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封装#xff1a;封装是把数据和操作数据的方法绑定在一起#xff0c;对数据的访问只能通过已定义的接口。这可以保护数据不被外部程序直接访问或修改#xff0c;增强数据的安全性。继承#xff1a;继承是一种联结类的层次模型#xff0c;并且允许…一、面向对象的主要特点
封装封装是把数据和操作数据的方法绑定在一起对数据的访问只能通过已定义的接口。这可以保护数据不被外部程序直接访问或修改增强数据的安全性。继承继承是一种联结类的层次模型并且允许和鼓励类的重用提供一种明确表达共性的方法。子类可以继承父类的属性和方法这样可以减少代码的重复提高代码的复用性。多态多态是指允许不同类的对象对同一消息做出响应。多态性包括参数化多态性和包含多态性。参数化多态性是指一个操作可以被多个不同的对象所调用这些操作将产生不同的结果而包含多态性则指当一个操作调用被子类对象覆盖时调用操作所得到的结果与操作所期望的结果相同。抽象抽象是一种忽略主题中与当前目标无关的东西专注的注意与当前目标有关的方面。它包括数据抽象和过程抽象。数据抽象表示世界中一类事物的特征就是对象的属性过程抽象表示世界中一类事物的行为就是对象的行为。
二、多态性可以通过覆盖、接口实现以及运算符和函数的多种形式来实现。
让我们比较一下C、Python和Java中的多态
C 的多态
在C中多态通常通过继承和虚函数、纯虚函数实现。一个基类定义虚拟函数而派生类子类可以覆盖重写这个函数来提供自己的实现。当你使用基类指针或引用调用虚拟函数时C运行时通过虚函数表vtable解析出正确的函数版本来执行这称为动态多态。
#include iostream
using namespace std;class Animal {
public:virtual void speak() 0; // 纯虚函数使得Animal是一个抽象类
};class Dog : public Animal {
public:void speak() override {cout Woof! endl;}
};class Cat : public Animal {
public:void speak() override {cout Meow! endl;}
};int main() {Animal *animal1 new Dog();Animal *animal2 new Cat();animal1-speak(); // 输出Woof!animal2-speak(); // 输出Meow!delete animal1;delete animal2;return 0;
}
此处Animal是一个含有纯虚函数抽象方法的基类Dog和Cat是它的派生类它们各自提供了speak()函数的实现。在运行时即使是通过Animal类型的指针调用speak()方法也会调用正确的实现。
Python 的多态
由于Python是动态类型的语言它不需要特殊语法来实现多态它天然支持多态。在Python中多态意味着只要对象实现了正确的方法就可以对它执行相应的操作。
class Animal:def speak(self):pass # 实际中通常会有一些实现或者抛出NotImplementedError异常class Dog(Animal):def speak(self):return Woof!class Cat(Animal):def speak(self):return Meow!animals [Dog(), Cat()]for animal in animals:print(animal.speak())
在这个例子中不同的Animal子类被放在同一个列表中并在运行时通过它们共有的方法speak()调用它们。每个对象根据其具体类型自动地调用正确的方法。
Java 的多态
Java中的多态主要是通过接口和继承实现的类似于C。Java的接口比C的抽象类更加明确地定义了哪些方法必须被实现。
Java中可以使用abstract关键字定义抽象类和抽象方法抽象类不能被实例化只能被继承。
interface Animal {void speak();
}class Dog implements Animal {public void speak() {System.out.println(Woof!);}
}class Cat implements Animal {public void speak() {System.out.println(Meow!);}
}public class PolymorphismDemo {public static void main(String[] args) {Animal animal1 new Dog();Animal animal2 new Cat();animal1.speak(); // 输出Woof!animal2.speak(); // 输出Meow!}
}
与C类似Java在编译时不知道具体调用哪个类的speaks方法而是在运行时决定。这使得你可以写出更通用的代码它可以与任何实现了Animal接口的类一起工作。
总结比较
- 类和接口的继承C、Python和Java都支持通过继承实现多态。
- 动态多态性C需要显式声明虚函数来启用动态多态性Python没有声明因为它是动态类型的语言天然支持多态Java在运行时通过其动态方法调用机制也支持动态多态性。
