Python基礎之接口——從協議到抽象基類

導語：本文章記錄了本人在學習Python基礎之面向對象篇的重點知識及我的心得，打算入門Python的朋友們能夠來一塊兒學習並交流。

本文重點：

一、協議是Python中非正式的接口；
二、瞭解抽象基類的基本概念以及標準庫中的抽象基類；
三、掌握抽象基類的使用方法。

1、協議的高度動態本性

一、協議與接口的基本概念

協議：是Python中非正式的接口，是令Python這種動態類型語言實現多態的方式。
接口：泛指實體把本身提供給外界的一種抽象化物（能夠爲另外一實體），用以由內部操做分離出外部溝通方法，使其能被內部修改而不影響外界其餘實體與其交互的方式。
類的接口：類實現或繼承的公開屬性（方法或數據屬性），包括特殊方法，如__getitem__或__add__。

二、協議是非正式的

協議是非正式的，只由文檔和約定定義，不具有強制性。
以序列協議爲例，假設咱們想實現迭代以及in運算，一般須要__iter__和__contains__方法，但事實上只實現__getitem__方法也能夠。緣由在於當Python發現沒有__iter__和__contains__可用時，會轉而調用__getitem__方法設法讓迭代和in運算符可用。
小結：部分實現協議是有用的。

三、使用猴子補丁在運行時實現協議

在運行時修改類或模塊而不改動源碼，從而實現目標協議接口的操做就是打猴子補丁。

2、抽象基類

一、基本概念

鴨子類型(duck typing)：不關注對象的類型，而是關注對象具備的行爲(方法)。鴨子類型像多態同樣工做，可是沒有繼承。
在鴨子類型中，協議風格的接口與繼承徹底沒有關係，實現同一個協議的各個類是相互獨立的。

白鵝類型(goose typing)：只要cls是抽象基類，即cls的元類是abc.ABCMeta,就可使用isinstance(obj,cls)。

抽象基類（abstract base class,ABC）：抽象基類就是類裏定義了純虛成員函數的類。純虛函數只提供了接口，並無具體實現。抽象基類不能被實例化(不能建立對象)，一般是做爲基類供子類繼承，子類中重寫虛函數，實現具體的接口。簡言之，ABC描述的是至少使用一個純虛函數的接口，從ABC派生出的類將根據派生類的具體特徵，使用常規虛函數來實現這種接口。

二、標準庫中的抽象基類

（1）collections.abc中抽象基類
collections.abc模塊中各個抽象基類的UML類圖以下所示：

• Iterable、 Container 和 Sized
  各個集合應該繼承這三個抽象基類， 或者至少實現兼容的協議。
  Iterable 經過 __iter__ 方法支持迭代；
Container 經過__contains__ 方法支持 in 運算符；
Sized 經過 __len__ 方法支持len() 函數。
• Sequence、 Mapping 和 Set
  這三個是主要的不可變集合類型， 並且各自都有可變的子類。
• MappingView
  在 Python 3 中， 映射方法 .items()、 .keys() 和 .values() 返回的對象分別是 ItemsView、 KeysView 和 ValuesView 的實例。 前兩個類還從 Set 類繼承了豐富的接口，涉及集合的所有運算符。
• Callable 和 Hashable
  這兩個抽象基類與集合沒有太大的關係，只不過由於collections.abc 是標準庫中定義抽象基類的第一個模塊， 而它們又過重要了，所以才把它們放到 collections.abc 模塊中。Callable 或 Hashable 的子類很是少見。這兩個抽象基類的主要做用是爲內置函數 isinstance 提供支持,以一種安全的方式判斷對象能不能調用或散列。
• Iterator
  是 Iterable 的子類。

(2)numbers包中的數字塔
按照自上而下的線性結構，Number是位於最頂端的超類，詳細排序以下：

• Number
• Complex
• Real
• Rational
• Integral

例如，檢查一個數是不是整數，可使用isinstance(x,numbers.Integral)。

3、抽象基類的使用

一、經過繼承聲明抽象基類

聲明抽象基類最簡單的方式是繼承abc.ABC或其餘抽象基類：Class Student(abc.ABC)
注意：在Python3.0~3.3之間，繼承抽象基類的語法是：Class Student(metaclass=abc.ABCMeta)。

二、判斷子類是否符合接口定義

在定義抽象基類的子類時，子類須要將繼承的抽象基類中的抽象方法具體實現。

三、聲明虛擬子類實現抽象基類的接口

虛擬子類：指的是不經過繼承而利用註冊把一個類變成抽象基類的子類。
註冊虛擬之類的方式是調用register方法，語法是@抽象基類名稱.register。
經註冊後的虛擬子類能夠被issubclass和isinstance等函數識別，可是註冊的類不會從抽象基類中繼承任何方法或屬性。具體可經過類屬性__mro__查看類的真實繼承關係。

4、其它

一、抽象基類中聲明抽象類方法須要使用@abc.abstractmethod標記，而且在@abc.abstractmethod和def之間不能有其餘裝飾器。二、內省類的繼承關係的方法：__subclasses__()：返回類的直接子類列表，不含虛擬子類。__abcregistry：抽象基類獨有的屬性，是抽象類註冊的虛擬子類的弱引用。三、__subclasshook__：令抽象基類識別沒有進行子類化和註冊的類，此方法在abc.Sized中有應用。