python基础（二十四）：继承、派生

一、继承介绍

继承是一种创建新类的方式，在Python中，新建的类可以继承一个或多个父类，新建的类可称为子类或派生类，父类又可称为基类或超类

class ParentClass1: #定义父类
    pass

class ParentClass2: #定义父类
    pass

class SubClass1(ParentClass1): #单继承
    pass

class SubClass2(ParentClass1,ParentClass2): #多继承
    pass

通过类的内置属性__bases__可以查看类继承的所有父类

>>> SubClass2.__bases__
(<class '__main__.ParentClass1'>, <class '__main__.ParentClass2'>)

在Python2中有经典类与新式类之分，没有显式地继承object类的类，以及该类的子类，都是经典类，显式地继承object的类，以及该类的子类，都是新式类。而在Python3中只有新式类，即使没有显式地继承object，也会默认继承该类。

# 什么是object类？
提示：object类提供了一些常用内置方法的实现，如用来在打印对象时返回字符串的内置方法__str__

二、继承与抽象

要找出类与类之间的继承关系，需要先抽象，再继承。抽象即总结相似之处，总结对象之间的相似之处得到类，总结类与类之间的相似之处就可以得到父类，如下图所示
基于抽象的结果，我们就找到了继承关系
子类可以继承／遗传父类所有的属性，因而继承可以用来解决类与类之间的代码重用性问题。比如我们按照定义Student类的方式再定义一个Teacher类

class People:
    school='清华大学'

    def __init__(self,name,sex,age):
        self.name=name
        self.sex=sex
        self.age=age

class Student(People): # 括号里是表示继承的父类为People
    def choose(self):
        print('%s is choosing a course' %self.name)

class Teacher(People): # 括号里是表示继承的父类为People
	def __init__(self,name,sex,age,teach_lesson):
		People.__init__(self,name,sex,age) # 相同属性交给父类初始化
		self.teach_lesson = teach_lesson # 不同属性自己初始化
    def teach(self):
        print('%s is teaching' %self.name)
# Student类和teacher类有部分同样的属性，因此我们可以通过继承提高代码重用！

teacher1=Teacher('lili','male',18,'数学')
print(teacher1.__dict__)
# 运行结果：
{'name': 'lili', 'sex': 'male', 'age': 18, 'teach_lesson': '数学'}

三、属性查找

有了继承关系，对象在查找属性时，先从对象自己的__dict__中找，如果没有则去子类中找，然后再去父类中找……

class Foo:
    def f1(self):
        print('Foo.f1')
    def f2(self):
        print('Foo.f2')
        self.f1() # 如果我想要程序运行到这里，执行的是Foo类的f1怎么办？请看下文！

class Bar(Foo):
    def f1(self):
        print('Foo.f1')
b=Bar()
b.f2()
# 运行结果：
Foo.f2
Foo.f1
# 运行流程分析：
b.f2()会在父类Foo中找到f2，先打印Foo.f2,然后执行到self.f1(),即b.f1()，仍会按照：对象本身->类Bar->父类Foo的顺序依次找下去，在类Bar中找到f1，因而打印结果为Foo.f1

父类如果不想让子类覆盖自己的方法，可以采用双下划线开头的方式将方法设置为私有的：

# 上面代码中的请看下文问题，解决方法
class Foo:
    def __f1(self): # 变形为_Foo__fa
        print('Foo.f1') 
    def f2(self):
        print('Foo.f2')
        self.__f1() # 变形为self._Foo__fa,因而只会调用自己所在的类中的方法

class Bar(Foo):
    def __f1(self): # 变形为_Bar__f1
        print('Foo.f1')
b=Bar()
b.f2() #在父类中找到f2方法，进而调用b._Foo__f1()方法，是在父类中找到的f1方法