- 抽象类和接口C中通过带有纯虚函数的类来实现抽象类Python可以通过abc模块定义抽象基类Java使用interface关键字定义接口并且可以通过抽象类实现部分功能。 - 编码风格C是静态类型并且支持多范式编程Python是动态类型、解释型的语言支持多种编程风格Java是静态类型、面向对象的编程语言。
三、C/python/java的接口
C、Python和Java三种语言对于接口的处理有着不同的方法与概念。
C 接口
C没有专门的接口概念但通常使用抽象类来模拟接口。抽象类是包含至少一个纯虚函数pure virtual function的类该函数必须在派生类中实现。C中的接口可以包含成员变量和函数的实现。
class IAnimal {
public:virtual ~IAnimal() {}virtual void speak() 0; // 纯虚函数
};class Dog : public IAnimal {
public:void speak() override {cout Woof! endl;}
};
在这个例子中IAnimal充当了接口的角色所有的动物类都必须继承这个类并覆写speak方法。
Python 接口
Python使用抽象基类Abstract Base ClassesABCs来模拟接口抽象基类是不能被实例化的类。这些类使用abc模块定义并使用abstractmethod装饰器来标记抽象方法。子类必须实现所有的抽象方法才能被实例化。
Python的接口通常是通过函数或方法来实现的。在Python中函数和方法是实现接口的主要方式。一个函数或方法可以被其他代码调用从而实现不同的功能。
例如Python的内置函数print()就是一个接口它接受不同的参数并按照一定的格式输出结果。我们可以通过调用print()函数来输出文本、数字、变量等内容。
from abc import ABC, abstractmethodclass IAnimal(ABC):abstractmethoddef speak(self):passclass Dog(IAnimal):def speak(self):return Woof!
IAnimal在这里定义了一个接口通过继承ABC使得任何派生类都需要实现speak方法。
Java 接口
Java具有显式的接口概念。接口可以声明方法但不能包含实现。类可以实现多个接口并必须提供所有接口方法的具体实现。Java中的接口是一种特殊的类它只能包含抽象方法、常量、字段和方法声明不能包含具体的方法实现。
需要注意的是在Java中一个类可以实现多个接口但只能继承一个类。此外接口中定义的方法默认是公开的public并且没有方法体。实现接口的类必须提供接口中所有方法的实现。如果一个类没有实现接口中的某个方法则该类必须声明为抽象类。
interface IAnimal {void speak();
}class Dog implements IAnimal {public void speak() {System.out.println(Woof!);}
}在这个例子中IAnimal是一个真正的接口。Dog类实现了IAnimal接口必须提供speak方法的实现。
注意实现接口时需要使用implements关键字并在类定义中提供接口中所有方法的实现。可以使用Override注解来标记实现接口中的方法。
比较总结
- 多继承和多实现 - C: 支持多重继承包括抽象类。 - Python: 一般不推荐多重继承但是可以实现通常使用更灵活的混入Mixin模式。 - Java: 不支持多重继承但类可以实现多个接口。
- 接口与抽象类的明确区分 - C: 无明确接口概念使用抽象类来模拟接口。
- Python: 同上通过抽象基类ABCs模拟接口。
- Java: 明确区分接口和抽象类接口可定义默认方法从Java 8开始但不能包含状态。
- 语言范型 - C: 强类型语言使用模板提供泛型编程。 - Python: 动态类型语言不需要接口即可调用任何对象的方法只要这个对象具有相应的方法。 - Java: 强类型语言使用泛型类和接口来提供泛型编程。
这些语言中只有Java有专门的接口关键字而C和Python使用抽象类来创建接口风格的代码约束。其核心思想都是一样的即定义一个不能直接实例化且含有一个或多个未实现方法的类型强制继承它的类提供这些方法的具体实现。
四、Python的abc模块
在Python中abc模块指的是抽象基类Abstract Base Classes模块。这个模块提供了一个框架允许开发者定义抽象基类并强制要求子类实现特定的方法或属性。
下面是abc模块的一些要点
- ABC这是abc模块中一个特殊的类用作所有新的抽象基类的基类。当你创建一个新的抽象基类时你的类应该直接或间接地继承自ABC。
- abstractmethod这是一个用作装饰器的函数用来指示一个方法是抽象的意即它必须在子类中被重写。如果一个类包含了被abstractmethod装饰的方法这个类就不能被实例化除非所有抽象方法都在子类中得到了实现。
- abstractproperty在Python 3.3之前abc模块也提供了abstractproperty装饰器来声明抽象属性。但在后来的版本中这个装饰器已被弃用因为你可以直接使用property与abstractmethod装饰器结合来创建一个抽象属性。
下面是使用abc模块来定义一个抽象基类和一个不完全实现了该基类的子类的示例
