27、继承与派生

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，即使没有显式地继承object，也会默认继承该类，如下

>>> ParentClass1.__bases__
(<class ‘object'>,)
>>> ParentClass2.__bases__
(<class 'object'>,)

因而在Python3中统一都是新式类，关于经典类与新式类的区别，我们稍后讨论

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

基于上图我们可以看出类与类之间的继承指的是什么’是’什么的关系（比如人类，猪类，猴类都是动物类）。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 Teacher:
    school='清华大学'
    
    def __init__(self,name,sex,age):
        self.name=name
        self.sex=sex
        self.age=age
    
    def teach(self):
        print('%s is teaching' %self.name)

类Teacher与Student之间存在重复的代码，老师与学生都是人类，所以我们可以得出如下继承关系，实现代码重用

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):
    def choose(self):
        print('%s is choosing a course' %self.name)

class Teacher(People):
    def teach(self):
        print('%s is teaching' %self.name)

Teacher类内并没有定义 __ init __ 方法，但是会从父类中找到 __ init __ ，因而仍然可以正常实例化，如下

>>> teacher1=Teacher('lili','male',18)
>>> teacher1.school,teacher1.name,teacher1.sex,teacher1.age
('清华大学', 'lili', 'male', 18)

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()
... 
>>> class Bar(Foo):
...     def f1(self):
...         print('Foo.f1')
... 
>>> b=Bar()
>>> b.f2()
Foo.f2
Foo.f1

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

>>> 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，同样是在父类中找到该方法
Foo.f2
Foo.f1

四 继承的实现原理

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

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

MRO列表的构造是通过一个C3线性化算法来实现的，我们无需深究该算法的数学原理,它实际上就是合并所有父类的MRO列表，且在查找属性时，Python会基于MRO列表按照从左到右的顺序依次查找基类,直到找到第一个匹配这个属性的类为止。

在Python中子类可以同时继承多个父类，在子类继承了多个父类时，经典类与新式类会有不同MRO，分别对应属性的两种查找方式：深度优先和广度优先

五 派生与方法重用

子类可以派生出自己新的属性，在进行属性查找时，子类中的属性名会优先于父类被查找，例如每个老师还有职称这一属性，我们就需要在Teacher类中定义该类自己的 __ init __ 覆盖父类的

>>> 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,title): # 派生
...         self.name=name
...         self.sex=sex
...         self.age=age
...         self.title=title
...     def teach(self):
...         print('%s is teaching' %self.name)
... 
>>> obj=Teacher('lili','female',28,'高级讲师') #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.title
('lili', 'female', 28, '高级讲师')

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

方法一：“指名道姓”地调用某一个类的函数

>>> class Teacher(People):
...     def __init__(self,name,sex,age,title):
...         People.__init__(self,name,age,sex) #调用的是函数,因而需要传入self
...         self.title=title
...     def teach(self):
...         print('%s is teaching' %self.name)
... 

方法二：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=C() # C.mro()结果为 [<class '__main__.C'>, <class '__main__.A'>, <class '__main__.B'>,<class ‘object'>]
>>> c.test()
from B

c.test()首先找到A下的test方法，执行super().test()会基于MRO列表当前所处的位置继续往后查找，然后在B中找到了test方法并执行。

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()

此时对象teacher1集对象独有的属性、Teacher类中的内容、Course类中的内容于一身（都可以访问到），是一个高度整合的产物

知识补充

多继承到底要不用？？？

要用，但是规避几点问题

1、继承结构尽量不要过于复杂

2、推荐使用mixins机制：在多继承的背景下满足继承的什么"是"什么的关系

多继承的正确打开方式：mixins机制

一、什么是 mixin

Mixin本意是混入，程序中用来将不同功能(functionality)组合起来，从而为类提供多种特性。而虽然继承(inheritance)也可以实现多种功能，但继承一般 有从属关系，即子类通常是父类更加具体的类。而 mixin 则更多的是功能上的 组合，因而相当于是接口（带实现的接口）。

好比是联想电脑与电脑之间是继承关系，因而联想电脑具备电脑的各种功能；而 联想电脑与键盘之间则是 mixin 关系，同样也具备键盘的各种功能。

一般编程语言都不允许多重继承，主要是为了避免菱形问题，即两个父 类如果有共同的祖父类，但对祖父类相同部分做了不同的修改，则这个类再继承 两个父类就会产生冲突。

类似于 git 版本控制中，如果两个人对同一段代码做了不同的修改，则合并时 就需要手动解决冲突。编程语言如果碰到 diamond problem 时依赖程序员决定 用哪个父类的特性，就会变得非常复杂而且容易产生歧义。

从上面分析可以看出其实单从功能上来说，完全可以用 mixin 取代继承，从而 可以不要类这个概念。最近几年新出的编程语言 Rust 和Go里面就没有类 (class)以及继承，但并不影响代码复用，它们也正是利用 mixin 这种机制实现 的代码复用，例如 Rust 中用特征(Trait)取代了类和接口。

两种观点其实是两种不同的世界观，目前类与继承的概念则更为流行，而且符合 人们对事物的认知：人们对白猫、黑猫、花猫观察后更容易抽象出猫的概念，而 不是将这些事物作为无规律的组合去看待。

二、Python 中的 mixin

理解了 mixin 概念之后，再将其运用到 Python 中，理解（形式上）多重继承就会容易许多。python 对于 mixin 命名方式一般以 MixIn, able, ible 为后缀

由于 mixin 是组合，因而是做加法，为已有的类添加新功能，而不像继承一样下一级会覆盖上一级相同的属性或方法，但在某些方面仍然表现得与继承一样， 例如类的实例也是每个 mixin 的实例。mixin 使用不当会导致类的命名空间污染，所以要尽量避免 mixin 中定义相同方法，对于相同的方法，有时很难区分实例到底使用的是哪个方法。

class Vehicle:
    pass

class FlyableMixin:
    def fly(self):
        pass

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

class Helicopter(FlyableMixin,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
    pass

总结：

mixins机制核心：就是在多继承背景下尽可能地提升多继承的可读性，让多继承满足人的思维习惯 =》什么"是"什么。

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本文作者：amgulen
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