【Python】多态与抽象类

多态()是面向对象程序设计的一个重要概念，源自希腊语，意即“有多种形态”。对于程序设计而言，大致可以理解为：即使你不知道变量指向哪种形态，也能够对其执行操作，而且操作的行为将随对象的类型不同而不同。

本文引用自作者编写的下述图书; 本文允许以个人学习、教学等目的引用、讲授或转载，但需要注明原作者"海洋饼干叔

叔"；本文不允许以纸质及电子出版为目的进行抄摘或改编。

1.《编程基础及应用》，陈波，刘慧君，高等教育出版社。免费授课视频 编程基础及应用

2.《编程基础及应用实验教程》, 陈波，熊心志，张全和，刘慧君，赵恒军，高等教育出版社编程基础及应用实验教程

3. 《简明C及C++语言教程》，陈波，待出版书稿。免费授课视频

对于程序员而言，可以不关心这个概念。因为在语言中，默认就是多态的。也就是说，对象被执行某个函数的时候，他的行为跟你想的多半是一样的。但作者认为，读者还是应该了解这个概念并理解其在程序设计中的重要性。

想象一个Word类软件，WPS或者Open 之类，在文档中，用户会加入非常多的界面元素，包括但不限于：三角形、箭头、段落、圆形、矩形、艺术字、图片。对，就跟你想的一样，在面向对象程序设计中，这些元素都会使用类来描述，并且，设计者一定会为这些界面元素提供一个统一的父类。作者把这个类结构简化成下图的模样，读者要明白真实的情况比这个要复杂得多，但基本结构大体如此。

可以看到，所有的界面元素，三角形、圆形、… 、 文本段落()，被描述成拥有一个共同的祖先类-Shape。这个祖先类可以是抽象类，这意味着系统不允许你创建Shape类的对象，具体的稍后描述。抽象类什么具体的工作也不做，只是描述了他的全部后代的模样：至少实现draw()-描绘自身以及()-返回元素在页面中的空间尺寸信息这两个方法。这种描述是强制性的，它的后代必须实现这两个方法或函数。

类用三个点坐标来描述自己的属性，除了实现必须的draw()和()方法外，还实现了一个()方法以计算自身所占面积。

类则用一个圆点坐标以及一个半径来描述自己，也实现了额外的()函数。

文本段落()类则用一个字符串来存储其文本内容，另外，还额外实现了()函数来设置文本的字体和字体大小。

作者把这4个类组织一个程序文件里，命名.py。首先，我们定义抽象基类Shape。

#Shapes.py
from abc import ABC, abstractmethod
class Shape(ABC):@abstractmethoddef draw(self):pass@abstractmethoddef getSize(self):pass

首先，我们从abc模块导入了ABC及。abc的意思作者猜应该是 base class - 抽象基类的首字母缩写。Shape被描述成ABC的子类，draw()函数以及()函数都打上了@装饰符，这说明这两个函数为抽象函数。这种情况下，系统是不允许创建一个Shape对象的。这个抽象类存在的唯一意义就是规定了它的后代类的某些特征：必须实现 draw()及()方法。

如果尝试实例化Shape, 比如s = Shape()，就会得到下述错误信息：

Traceback (most recent call last):File "D:/pylearn/C9_OOP/Shapes.py", line 11, in <module>s = Shape()
TypeError: Can't instantiate abstract class Shape with abstract methods draw, getSize

当且仅当Shape的某个后代类定义实现了Shape的全部抽象函数，该类才可以被实例化 - 即允许创建该类型的对象。下面是类、类、类的极简版本代码，注意，连同Shape类，这4个类都在同一个py文件中。

#Shapes.py
...
class Triangle(Shape):def __init__(self):self.point0 = (0,0)self.point1 = (0,0)self.point2 = (0,0)def draw(self):print("Triangle::draw")def getSize(self):pass       #detail omitteddef getArea(self):return 0   #it should be w * h / 2

