java中，一个类可以实现多个接口，一个接口也可以继承多个接口。Java的接口很纯粹，只是方法的声明，继承者必须实现这些方法，就具有了这些能力，就能干什么。

多继承可能会带来二义性，例如，猫和狗都继承自动物类，现在如果一个类多继承了猫和狗类，猫和狗都有shout方法，子类究竟继承谁的shout呢？

解决方案 实现多继承的语言，要解决二义性，深度优先或者广度优先。

Python多继承实现

class className(基类1， 基类2[,...]):
    类体

左图是多继承（菱形继承），右图是单一继承

多继承带来路径选择问题，究竟继承哪个父类的特征呢

Python使用 MRO（method resolution order方法解析顺序）解决基类搜索顺序问题。

• 历史原因，MRO有三个搜索算法：
  • 经典算法，按照定义从左到右，深度优先策略。2.2版本之前 左图的MRO是MyClass,D,B,A,C,A
  • 新式类算法，是经典算法的升级，深度优先，重复的只保留最后一个。2.2版本 左图的MRO是MyClass,D,B,C,A,object
  • C3算法，在类被创建出来的时候，就计算出一个MRO有序列表。2.3之后支持，Python3唯一支持的算法 左图中的MRO是MyClass,D,B,C,A,object的列表 C3算法解决多继承的二义性

经典算法有很大的问题，如果C中有方法覆盖了A的方法，也不会访问到C的方法，因为先访问A的（深度优先）。

新式类算法，依然采用了深度优先，解决了重复问题，但是同经典算法一样，没有解决继承的单调性。

C3算法，解决了继承的单调性，它阻止创建之前版本产生二义性的代码。求得的MRO 本质是为了线性化，且确定了顺序。

单调性：假设有A、B、C三个类，C的mro是[C, A, B]，那么C的子类的mro中，A、B的顺序一致就是单调的。

多继承的缺点

当类很多且继承复杂的情况下，继承路径太多，很难说清什么样的继承路径。

Python语法是允许多继承，但Python代码是解释执行，只有执行到的时候，才发现错误。 团队协作开发，如果引入多继承，那代码很有可能不可控。

不管编程语言是否支持多继承，都应当避免多继承。

Python的面向对象，我们看到的太灵活了，太开放了，所以要团队守规矩。

Mixin

在Python的很多类的实现中，都可以看到一个Mixin的名字，这种类是什么呢？

类有下面的继承关系

文档Document类是其他所有文档类的抽象基类； Word、Pdf类是Document的子类。

需求：为Document子类提供打印能力

思路： 1、在Document中提供print方法 假设已经有了下面3个类

class Document:
    def __init__(self, content):
        self.content = content
    def print(self): # 抽象方法
        raise NotImplementedError()
    
class Word(Document): pass # 其他功能略去
class Pdf(Document): pass # 其他功能略去

基类提供的方法可以不具体实现，因为它未必适合子类的打印，子类中需要覆盖重写。

基类中只定义，不实现的方法，称为“抽象方法”。在Python中，如果采用这种方式定义的抽象方法，子类可以不实现，直到子类使用该方法的时候才报错。

print算是一种能力 —— 打印功能，不是所有的Document的子类都需要的，所有，从这个角度出发，上面的基类Document设计有点问题。

2、需要打印的子类上增加

如果在现有子类Word或Pdf上直接增加，虽然可以，却违反了OCP的原则，所以可以继承后增加打印功能。

class Document: # 第三方库，不允许修改
    def __init__(self, content):
        self.content = content
class Word(Document): pass # 第三方库，不允许修改
class Pdf(Document): pass # 第三方库，不允许修改
# 单继承
class PrintableWord(Word):
    def print(self):
        print(self.content)

print(PrintableWord.__dict__)
print(PrintableWord.mro())
pw = PrintableWord('test string')
pw.print()

看似不错，如果需要还要提供其他能力，如何继承？

例如，如果该类用于网络，还应具备序列化的能力，在类上就应该实现序列化。

可序列化还可能分为使用pickle、json、messagepack等。

这个时候发现，为了

增加一种能力，就要增加一次继承，类可能太多了，继承的方式不是很好了。

功能太多，A类需要某几样功能，B类需要另几样功能，它们需要的是多个功能的自由组合，继承实现很繁琐。

3、Mixin

先看代码

class Document: # 第三方库，不允许修改
    def __init__(self, content):
        self.content = content
class Word(Document): pass # 第三方库，不允许修改
class Pdf(Document): pass # 第三方库，不允许修改
class PrintableMixin:
    def print(self):
        print(self.content, 'Mixin')
class PrintableWord(PrintableMixin, Word): pass

print(PrintableWord.__dict__)
print(PrintableWord.mro())

Mixin就是其它类混合进来，同时带来了类的属性和方法。

Mixin类

Mixin 本质上就是多继承实现的。

Mixin 体现的是一种组合的设计模式。

在面向对象的设计中，一个复杂的类，往往需要很多功能，而这些功能由来自不同的类提供，这就需要很多的类组合在一起。

从设计模式的角度来说，多组合，少继承。

Mixin 类的使用原则

• Mixin类中不应该显式的出现__init__初始化方法
• Mixin 类通常不能独立工作，因为它是准备混入别的类中的部分功能实现
• Mixin 类是类，也可以继承，其祖先类也应是 Mixin 类

使用时，Mixin 类通常在继承列表的第一个位置，例如 class PrintableWord(PrintableMixin, Word): pass

Mixin 类和装饰器，都可以实现对类的增强，这两种方式都可以使用，看个人喜好。

如果还需要继承就得使用 Mixin 类的方式。