# 运行结果：
Foo.f2
Foo.f1

四、继承的实现原理

1、菱形问题

​大多数面向对象语言都不支持多继承，而在Python中，一个子类是可以同时继承多个父类的，这固然可以带来一个子类可以对多个不同父类加以重用的好处，但多继承也有可能引发著名的Diamond problem菱形问题(或称钻石问题，有时候也被称为“死亡钻石”)，菱形其实就是对下面这种继承结构的形象比喻

# 注意A如果是Object内置类，不算是菱形。

这种继承结构下导致的问题称之为菱形问题：如果A中有一个方法，B和C都重写了该方法，而D没有重写它，那么D继承的是哪个版本的方法：B的还是C的？如下所示：

class A(object):
    def test(self):
        print('from A')


class B(A):
    def test(self):
        print('from B')


class C(A):
    def test(self):
        print('from C')


class D(B,C):
    pass


obj = D()
obj.test() # 结果为：from B

要想搞明白obj.test()是如何找到方法test的，解决菱形问题，需要了解python的继承实现原理

2、继承原理（MRO列表详解）

python到底是如何实现继承的呢？ 对于你定义的每一个类，Python都会计算出一个方法解析顺序(MRO)列表，该MRO列表就是一个简单的所有基类的线性顺序列表，如下：

>>> D.mro() # 新式类内置了mro方法可以查看线性列表的内容，经典类没有该内置方法
[<class '__main__.D'>, <class '__main__.B'>, <class '__main__.C'>, <class '__main__.A'>, <class 'object'>]

python会在MRO列表上从左到右开始查找基类,直到找到第一个匹配这个属性的类为止。 而这个MRO列表的构造是通过一个C3线性化算法来实现的。我们不去深究这个算法的数学原理,它实际上就是合并所有父类的MRO列表并遵循如下三条准则:

1. 子类会先于父类被检查
2. 多个父类会根据它们在列表中的顺序被检查
3. 如果对下一个类存在两个合法的选择,选择第一个父类

查找流程：

1.由对象发起的属性查找，会从对象自身的属性里检索，没有则会按照对象的类.mro()规定的顺序依次找下去，
2.由类发起的属性查找，会按照当前类.mro()规定的顺序依次找下去，

3、多继承属性查询顺序（不查询MRO，看出查询顺序）

首先我们要知道，不论python2还是python3的新式类都是一个东西，一样的搜索顺序（造成区别的是菱形与非菱形），只是python2需要class haha(object)：表示新式类。python3默认继承object，只有新式类而已。

（1）多继承结构为非菱形结构

此时，会按照先找B这一条分支，然后再找C这一条分支，最后找D这一条分支的顺序直到找到我们想要的属性

class E:
    def test(self):
        print('from E')


class F:
    def test(self):
        print('from F')


class B(E):
    def test(self):
        print('from B')


class C(F):
    def test(self):
        print('from C')


class D:
    def test(self):
        print('from D')


class A(B, C, D):
    # def test(self):
    #     print('from A')
    pass
obj = A()
obj.test()

# 重点预警：
1. 如果在python2中，上述全为经典类，搜索路线为：A->B->E->C->F->D,经典类由于没有MRO查看方法，因此，只能试。
2. 如果在python3中，全部默认继承object内置类,全为新式类,搜索路线为：A->B->E->C->F->D->object
3. 不论菱形还是非菱形新式类中的object内置类总是最后搜索

（2）多继承结构为菱形结构

如果继承关系为菱形结构，那么经典类与新式类会有不同MRO。

------------------------------------ 经典类 --------------------------------------
注意看下图的箭头的标号，表示了搜索顺序：

class G: # 在python2中，未继承object的类及其子类，都是经典类
    def test(self):
        print('from G')

class E(G):
    def test(self):
        print('from E')

class F(G):
    def test(self):
        print('from F')

class B(E):
    def test(self):
        print('from B')

class C(F):
    def test(self):
        print('from C')

class D(G):
    def test(self):
        print('from D')

class A(B,C,D):
    # def test(self):
    #     print('from A')
    pass

obj = A()
obj.test() # 如上图，查找顺序为:A->B->E->G->C->F->D
# 可依次注释上述类中的方法test来进行验证,注意请在python2.x中进行测试