from abc import ABC, abstractmethodclass MyAbstractClass(ABC):abstractmethoddef do_something(self):passabstractmethoddef do_something_else(self):passclass IncompleteClass(MyAbstractClass):def do_something(self):print(Doing something!)# 尝试实例化IncompleteClass将会失败因为它没有实现所有的抽象方法
try:my_instance IncompleteClass()
except TypeError as e:print(e)class CompleteClass(MyAbstractClass):def do_something(self):print(Doing something!)def do_something_else(self):print(Doing something else!)# 正常实例化因为CompleteClass实现了所有抽象方法
my_instance CompleteClass()
my_instance.do_something()
my_instance.do_something_else()在这个示例中MyAbstractClass是一个抽象基类包含两个抽象方法。尝试实例化IncompleteClass时会抛出TypeError异常因为这个子类没有实现所有的抽象方法。CompleteClass是一个实现了所有抽象方法的子类可以被正常实例化并且可以调用这些方法。
通过使用abc模块Python开发者可以确保特定的类层级遵循一定的接口协议这有助于确保一致性和维护性。
四、在Python中由于其动态和鸭子类型的性质没有像C或Java中那样的虚函数和接口的概念。
不过Python提供了一些机制允许模拟这些概念主要是通过继承和抽象基类abstract base classes, ABCs。
模拟虚函数
在Python中所有的方法本质上都是虚拟的。这意味着你可以在子类中重写任何方法。Python会根据对象的实际类型在运行时动态查找正确的方法版本无需使用特殊语法或关键字来声明虚函数。例如
class Animal:def speak(self):raise NotImplementedError(Subclasses must implement this method)class Dog(Animal):def speak(self):return Woof!class Cat(Animal):def speak(self):return Meow!# 你可以调用speak方法Python会动态调用正确的实现
animals [Dog(), Cat()]
for animal in animals:print(animal.speak())在这个例子中Animal类中的speak方法可以看作是一个虚拟方法因为它的期望是子类将提供自己的实现。尝试调用Animal类的实例的speak方法将引发NotImplementedError异常。
模拟接口
Python通过抽象基类提供了模拟接口的机制。你可以使用abc模块创建一个包含抽象方法的类这些方法必须在任何继承该抽象基类的非抽象子类中实现
from abc import ABC, abstractmethodclass Speaker(ABC):abstractmethoddef speak(self):passclass Dog(Speaker):def speak(self):return Woof!class Cat(Speaker):def speak(self):return Meow!# 注意尝试直接实例化Speaker将会引发TypeError因为它包含抽象方法speak
try:speaker Speaker()
except TypeError as e:print(e)dog Dog()
print(dog.speak()) # 正常工作因为Dog实现了speak方法
在这个例子中Speaker类充当了一个接口的角色规定了Speaker后代必须实现的speak抽象方法。任何不实现这些抽象方法的子类都不能被实例化。
总结Python没有正式的接口和虚函数机制但使用抽象基类和重写方法你可以获得类似的功能。
五、什么是python的鸭子类型
鸭子类型Duck Typing是Python等动态类型语言中的一种类型系统特性它强调对象的行为和能力而不是对象的实际类型。这个概念来自于James Whitcomb Riley提出的“鸭子测试”如果它看起来像鸭子游泳像鸭子而且叫声像鸭子那么它可能就是一只鸭子。
在编程语境中鸭子类型意味着当我们期望一个对象支持特定的方法或行为时我们不关心这个对象的类型是什么只关心它是否能做我们要求它做的事。如果一个对象实现了所需的方法或属性我们就认为它可以在该场景下使用不管它的实际类型是什么。
以下是一个鸭子类型的Python示例
class Duck:def quack(self):print(Quack, quack!)class Person:def quack(self):print(Im quacking like a duck!)def make_them_quack(duck):duck.quack()# 尽管Duck和Person是不同的类型但它们都实现了quack方法
make_them_quack(Duck()) # 输出: Quack, quack!
