Python基础之接口——从协议到抽象基类

导语：本文章记录了本人在学习Python基础之面向对象篇的重点知识及个人心得，打算入门Python的朋友们可以来一起学习并交流。

本文重点：

1、协议是Python中非正式的接口；
2、了解抽象基类的基本概念以及标准库中的抽象基类；
3、掌握抽象基类的使用方法。

一、协议的高度动态本性

1、协议与接口的基本概念

协议：是Python中非正式的接口，是令Python这种动态类型语言实现多态的方式。
接口：泛指实体把自己提供给外界的一种抽象化物（可以为另一实体），用以由内部操作分离出外部沟通方法，使其能被内部修改而不影响外界其他实体与其交互的方式。
类的接口：类实现或继承的公开属性（方法或数据属性），包括特殊方法，如__getitem__或__add__。

2、协议是非正式的

协议是非正式的，只由文档和约定定义，不具备强制性。
以序列协议为例，假设我们想实现迭代以及in运算，通常需要__iter__和__contains__方法，但事实上只实现__getitem__方法也可以。原因在于当Python发现没有__iter__和__contains__可用时，会转而调用__getitem__方法设法让迭代和in运算符可用。
小结：部分实现协议是有用的。

3、使用猴子补丁在运行时实现协议

在运行时修改类或模块而不改动源码，从而实现目标协议接口的操作就是打猴子补丁。

二、抽象基类

1、基本概念

鸭子类型(duck typing)：不关注对象的类型，而是关注对象具有的行为(方法)。鸭子类型像多态一样工作，但是没有继承。
在鸭子类型中，协议风格的接口与继承完全没有关系，实现同一个协议的各个类是相互独立的。

白鹅类型(goose typing)：只要cls是抽象基类，即cls的元类是abc.ABCMeta,就可以使用isinstance(obj,cls)。

抽象基类（abstract base class,ABC）：抽象基类就是类里定义了纯虚成员函数的类。纯虚函数只提供了接口，并没有具体实现。抽象基类不能被实例化(不能创建对象)，通常是作为基类供子类继承，子类中重写虚函数，实现具体的接口。简言之，ABC描述的是至少使用一个纯虚函数的接口，从ABC派生出的类将根据派生类的具体特征，使用常规虚函数来实现这种接口。

2、标准库中的抽象基类

（1）collections.abc中抽象基类
collections.abc模块中各个抽象基类的UML类图如下所示：

• Iterable、 Container 和 Sized
  各个集合应该继承这三个抽象基类， 或者至少实现兼容的协议。
  Iterable 通过 __iter__ 方法支持迭代；
Container 通过__contains__ 方法支持 in 运算符；
Sized 通过 __len__ 方法支持len() 函数。
• Sequence、 Mapping 和 Set
  这三个是主要的不可变集合类型， 而且各自都有可变的子类。
• MappingView
  在 Python 3 中， 映射方法 .items()、 .keys() 和 .values() 返回的对象分别是 ItemsView、 KeysView 和 ValuesView 的实例。 前两个类还从 Set 类继承了丰富的接口，涉及集合的全部运算符。
• Callable 和 Hashable
  这两个抽象基类与集合没有太大的关系，只不过因为collections.abc 是标准库中定义抽象基类的第一个模块， 而它们又太重要了，因此才把它们放到 collections.abc 模块中。Callable 或 Hashable 的子类非常少见。这两个抽象基类的主要作用是为内置函数 isinstance 提供支持,以一种安全的方式判断对象能不能调用或散列。
• Iterator
  是 Iterable 的子类。

(2)numbers包中的数字塔
按照自上而下的线性结构，Number是位于最顶端的超类，详细排序如下：

• Number
• Complex
• Real
• Rational
• Integral

例如，检查一个数是否是整数，可以使用isinstance(x,numbers.Integral)。

三、抽象基类的使用

1、通过继承声明抽象基类

声明抽象基类最简单的方式是继承abc.ABC或其他抽象基类：Class Student(abc.ABC)
注意：在Python3.0~3.3之间，继承抽象基类的语法是：Class Student(metaclass=abc.ABCMeta)。

2、判断子类是否符合接口定义

在定义抽象基类的子类时，子类需要将继承的抽象基类中的抽象方法具体实现。

3、声明虚拟子类实现抽象基类的接口

虚拟子类：指的是不通过继承而利用注册把一个类变成抽象基类的子类。
注册虚拟之类的方式是调用register方法，语法是@抽象基类名称.register。
经注册后的虚拟子类可以被issubclass和isinstance等函数识别，但是注册的类不会从抽象基类中继承任何方法或属性。具体可通过类属性__mro__查看类的真实继承关系。

四、其它

1、抽象基类中声明抽象类方法需要使用@abc.abstractmethod标记，并且在@abc.abstractmethod和def之间不能有其他装饰器。
2、内省类的继承关系的方法：
__subclasses__()：返回类的直接子类列表，不含虚拟子类。
__abcregistry：抽象基类独有的属性，是抽象类注册的虚拟子类的弱引用。
3、__subclasshook__：令抽象基类识别没有进行子类化和注册的类，此方法在abc.Sized中有应用。