------------------------------------ 新式类 --------------------------------------
下面我直接用python2中的新式类来讲，python3搜索顺序也是一样的，只是多加个object而已。
注意看下图的箭头的标号，表示了搜索顺序：

class G(object):
    def test(self):
        print('from G')

class E(G):
    def test(self):
        print('from E')

class F(G):
    def test(self):
        print('from F')

class B(E):
    def test(self):
        print('from B')

class C(F):
    def test(self):
        print('from C')

class D(G):
    def test(self):
        print('from D')

class A(B,C,D):
    # def test(self):
    #     print('from A')
    pass
obj = A()
obj.test() # 如上图，查找顺序为:A->B->E->C->F->D->G->object (上面就说过，新式类中的object无论菱形还是非菱形，都是最后搜索)
# 可依次注释上述类中的方法test来进行验证

4、Mixins机制

多继承常被人诟病，一来它有可能导致可恶的菱形问题，二来在人的世界观里继承应该是个”is-a”关系。 比如轿车类之所以可以继承交通工具类，是因为基于人的世界观，我们可以说：轿车是一个(“is-a”)交通工具，而在人的世界观里，一个物品不可能是多种不同的东西，因此多重继承在人的世界观里是说不通的，它仅仅只是代码层面的逻辑。不过有没有这种情况，一个类的确是需要继承多个类呢？

​ 答案是有，我们还是拿交通工具来举例子:

​民航飞机、直升飞机、轿车都是一个（is-a）交通工具，前两者都有一个功能是飞行fly，但是轿车没有，所以如下所示我们把飞行功能放到交通工具这个父类中是不合理的

class Vehicle:  # 交通工具
    def fly(self):
        '''
        飞行功能相应的代码        
        '''
        print("I am flying")


class CivilAircraft(Vehicle):  # 民航飞机
    pass


class Helicopter(Vehicle):  # 直升飞机
    pass


class Car(Vehicle):  # 汽车并不会飞，但按照上述继承关系，汽车也能飞了，这样显然不合常理
    pass

​但是如果民航飞机和直升机都各自写自己的飞行fly方法，又违背了代码尽可能重用的原则（如果以后飞行工具越来越多，那会重复代码将会越来越多）。

为了尽可能地重用代码，那就只好在定义出一个飞行器的类，然后让民航飞机和直升飞机同时继承交通工具以及飞行器两个父类，这样就出现了多继承。这时又违背了继承必须是”is-a”关系。这个难题该怎么解决？

答：
1. 这个时候就需要Mixins机制,这个机制使在尽量减少代码冗余的情况下,且遵守了'is-a'这种继承思想,且使多继承不再复杂,代码变得清晰！
2. Mixins机制是一种规范,不是一种方法,例如：常量的定义(全为大写即为常量,但实际还是变量,遵守命名规范和使用规范,命名规范即：全为大写为常量,使用规范即：看到全为大写的变量不要去改它的值)

class Vehicle:  # 交通工具
    pass


class FlyableMixin: # 
    def fly(self):
        '''
        飞行功能相应的代码        
        '''
        print("I am flying")


class CivilAircraft(FlyableMixin, Vehicle):  # 民航飞机
    pass


class Helicopter(FlyableMixin, Vehicle):  # 直升飞机
    pass


class Car(Vehicle):  # 汽车
    pass

# Mixins机制解读：汽车、直升飞机、民航飞机都是交通工具（is-a关系）,但三者不是飞行器,Flyable只是加给（混入）民航飞机、直升飞机的功能。这就有点装饰器的味道了。这样既实现了多继承,又增强了可阅读性,而且保护了is-a的关系

可以看到，上面的CivilAircraft、Helicopter类实现了多继承，不过它继承的第一个类我们起名为FlyableMixin，而不是Flyable，这个并不影响功能，但是会告诉后来读代码的人，这个类是一个Mixin类，表示混入(mix-in)，这种命名方式就是用来明确地告诉别人（python语言惯用的手法），这个类是作为功能添加到子类中，而不是作为父类，它的作用同Java中的接口。所以从含义上理解，CivilAircraft、Helicopter类都只是一个Vehicle，而不是一个飞行器。

