python shape函数_Python中的多态及抽象类

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版权声明:本文内容引用自作者的图书《Python编程基础及应用》(高等教育出版社)。本文可以在互联网上转载传播,但必须包含文中的版权声明;本文不可以以纸质出版为目的进行摘抄或改编。

9.8 多态、抽象类

多态(polymorphism)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。

对于Python程序员而言,可以不关心这个概念。因为在Python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 Office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。

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可以看到,所有的界面元素,三角形、圆形、... 、 文本段落(paragraph),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getSize()-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。

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

Circle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getArea()函数。

文本段落(Paragraph)类则用一个字符串sContent来存储其文本内容,另外,还额外实现了setFont()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Shapes.py。首先,我们定义抽象基类Shape。

#Shapes.pyfrom abc import ABC, abstractmethodclass Shape(ABC):    @abstractmethod    def draw(self):        pass    @abstractmethod    def getSize(self):        pass

首先,我们从abc模块导入了ABC及abstractmethod。abc的意思作者猜应该是abstract 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getSize()函数都打上了@abstractmethod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getSize()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     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Triangle类、Circle类、Paragraph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 omitted    def getArea(self):        return 0   #it should be w * h / 2#Shapes.py...class Circle(Shape):    def __init__(self):        self.ptCenter = (0,0)        self.iRadius = 0    def draw(self):        print("Circle::draw")    def getSize(self):        pass    def getArea(self):        return 0#Shapes.py...class Paragraph(Shape):    def __init__(self):        self.sContent = ""    def draw(self):        print("Paragraph::draw")    def getSize(self):        pass    def 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。Office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 coupling。而程序的松散耦合 - loose coupling,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::drawCircle::drawTriangle::drawCircle::drawTriangle::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。renderDocument()函数遍历这个列表,逐一执行其元素的draw()方法。我们看到,renderDocument()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Python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Office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renderDocument()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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