make_them_quack(Person()) # 输出: Im quacking like a duck!
在上面的代码中make_them_quack函数期望传入的对象有一个quack方法。它不关心对象是Duck类的实例还是Person类的实例或者是任何其他类型的实例——只要对象能响应quack调用它就可以工作。
鸭子类型的优点是提供了极大的灵活性让代码更加通用和可重用。不过它同时要求程序员清楚地知道对象应该具有哪些行为并假设这些行为在对象间是兼容的。使用鸭子类型还可能会导致一些难以调试的问题因为错误可能仅在运行时通过失败的方法调用暴露出来。
六、多态和动态绑定是两个关系紧密但又有所区别的概念在面向对象编程中扮演着重要的角色。
多态
多态性是指能够根据使用对象的实际类型来调用相应的方法。它意味着同一个方法或函数调用可以作用于不同类型的对象上而具体调用的方法实现则取决于对象的实际类型。多态性允许以一个统一的接口来操作不同的基础形态数据类型。在Python中多态是隐式的因为Python不要求表明对象必须是特定类型才能调用方法只要对象有符合的方法即可调用这种称为鸭子类型
def animal_sound(animal):print(animal.speak()) # 希望animal有一个speak方法class Dog:def speak(self):return Woof!class Cat:def speak(self):return Meow!# 不同类型的动物都可以用animal_sound函数打印出声音
animal_sound(Dog()) # 输出: Woof!
animal_sound(Cat()) # 输出: Meow!
在上面的例子中animal_sound函数能够接受任意类型的animal对象只要该对象实现了speak方法。Dog和Cat具有不同的speak实现程序在运行时根据传入对象的实际类型来调用相应的speak方法这就是多态性的体现。
动态绑定
动态绑定是多态性的一种机制。它指的是方法和属性的绑定是在运行时进行的而不是在编译时。在动态绑定语言中当你调用一个对象的方法时解释器或虚拟机将根据对象的实际类型来确定应调用的方法实现。这种动态特性增强了语言的灵活性并且可以处理在编写代码时未知的未来扩展。
在上面的animal_sound例子中animal.speak()的具体调用是在运行时动态决定的。当你执行animal_sound(Dog())时speak方法的调用会绑定到Dog类的Dog.speak实现。而当你执行animal_sound(Cat())时speak的调用则会绑定到Cat类的Cat.speak实现。
总结多态是一个更广泛的概念即根据对象的实际类型来执行相应的方法而动态绑定是实现多态的一种机制通过在运行时确定对象类型来绑定和执行具体的方法。在许多面向对象的动态语言中包括Python这两者通常一起工作以实现灵活和动态的行为。
七、方法和属性的绑定可以在编译时静态绑定或运行时动态绑定进行这取决于编程语言的类型系统。
静态绑定编译时绑定
在一些静态类型语言中如C、C# 或 Java方法和属性的绑定通常在编译时确定。这意味着编译器就能够知道一个方法或属性调用解析到的具体实现。因此所有类型的检查和绑定在编译过程中完成运行时效率较高但牺牲了一些灵活性。
C 示例
class Dog {
public:void bark() { std::cout Woof! std::endl; }
};int main() {Dog myDog;myDog.bark(); // 编译时就确定了bark方法调用对应Dog类中的bark方法。return 0;
}
在C中当你调用myDog.bark()时编译器在编译时就会将该调用绑定到Dog::bark方法上。
动态绑定运行时绑定
在动态类型语言中如Python、Ruby 或 JavaScript方法和属性绑定在运行时发生。这种语言在执行过程中检查对象的类型并查找相应的方法或属性。这种机制提供了很大的灵活性和强大的多态特性但可能会导致运行时性能的额外开销。
Python 示例