# 使用Mixin类实现多重继承要非常小心
1. Mixin类在多继承写的时候应该在最左边一次写需要继承的Mixin类名,is-a的父类应该在最右边
2. 首先它必须表示某一种功能，而不是某个物品，python 对于mixin类的命名方式一般以 Mixin, able, ible 为后缀
3. 其次它必须责任单一，如果有多种功能(例如有关飞行功能写一个,有关钻)，那就写多个Mixin类，一个类可以继承多个Mixin，为了保证遵循继承的“is-a”原则，只能继承一个标识其归属含义的父类
4. 然后，它不依赖于子类的实现,这个有点类似装饰器,与被装饰函数无关,这个Mixins类在编写的时候,应该尽量和子类无关，就像这里的飞行器,我把这个飞行器给个,哪个就能飞,并不是针对某个类设计的
5. 最后，子类即便没有继承这个Mixin类，也照样可以工作，就是缺少了某个功能。（比如飞机照样可以载客，就是不能飞了）

​Mixins是从多个类中重用代码的好方法，但是需要付出相应的代价，我们定义的Minx类越多，子类的代码可读性就会越差，并且更恶心的是，在继承的层级变多时，代码阅读者在定位某一个方法到底在何处调用时会晕头转向。

5、java对多继承的处理方法

// 抽象基类：交通工具类
public abstract class Vehicle {
}

// 接口：飞行器
public interface Flyable {
    public void fly();
}

// 类：实现了飞行器接口的类，在该类中实现具体的fly方法，这样下面民航飞机与直升飞机在实现fly时直接重用即可
public class FlyableImpl implements Flyable {
    public void fly() {
        System.out.println("I am flying");
    }
}



// 民航飞机，继承自交通工具类，并实现了飞行器接口
public class CivilAircraft extends Vehicle implements Flyable {
    private Flyable flyable;

    public CivilAircraft() {
        flyable = new FlyableImpl();
    }

    public void fly() {
        flyable.fly();
    }
}

// 直升飞机，继承自交通工具类，并实现了飞行器接口
public class Helicopter extends Vehicle implements Flyable {
    private Flyable flyable;

    public Helicopter() {
        flyable = new FlyableImpl();
    }

    public void fly() {
        flyable.fly();
    }
}

// 汽车，继承自交通工具类，
public class Car extends Vehicle {
}

// 接口可以多实现,相当于Mixin类.只不过java的接口在定义的时候,不允许实现,接口依赖于子类的实现.

五、派生与方法重用

1、引出问题

相对于父类,子类可以派生出自己新的属性,如下，相对于人，教师有自己的级别和薪水两个新属性。

>>> class People:
...     school='清华大学'
...     
...     def __init__(self,name,sex,age):
...         self.name=name
...         self.sex=sex
...         self.age=age
... 
>>> class Teacher(People):
...     def __init__(self,name,sex,age,level,salary): # 派生
...         self.name=name
...         self.sex=sex
...         self.age=age
...         self.level=level
...			self.salary=salary
...     def teach(self):
...         print('%s is teaching' %self.name)
... 
>>> obj=Teacher('lili','female',28,'高级讲师',3000) #只会找自己类中的__init__，并不会自动调用父类的
>>> obj.name,obj.sex,obj.age,obj.level,obj.salary
('lili', 'female', 28, '高级讲师',3000)

