【Python基础编程】继承、重写与super详解

易辰君

发布于 2024-11-07 22:05:34

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前言

上篇文章主要了解面向对象中的类和对象、实例属性和实例方法等，接下来继续深入了解python的面向对象，冲冲冲！

一、隐藏数据

隐藏数据是面向对象编程中的一个重要概念，旨在实现数据封装和信息隐藏。通过隐藏类的内部数据，开发者可以防止外部代码直接访问和修改对象的内部状态，从而保证对象的完整性和一致性。在Python中隐藏数据的方式有两种：使用私有属性和使用属性和方法的封装。

（一）使用私有属性

在类中使用双下划线前缀来定义私有属性。虽然Python没有真正的私有属性，但使用双下划线前缀会触发名称重整，使得属性变得不容易访问。

示例：

class MyClass:
    def __init__(self, value):
        self.__hidden_value = value

    def get_value(self):
        return self.__hidden_value

obj = MyClass(42)
print(obj.get_value())  # 输出: 42
print(obj.__hidden_value)  # 会报错: AttributeError
print(obj._MyClass__hidden_value)  # 可以通过重整的名称访问

（二）使用属性和方法的封装

通过封装属性，使得它们只能通过特定的方法访问。这种方式可以控制数据的访问和修改，并在访问或修改时执行额外的操作。

示例：

class MyClass:
    def __init__(self, value):
        self._value = value

    @property
    def value(self):
        return self._value

    @value.setter
    def value(self, new_value):
        # 可以添加额外的逻辑
        self._value = new_value

obj = MyClass(42)
print(obj.value)  # 输出: 42
obj.value = 100
print(obj.value)  # 输出: 100

二、隐藏功能

在Python中隐藏功能或方法的主要作用与隐藏数据类似，但更侧重于控制类或模块的行为和接口。隐藏功能的主要作用有以下几种：

1. 控制接口暴露 隐藏功能可以帮助开发者限制模块、类或对象对外暴露的接口。只将必要的功能暴露给外部用户，减少外部代码对内部实现的依赖，从而使代码更加清晰、简洁且易于维护。 2. 增强封装性 通过隐藏实现细节，开发者可以在不影响外部接口的情况下自由修改或重构内部逻辑。这种封装性使得代码更容易更新和维护，而不会破坏现有的功能。 3. 保护实现细节 隐藏功能可以保护复杂或不稳定的实现细节，防止外部代码依赖这些功能，从而避免潜在的错误或意外行为。这样可以降低错误发生的可能性，尤其是在实现细节需要频繁变化时。 4. 防止滥用 有些功能可能只在特定上下文中有效或安全使用。通过隐藏这些功能，开发者可以防止它们被滥用或误用。例如，某些内部工具函数或方法可能仅供内部使用，而不适合外部调用。 5. 提升安全性 通过隐藏可能引发安全问题的功能，开发者可以减少外部攻击者利用这些功能的机会。例如，某些调试或测试方法可能暴露敏感信息，隐藏这些方法可以提高代码的安全性。 6. 简化外部接口 隐藏不必要的功能可以使外部接口更简洁。用户只需关注公开的核心功能，而不必了解或理解所有的实现细节，这有助于降低学习和使用的难度。 7. 支持内部使用 某些功能可能是专门为类或模块内部使用而设计的，它们并不打算供外部调用。通过隐藏这些功能，代码更容易维护和理解，因为外部开发者不会尝试去调用这些内部函数或方法。 8. 提供更好的用户体验 隐藏内部功能可以使API更加直观和用户友好，用户不会被大量的内部方法或属性所困扰，只需使用公开的API进行交互。 9. 遵循设计原则 隐藏功能符合“单一职责原则”和“接口隔离原则”等设计原则。通过减少暴露的功能和接口，开发者可以更好地实现代码的模块化和职责分离。

在python中，通过通过单下划线前缀和双下划线前缀隐藏功能，示例：

单下划线前缀：通过使用单下划线前缀来标记某些方法或属性为内部使用。虽然这并不能真正阻止访问，但它表示这些功能不应该被外部代码使用。

class MyClass:
    def __init__(self):
        self._internal_function()

    def _internal_function(self):
        print("这是一个内部方法")

    def public_function(self):
        print("这是一个公开的方法")

obj = MyClass()
obj.public_function()  # 正常调用
obj._internal_function()  # 可以调用，但不建议这样做

双下划线前缀：通过使用双下划线前缀将方法或属性标记为类的私有成员，触发名称重整，进一步限制外部访问。

class MyClass:
    def __init__(self):
        self.__hidden_function()

    def __hidden_function(self):
        print("这是一个隐藏的方法")

    def public_function(self):
        print("这是一个公开的方法")

obj = MyClass()
obj.public_function()  # 正常调用
obj.__hidden_function()  # 访问会引发AttributeError
obj._MyClass__hidden_function()  # 可以通过名称重整来访问，但不建议这样做

三、对象关联

对象关联是面向对象编程中的一个关键概念，用于描述不同对象之间的关系。对象关联可以帮助开发者组织和管理代码的结构，使其更加清晰和可维护。Python中的对象关联通常分为以下几种类型：

