python:继承和多态详解编程语言

继承和多态

在OOP程序设计中，当我们定义一个class的时候，可以从某个现有的class继承，新的class称为子类（Subclass），而被继承的class称为基类、父类或超类（Base class、Super class）。

比如，我们已经编写了一个名为Animal的class，有一个run()方法可以直接打印：

class Animal(object): 
    def run(self): 
        print('Animal is running...')

当我们需要编写Dog和Cat类时，就可以直接从Animal类继承：

class Dog(Animal): 
    pass 
 
class Cat(Animal): 
    pass

对于Dog来说，Animal就是它的父类，对于Animal来说，Dog就是它的子类。Cat和Dog类似。

继承有什么好处？最大的好处是子类获得了父类的全部功能。由于Animial实现了run()方法，因此，Dog和Cat作为它的子类，什么事也没干，就自动拥有了run()方法：

dog = Dog() 
dog.run() 
 
cat = Cat() 
cat.run()

运行结果如下：

Animal is running... 
Animal is running...

当然，也可以对子类增加一些方法，比如Dog类：

class Dog(Animal): 
 
    def run(self): 
        print('Dog is running...') 
 
    def eat(self): 
        print('Eating meat...')

继承的第二个好处需要我们对代码做一点改进。你看到了，无论是Dog还是Cat，它们run()的时候，显示的都是Animal is running...，符合逻辑的做法是分别显示Dog is running...和Cat is running...，因此，对Dog和Cat类改进如下：

class Dog(Animal): 
 
    def run(self): 
        print('Dog is running...') 
 
class Cat(Animal): 
 
    def run(self): 
        print('Cat is running...')

再次运行，结果如下：

Dog is running... 
Cat is running...

多态：当子类和父类都存在相同的run()方法时，我们说，子类的run()覆盖了父类的run()，在代码运行的时候，总是会调用子类的run()。这样，我们就获得了继承的另一个好处：多态。

要理解什么是多态，我们首先要对数据类型再作一点说明。当我们定义一个class的时候，我们实际上就定义了一种数据类型。我们定义的数据类型和Python自带的数据类型，比如str、list、dict没什么两样：

a = list() # a是list类型 
b = Animal() # b是Animal类型 
c = Dog() # c是Dog类型

判断一个变量是否是某个类型可以用isinstance()判断：

>>> isinstance(a, list) 
True 
>>> isinstance(b, Animal) 
True 
>>> isinstance(c, Dog) 
True

看来a、b、c确实对应着list、Animal、Dog这3种类型。

但是等等，试试：

>>> isinstance(c, Animal) 
True

看来c不仅仅是Dog，c还是Animal！

不过仔细想想，这是有道理的，因为Dog是从Animal继承下来的，当我们创建了一个Dog的实例c时，我们认为c的数据类型是Dog没错，但c同时也是Animal也没错，Dog本来就是Animal的一种！

所以，在继承关系中，如果一个实例的数据类型是某个子类，那它的数据类型也可以被看做是父类。但是，反过来就不行：

>>> b = Animal() 
>>> isinstance(b, Dog) 
False

Dog可以看成Animal，但Animal不可以看成Dog。

要理解多态的好处，我们还需要再编写一个函数，这个函数接受一个Animal类型的变量：

def run_twice(animal): 
    animal.run() 
    animal.run()

当我们传入Animal的实例时，run_twice()就打印出：

>>> run_twice(Animal()) 
Animal is running... 
Animal is running...

当我们传入Dog的实例时，run_twice()就打印出：

>>> run_twice(Dog()) 
Dog is running... 
Dog is running...

当我们传入Cat的实例时，run_twice()就打印出：

>>> run_twice(Cat()) 
Cat is running... 
Cat is running...

看上去没啥意思，但是仔细想想，现在，如果我们再定义一个Tortoise类型，也从Animal派生：

class Tortoise(Animal): 
    def run(self): 
        print('Tortoise is running slowly...')

当我们调用run_twice()时，传入Tortoise的实例：

>>> run_twice(Tortoise()) 
Tortoise is running slowly... 
Tortoise is running slowly...

你会发现，新增一个Animal的子类，不必对run_twice()做任何修改，实际上，任何依赖Animal作为参数的函数或者方法都可以不加修改地正常运行，原因就在于多态。

多态的好处就是，当我们需要传入Dog、Cat、Tortoise……时，我们只需要接收Animal类型就可以了，因为Dog、Cat、Tortoise……都是Animal类型，然后，按照Animal类型进行操作即可。由于Animal类型有run()方法，因此，传入的任意类型，只要是Animal类或者子类，就会自动调用实际类型的run()方法，这就是多态的意思：

对于一个变量，我们只需要知道它是Animal类型，无需确切地知道它的子类型，就可以放心地调用run()方法，而具体调用的run()方法是作用在Animal、Dog、Cat还是Tortoise对象上，由运行时该对象的确切类型决定，这就是多态真正的威力：调用方只管调用，不管细节，而当我们新增一种Animal的子类时，只要确保run()方法编写正确，不用管原来的代码是如何调用的。这就是著名的“开闭”原则：

对扩展开放：允许新增Animal子类；

对修改封闭：不需要修改依赖Animal类型的run_twice()等函数。

继承还可以一级一级地继承下来，就好比从爷爷到爸爸、再到儿子这样的关系。而任何类，最终都可以追溯到根类object，这些继承关系看上去就像一颗倒着的树。比如如下的继承树：

                ┌───────────────┐ 
                │    object     │ 
                └───────────────┘ 
                        │ 
           ┌────────────┴────────────┐ 
           │                         │ 
           ▼                         ▼ 
    ┌─────────────┐           ┌─────────────┐ 
    │   Animal    │           │    Plant    │ 
    └─────────────┘           └─────────────┘ 
           │                         │ 
     ┌─────┴──────┐            ┌─────┴──────┐ 
     │            │            │            │ 
     ▼            ▼            ▼            ▼ 
┌─────────┐  ┌─────────┐  ┌─────────┐  ┌─────────┐ 
│   Dog   │  │   Cat   │  │  Tree   │  │ Flower  │ 
└─────────┘  └─────────┘  └─────────┘  └─────────┘