很明显子类Teacher中__init__内的前三行又是在写重复代码，若想在子类派生出的方法内重用父类的功能，有两种实现方式。

2、方式一：指名道姓

...     def __init__(self,name,sex,age,title):
...         People.__init__(self,name,age,sex) # 类调用的函数,因而需要传入self
...         self.level=level
...			self.salary=salary
...     def teach(self):
...         print('%s is teaching' %self.name)

本篇博客的第二大点，就用到了这个方法。

3、 方式二：super()

调用super()会得到一个特殊的对象，该对象专门用来引用父类的属性，且严格按照MRO规定的顺序向后查找

>>> class Teacher(People):
...     def __init__(self,name,sex,age,title):
...         super().__init__(name,age,sex) #调用的是绑定方法，自动传入self
...         self.title=title
...     def teach(self):
...         print('%s is teaching' %self.name)

# 提示：在Python2中super的使用需要完整地写成super(自己的类名,self) ,而在python3中可以简写为super()。

这两种方式的区别是：方式一是跟继承没有关系的，而方式二的super()是依赖于继承的，并且即使没有直接继承关系，super()仍然会按照MRO继续往后查找

>>> #A没有继承B
... class A:
...     def test(self):
...         super().test()
... 
>>> class B:
...     def test(self):
...         print('from B')
... 
>>> class C(A,B):
...     pass
... 
>>> C.mro() # 在代码层面A并不是B的子类，但从MRO列表来看，属性查找时，就是按照顺序C->A->B->object，B就相当于A的“父类”
[<class '__main__.C'>, <class '__main__.A'>, <class '__main__.B'>,<class ‘object'>]
>>> obj=C()
>>> obj.test() # 属性查找的发起者是类C的对象obj，所以中途发生的属性查找都是参照C.mro()
from B

obj.test()首先找到A下的test方法，执行super().test()会基于MRO列表(以C.mro()为准)super会找到A类的父类即是B类,并调用其方法test执行

关于在子类中重用父类功能的这两种方式，使用任何一种都可以，但是在最新的代码中还是推荐使用super()

六、组合

在一个类中以另外一个类的对象作为数据属性，称为类的组合。组合与继承都是用来解决代码的重用性问题。不同的是：继承是一种“是”的关系，比如老师是人、学生是人，当类之间有很多相同的之处，应该使用继承；而组合则是一种“有”的关系，比如老师有生日，老师有多门课程，当类之间有显著不同，并且较小的类是较大的类所需要的组件时，应该使用组合，如下示例：

class Course:
    def __init__(self,name,period,price):
        self.name=name
        self.period=period
        self.price=price
    def tell_info(self):
        print('<%s %s %s>' %(self.name,self.period,self.price))

class Date:
    def __init__(self,year,mon,day):
        self.year=year
        self.mon=mon
        self.day=day
    def tell_birth(self):
       print('<%s-%s-%s>' %(self.year,self.mon,self.day))

class People:
    school='清华大学'
    def __init__(self,name,sex,age):
        self.name=name
        self.sex=sex
        self.age=age

#Teacher类基于继承来重用People的代码，基于组合来重用Date类和Course类的代码
class Teacher(People): # 老师是人
    def __init__(self,name,sex,age,title,year,mon,day):
        super().__init__(name,age,sex)
        self.birth=Date(year,mon,day) # 老师有生日
        self.courses=[] # 老师有课程，可以在实例化后，往该列表中添加Course类的对象
    def teach(self):
        print('%s is teaching' %self.name)


python=Course('python','3mons',3000.0)
linux=Course('linux','5mons',5000.0)
teacher1=Teacher('lili','female',28,'博士生导师',1990,3,23)

# teacher1有两门课程
teacher1.courses.append(python)
teacher1.courses.append(linux)

# 重用Date类的功能
teacher1.birth.tell_birth()

# 重用Course类的功能
for obj in teacher1.courses: 
    obj.tell_info()

以上述代码为例，teacher类中传入的是Date类的对象和Course类的对象有什么好处呢？

答：可以更方便的使用Date类、Course类中的属性，提高代码的重用性