（一）关联

关联是最基本的对象关系，表示一个对象与另一个对象之间有某种联系。关联关系通常是双向的，但可以是单向的。对象之间通过引用彼此来实现关联。

示例：

class Driver:
    def __init__(self, name):
        self.name = name

class Car:
    def __init__(self, model, driver):
        self.model = model
        self.driver = driver  # 关联Driver对象

driver = Driver("张三")
car = Car("大众", driver)

print(car.driver.name)  # 输出: 张三

（二）聚合

聚合是一种特殊的关联关系，表示一种“整体-部分”关系。聚合关系下，部分对象可以独立于整体对象存在。整体对象通常会引用部分对象，但不会管理它们的生命周期。

示例：

class Engine:
    def __init__(self, horsepower):
        self.horsepower = horsepower

class Car:
    def __init__(self, model, engine):
        self.model = model
        self.engine = engine  # 聚合Engine对象

engine = Engine(150)
car = Car("大众", engine)

print(car.engine.horsepower)  # 输出: 150

在这个例子中，Engine是一个独立存在的对象，Car只是引用了它。这意味着即使Car对象被销毁，Engine对象仍然可以独立存在。

（三）组合

组合是一种更强的“整体-部分”关系，表示部分对象的生命周期完全依赖于整体对象。整体对象负责创建和销毁部分对象，这意味着当整体对象被销毁时，部分对象也会被销毁。

示例：

class Engine:
    def __init__(self, horsepower):
        self.horsepower = horsepower

class Car:
    def __init__(self, model, horsepower):
        self.model = model
        self.engine = Engine(horsepower)  # 组合Engine对象

car = Car("大众", 200)
print(car.engine.horsepower)  # 输出: 200

在组合关系中，Engine对象是Car对象的一部分。当Car对象被销毁时，其内部的Engine对象也会被销毁。

（四）继承

继承用于表示子类继承父类的属性和方法。继承允许子类复用父类的代码，同时可以添加或修改功能。

示例：

class Vehicle:
    def __init__(self, brand):
        self.brand = brand

    def drive(self):
        print(f"{self.brand} ")

class Car(Vehicle):  # 继承Vehicle
    def __init__(self, brand, model):
        super().__init__(brand)
        self.model = model

car = Car("大众", "宝来")
car.drive()  # 输出: 大众

（五）依赖

依赖表示一个对象使用另一个对象作为参数或返回值，通常是临时的。依赖关系表示两个对象之间的一种“使用”关系。

示例：

class Fuel:
    def __init__(self, type):
        self.type = type

class Car:
    def __init__(self, model):
        self.model = model

    def refuel(self, fuel):
        print(f"这车加的油是 {fuel.type}")

# 示例
fuel = Fuel("汽油")
car = Car("大众")
car.refuel(fuel)  # 输出: 这车加的油是汽油

在这个例子中，Car对象依赖于Fuel对象，但这种依赖是临时的，仅在refuel方法调用期间存在。

（六）总结

Python中的对象关联通过以上几种基本关系来描述对象之间的交互方式：

关联：描述一般的联系或依赖。
聚合：整体-部分关系，但部分可以独立存在。
组合：更强的整体-部分关系，部分依赖整体的生命周期。
继承：子类继承父类，复用代码。
依赖：一种临时的“使用”关系。

这些关联类型帮助开发者更好地组织和管理代码结构，使得软件设计更加模块化、可维护。

四、单继承

Python中的继承是面向对象编程中的一个核心概念，用于表示类之间的层次关系。继承允许一个类继承另一个类的属性和方法，从而实现代码的重用、扩展和多态性。

（一）基本概念

父类（基类）：被继承的类，提供基础属性和方法。
子类（派生类）：继承父类的类，可以复用父类的属性和方法，也可以添加新的属性和方法，或覆盖（重写）父类的方法。

（二）语法

继承通过定义一个类时在括号内指定父类来实现，语法如下：

class ParentClass:
    # 父类的属性和方法
    pass

class ChildClass(ParentClass):
    # 子类的属性和方法
    pass

示例：

class Animal:
    def __init__(self, name):
        self.name = name
    
    def speak(self):
        return f"{self.name} 正在叫"

class Dog(Animal):  # Dog 类继承自 Animal 类
    def speak(self):
        return f"{self.name} 叫"

# 使用继承创建对象
dog = Dog("旺财")
print(dog.speak())  # 输出：旺财 叫

在这个例子中，Dog 类继承了 Animal 类的属性和方法。Dog 类重写了 speak() 方法，因此调用 Dog 类的 speak() 方法时，会返回 "叫" 而不是父类中的 "正在叫"。

五、多继承

多重继承是指一个子类可以继承多个父类。它允许子类从多个基类中获取属性和方法，从而实现更加灵活和强大的功能。然而，多重继承也会带来一些复杂性，尤其是在处理同名方法和属性时。Python 使用方法解析顺序（MRO）来决定调用的顺序。