class Dog:def bark(self):return Woof!class Cat:def meow(self):return Meow!def make_sound(animal):# 在运行时检查是否有正确的方法或属性if hasattr(animal, bark):print(animal.bark())elif hasattr(animal, meow):print(animal.meow())dog Dog()
cat Cat()make_sound(dog) # 在运行时确定dog有没有bark方法
make_sound(cat) # 在运行时确定cat有没有meow方法
在Python示例中make_sound函数接受任何对象作为输入并在运行时动态地检查提供的对象是否具有期望的方法。如果有则会调用相应的方法。
对比
静态类型语言的优点是它们能够在编译时捕获类型错误和方法不存在的问题这提高了代码安全性和效率。动态类型语言的优点是灵活和易于使用可以轻松地实现不同类型的对象。缺点是它们可能导致运行时错误并且有时会因动态查找而性能较差。
总而言之静态绑定和动态绑定各有优势和劣势通常选择什么类型的绑定取决于特定场景下对性能、安全性和灵活性的不同需求。
八、对比C中的虚函数运行时绑定和非虚函数编译时绑定。
在C中虚函数是一种运行时绑定也称为动态绑定的机制。当你调用一个虚函数时C使用虚函数表vtable机制在运行时确定应该调用哪个函数。这允许子类通过覆盖override虚函数来改变函数的行为即使是通过基类的指针或引用进行调用。
让我们来对比一下C中的虚函数运行时绑定和非虚函数编译时绑定。
编译时绑定
class Base {
public:void NonVirtualFunction() {cout Base NonVirtualFunction called endl;}
};class Derived : public Base {
public:void NonVirtualFunction() {cout Derived NonVirtualFunction called endl;}
};Base* basePtr new Derived();
basePtr-NonVirtualFunction(); // 调用 Base 的 NonVirtualFunction输出 Base NonVirtualFunction called在这个例子中NonVirtualFunction不是虚函数。这意味着编译器在编译时决定调用哪个版本的函数而不管实际的对象类型。因此调用总是定向到Base类中定义的NonVirtualFunction。
运行时绑定
class Base {
public:virtual void VirtualFunction() {cout Base VirtualFunction called endl;}
};class Derived : public Base {
public:void VirtualFunction() override {cout Derived VirtualFunction called endl;}
};Base* basePtr new Derived();
basePtr-VirtualFunction(); // 调用 Derived 的 VirtualFunction输出 Derived VirtualFunction called
在这个例子中VirtualFunction是虚函数。这意味着它的调用将被推迟到程序运行时此时可以确定对象的实际类型是Derived。因此Derived类的版本被调用。
C中没有正式接口的概念但通过纯虚函数可以实现类似接口的行为
class Interface {
public:virtual void InterfaceFunction() 0; // 纯虚函数和接口中的方法类似
};class Implementation : public Interface {
public:void InterfaceFunction() override {cout Implementation of InterfaceFunction endl;}
};Interface* intf new Implementation();
intf-InterfaceFunction(); // 调用 Implementation 的 InterfaceFunction输出 Implementation of InterfaceFunction