#Shapes.py
...
class Circle(Shape):def __init__(self):self.ptCenter = (0,0)self.iRadius = 0def draw(self):print("Circle::draw")def getSize(self):passdef getArea(self):return 0

#Shapes.py
...
class Paragraph(Shape):def __init__(self):self.sContent = ""def draw(self):print("Paragraph::draw")def getSize(self):passdef setFont(self,fontName,fontSize):pass

这三个类都实现了Shape抽象基类的全部抽象方法，都不再“抽象”，可以实例化。另外，我们还注意到这三个类的构造函数里都没有调用执行Shape类的构造函数，这里这样做是可以的，因为Shape类没有自定义构造函数，或者说Shape类的构造函数什么也没做。

让我们把关注点放在这三个类的draw()函数上。类软件会用文档来组织这些界面元素，在这里我们把这些界面元素想像成一个列表，在这个列表里包含了很多个三角形、矩形、段落、图片、艺术字、公式、图表对象，这些对象都是Shape类的子对象，都实现了draw()方法。

当一个页面被显示出来时，软件会遍历这个列表，然后逐一调用列表内Shape子对象的draw()方法，以便把每个界面元素画出来。对，你听得没错，就是每个对象自己画自己。因为三角形类了解三角形的数据表达形式，掌握描绘一个三角形的全部信息，由这个类的draw()来承担这个职责再合适不过了。圆形、段落这些类也是类似情况。我们设想一下，假设在页面上描绘三角形的任务不是由三角形类来完成，而是由外部代码来完成，那么外部代码就必须清楚并访问三角形对象内部的全部细节，如果这件事情真的发生的话，对于软件工程而言是灾难性的：外部代码知道太多关于三角形内部实现的细节！内部实现的细节变成了接口的一部分！三角形类接口不再简洁明了！以后你如果想修改三角形的内部数据结构，这几乎不可能，因为外部代码也要跟着改，涉及的外部程序和修改点可能太多 — 这种复杂的情况，我们称之为紧耦合 - tight 。而程序的松散耦合 - loose ，才是我们的目标。

#Shapes.py
...
t1 = Triangle()
t2 = Triangle()
c1 = Circle()
c2 = Circle()
p1 = Paragraph()#doc模拟一个文档，将界面元素组织在列表中
doc = [p1,c2,t2,c1,t1]#遍历全部界面元素，将它们全部画出来
def renderDocument(doc):for x in doc:x.draw()
renderDocument(doc)

执行结果：

Paragraph::draw
Circle::draw
Triangle::draw
Circle::draw
Triangle::draw

在这段代码里，我们创建了两个三角形，两个圆形，一个段落 ，然后把它们放入一个列表中，这个列表就是一个文档的简化表达形式。()函数遍历这个列表，逐一执行其元素的draw()方法。我们看到，()函数并不清楚变量x的具体类型，它只认为x是一个Shape，实现了draw()方法，至于x到底是三角形、圆形或者别的什么界面元素，完全不关心。但是，我们发现，x是什么类型，就会执行什么类型的对应的draw()函数，并打印出对应的文字。这就是多态，这些变量类型未知，但自动展现出与类型对应的恰当行为。

作为初学者的你，看见这个觉得平淡无奇：这不就是我想像的样子么！是的，这正好说明语言的设计目标达到了，它几乎总是按你的设想来工作。但这样做是有代价的，代价之一就是执行效率低。在C++这种讲究效率的语言里，为了追求效率，多态不是默认的。

本节展示的类结构为程序的扩展提供了无限的可能及便利。如果软件试图建立一种全新的界面元素，比如某种直方图图表，软件设计者所要做的，就是继承Shape类并设计一个新的类，然后在新的类里实现全部抽象函数。然后，上述()函数一个字符都不用修改，即可以拥抱新的界面元素的加入所带来的变化，以不变应万变！

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