（一）基本实例

class Base1:
    def method(self):
        print("父类1方法")

class Base2:
    def method(self):
        print("父类2方法")

class Derived(Base1, Base2):
    pass

d = Derived()
d.method()  # 输出：父类1方法

在这个例子中，Derived 类继承了 Base1 和 Base2。当调用 method() 时，Derived 类首先使用 Base1 的 method()，因为 Base1 在继承列表中排在 Base2 之前。

（二）方法解析顺序（MRO）

Python 使用方法解析顺序（MRO）来确定在多重继承情况下调用方法的顺序。可以使用 ClassName.mro() 或 ClassName.__mro__ 查看 MRO。

示例：

class A:
    def process(self):
        print("A流程")

class B(A):
    def process(self):
        print("B流程")

class C(A):
    def process(self):
        print("C流程")

class D(B, C):
    pass

d = D()
d.process()  # 输出：B流程
print(D.mro())  # 输出：[<class '__main__.D'>, <class '__main__.B'>, <class '__main__.C'>, <class '__main__.A'>, <class 'object'>]

该例子中，D 类的 MRO 是 D -> B -> C -> A -> object，因此调用 process() 方法时，会首先调用 B 类中的方法。

（三）使用场景

类的扩展: 允许类从多个基础类中获取功能，并进行扩展。
接口实现: 可以用多继承实现多个接口，尤其是在类似 Java 的接口设计中。

（四）注意事项

设计复杂性: 多重继承可能导致复杂的继承图谱，容易使代码难以理解和维护。
钻石继承问题: 如果两个基类有共同的父类，可能会导致方法重复调用的复杂情况。Python 的 MRO 处理了这个问题，通过 C3 线性化算法来确保一致性。

六、重写

重写指的是子类重新定义从父类继承的方法。这使得子类可以提供特定的实现，而不是使用父类的默认实现。重写是面向对象编程中的一个核心概念，它允许你在继承的基础上扩展或修改行为。当子类继承父类的方法时，它可以重写这些方法，以便提供不同的实现。子类中定义的方法将替代父类中的方法，而在子类实例上调用该方法时将使用新的实现。

示例：

假设我们有一个父类 Animal 和一个子类 Dog，其中 Dog 重写了 Animal 类的 speak 方法：

class Animal:
    def speak(self):
        return "动物叫"

class Dog(Animal):
    def speak(self):
        return "狗吠"

# 使用继承和重写创建对象
animal = Animal()
dog = Dog()

print(animal.speak())  # 输出：动物叫
print(dog.speak())     # 输出：狗吠

说明：Dog 类重写了 Animal 类的 speak 方法，因此当调用 dog.speak() 时，返回的是 "狗叫"，而不是父类的实现。

（一）注意

方法签名: 子类重写方法时，确保方法签名与父类一致，即方法名称和参数列表应相同，否则可能导致方法调用失败或行为不一致。
调用父类方法: 在需要保留父类原有功能的情况下，使用 super() 调用父类的方法，确保子类扩展而不完全替代父类功能。
保持一致性: 重写方法时，确保新实现与父类的接口一致，以避免引入错误或不一致的行为。

七、super函数

super() 函数用于调用父类的方法。它是面向对象编程中的一个重要工具，尤其在涉及继承和方法重写时，可以帮助你在子类中调用父类的实现。使用 super() 函数可以确保子类在扩展父类功能的同时，还能够利用父类已经实现的功能。

示例：

class Parent:
    def method(self):
        print("父类方法")

class Child(Parent):
    def method(self):
        super().method()  # 调用父类的 method 方法
        print("子类方法")

child = Child()
child.method()
# 输出：
# 父类方法
# 子类方法

该示例中，Child 类重写了 method 方法，并通过 super().method() 调用了 Parent 类中的 method 方法。

（一）语法

super() 函数通常用在方法内部，不需要传递任何参数。Python 会自动确定要调用的父类。

示例：

super().method()

在 Python 2.x 中，super() 的用法略有不同，通常需要传递当前类和实例作为参数：

super(Child, self).method()

（二）构造函数中的super

super在类的构造函数中非常有用，可以确保父类的构造函数被正确调用，从而初始化继承来的属性。

示例：

class Parent:
    def __init__(self, name):
        self.name = name

class Child(Parent):
    def __init__(self, name, age):
        super().__init__(name)  # 调用父类的构造函数
        self.age = age

child = Child("杰克", 30)
print(child.name)  # 输出：杰克
print(child.age)   # 输出：30

说明：Child 类的构造函数调用了 Parent 类的构造函数，以确保 name 属性被正确初始化。

（三）多重继承中的super

在多重继承中，super变得更复杂，但也更强大。它帮助确保方法调用按照正确的顺序执行，遵循方法解析顺序（MRO）。

示例：

class A:
    def method(self):
        print("A方法")

class B(A):
    def method(self):
        print("B方法")
        super().method()

class C(A):
    def method(self):
        print("C方法")
        super().method()

class D(B, C):
    def method(self):
        print("D方法")
        super().method()

d = D()
d.method()
# 输出：
# D方法
# B方法
# C方法
# A方法

在这个例子中，D 类的 method 方法通过 super() 调用 B 和 C 类的 method 方法，最终调用 A 类的方法。super() 按照 MRO 确保了正确的调用顺序。