在这个例子中Interface类中的InterfaceFunction是纯虚函数这使得Interface成为了一个抽象类不能被实例化与接口类似。Implementation提供了InterfaceFunction的具体实现。
总而言之C中通过虚函数实现运行时绑定而编译时绑定则用于非虚函数。这对于实现多态至关重要。
九、接口和抽象类
接口和抽象类都是面向对象编程中用于实现多态性的重要工具它们具有一些相似之处但也存在一些显著的区别。以下是它们之间的主要区别
定义和用法接口是一种引用类型它是方法的集合但没有方法的实现。接口定义了对象之间如何通信的契约。抽象类是一种特殊的类它不能被实例化只能被其他类继承。抽象类可以包含抽象方法和非抽象方法。实现/继承在Java等语言中一个类可以实现多个接口但只能继承一个抽象类。实现接口时类必须实现接口中定义的所有方法。继承抽象类时子类可以选择性地覆盖父类的抽象方法。方法实现接口中的方法都是抽象的没有方法体。抽象类中既可以包含抽象方法没有方法体也可以包含非抽象方法有方法体。访问修饰符接口中的方法默认使用public修饰符而抽象类中的方法可以使用多种访问修饰符如public、protected、private等。字段定义接口中可以定义常量默认为public static final但不能定义实例字段。抽象类中可以定义实例字段、静态字段和常量。设计理念接口主要用于定义行为强调“能做什么”是一种“契约式”编程。抽象类则更关注对象的共同特性和行为强调“是什么”是一种“模板式”编程。
总的来说接口和抽象类在面向对象编程中各有优势适用于不同的场景。接口更适合定义行为契约和跨继承层次的结构而抽象类则更适合表示具有共同特性和行为的对象集合。
在Java中接口和抽象类都是用于实现多态性的重要工具。以下是它们的使用方法
接口的使用
定义接口使用interface关键字定义接口接口中可以定义抽象方法没有方法体和常量。
public interface MyInterface {
void method1(); // 抽象方法
int constant1 10; // 常量
}
实现接口类可以实现一个或多个接口实现接口时需要实现接口中定义的所有方法。
public class MyClass implements MyInterface {
public void method1() {
// 实现抽象方法
}
}
使用接口通过接口引用变量可以调用接口中定义的方法。
MyInterface obj new MyClass();
obj.method1();
抽象类的使用
定义抽象类使用abstract关键字定义抽象类抽象类中可以定义抽象方法和非抽象方法。
public abstract class MyAbstractClass {
public abstract void method1(); // 抽象方法
public void method2() { // 非抽象方法
// 实现非抽象方法
}
}
继承抽象类其他类可以继承抽象类并实现抽象类中的抽象方法。如果子类没有实现所有抽象方法则子类必须声明为抽象类。
public class MyConcreteClass extends MyAbstractClass {
public void method1() {
// 实现抽象方法
}
}
使用抽象类通过继承抽象类的子类对象可以调用子类中的方法和父类中的非抽象方法。
MyConcreteClass obj new MyConcreteClass();
obj.method1(); // 调用子类中的方法
obj.method2(); // 调用父类中的非抽象方法
十、多态性和接口
多态性是指一个接口多种形态的实现。在Java中多态性主要体现在父类引用指向子类对象时通过方法的重写实现行为的多态。多态的体现是当父类引用调用成员变量时编译和运行都看左边调用成员方法时编译看左边运行看右边。
接口是一种特殊的抽象类包含常量与方法的定义没有变量和方法的实现。接口可以继承其他的接口并添加新的属性和抽象方法一个类可以实现多个无关的接口。
总的来说多态性是一种表现形式它描述了父类引用指向子类对象时同一个方法具有不同的实现方式。而接口是一种特殊的抽象类它定义了功能集合是一种完全抽象的类。 相关链接
多态 - 廖雪峰的官方网站
