如何在Python中正確使用static、class、abstract方法

方法在Python中是如何工作的

方法就是一個函數，它作為一個類屬性而存在，你可以用如下方式來聲明、訪問一個函數：

>>> class Pizza(object):
...     def __init__(self, size):
...         self.size = size
...     def get_size(self):
...         return self.size
...
>>> Pizza.get_size
<unbound method Pizza.get_size>

Python在告訴你，屬性get_size是類Pizza的一個未綁定方法。這是什麼意思呢？很快我們就會知道答案：

>>> Pizza.get_size()
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
TypeError: unbound method get_size() must be called with Pizza instance as first argument (got nothing instead)

我們不能這麼調用，因為它還沒有綁定到Pizza類的任何實例上，它需要一個實例作為第一個參數傳遞進去（Python2必須是該類的實例，Python中可以是任何東西），嘗試一下：

>>> Pizza.get_size(Pizza(42))
42

太棒了，現在用一個實例作為它的的第一個參數來調用，整個世界都清靜了，如果我說這種調用方式還不是最方便的，你也會這麼認為的；沒錯，現在每次調用這個方法的時候我們都不得不引用這個類，如果不知道哪個類是我們的對象，長期看來這種方式是行不通的。

那麼Python為我們做了什麼呢，它綁定了所有來自類Pizza的方法以及該類的任何一個實例的方法。也就意味著現在屬性get_size是Pizza的一個實例對象的綁定方法，這個方法的第一個參數就是該實例本身。

>>> Pizza(42).get_size
<bound method Pizza.get_size of <__main__.Pizza object at 0x7f3138827910>>
>>> Pizza(42).get_size()
42

和我們預期的一樣，現在不再需要提供任何參數給get_size，因為它已經是綁定的，它的self參數會自動地設置給Pizza實例，下面代碼是最好的證明：

>>> m = Pizza(42).get_size
>>> m()
42

更有甚者，你都沒必要使用持有Pizza對象的引用了，因為該方法已經綁定到了這個對象，所以這個方法對它自己來說是已經足夠了。

也許，如果你想知道這個綁定的方法是綁定在哪個對象上，下面這種手段就能得知：

>>> m = Pizza(42).get_size
>>> m.__self__
<__main__.Pizza object at 0x7f3138827910>
>>> # You could guess, look at this:
...
>>> m == m.__self__.get_size
True

顯然，該對象仍然有一個引用存在，只要你願意你還是可以把它找回來。

在Python3中，依附在類上的函數不再當作是未綁定的方法，而是把它當作一個簡單地函數，如果有必要它會綁定到一個對象身上去，原則依然和Python2保持一致，但是模塊更簡潔：

>>> class Pizza(object):
...     def __init__(self, size):
...         self.size = size
...     def get_size(self):
...         return self.size
...
>>> Pizza.get_size
<function Pizza.get_size at 0x7f307f984dd0>

靜態方法

靜態方法是一類特殊的方法，有時你可能需要寫一個屬於這個類的方法，但是這些代碼完全不會使用到實例對象本身，例如：

class Pizza(object):
    @staticmethod
    def mix_ingredients(x, y):
        return x + y

    def cook(self):
        return self.mix_ingredients(self.cheese, self.vegetables)

這個例子中，如果把mix_ingredients作為非靜態方法同樣可以運行，但是它要提供self參數，而這個參數在方法中根本不會被使用到。這裡的@staticmethod裝飾器可以給我們帶來一些好處：

• Python不再需要為Pizza對象實例初始化一個綁定方法，綁定方法同樣是對象，但是創建他們需要成本，而靜態方法就可以避免這些。

  >>> Pizza().cook is Pizza().cook
  False
  >>> Pizza().mix_ingredients is Pizza.mix_ingredients
  True
  >>> Pizza().mix_ingredients is Pizza().mix_ingredients
  True
  

• 可讀性更好的代碼，看到@staticmethod我們就知道這個方法並不需要依賴對象本身的狀態。

• 可以在子類中被覆蓋，如果是把mix_ingredients作為模塊的頂層函數，那麼繼承自Pizza的子類就沒法改變pizza的mix_ingredients了如果不覆蓋cook的話。

類方法

話雖如此，什麼是類方法呢？類方法不是綁定到對象上，而是綁定在類上的方法。

>>> class Pizza(object):
...     radius = 42
...     @classmethod
...     def get_radius(cls):
...         return cls.radius
... 
>>> 
>>> Pizza.get_radius
<bound method type.get_radius of <class '__main__.Pizza'>>
>>> Pizza().get_radius
<bound method type.get_radius of <class '__main__.Pizza'>>
>>> Pizza.get_radius is Pizza().get_radius
True
>>> Pizza.get_radius()
42

無論你用哪種方式訪問這個方法，它總是綁定到了這個類身上，它的第一個參數是這個類本身（記住：類也是對象）。

什麼時候使用這種方法呢？類方法通常在以下兩種場景是非常有用的：

• 工廠方法：它用於創建類的實例，例如一些預處理。如果使用@staticmethod代替，那我們不得不硬編碼Pizza類名在函數中，這使得任何繼承Pizza的類都不能使用我們這個工廠方法給它自己用。

  class Pizza(object):
      def __init__(self, ingredients):
          self.ingredients = ingredients
      @classmethod
      def from_fridge(cls, fridge):
          return cls(fridge.get_cheese() + fridge.get_vegetables())
  

• 調用靜態類：如果你把一個靜態方法拆分成多個靜態方法，除非你使用類方法，否則你還是得硬編碼類名。使用這種方式聲明方法，Pizza類名明永遠都不會在被直接引用，繼承和方法覆蓋都可以完美的工作。

  class Pizza(object):
      def __init__(self, radius, height):
          self.radius = radius
          self.height = height
  
      @staticmethod
      def compute_area(radius):
           return math.pi * (radius ** 2)
  
      @classmethod
      def compute_volume(cls, height, radius):
           return height * cls.compute_area(radius)
  
      def get_volume(self):
          return self.compute_volume(self.height, self.radius)
  

抽象方法

抽象方法是定義在基類中的一種方法，它沒有提供任何實現，類似於Java中接口(Interface)裡面的方法。

在Python中實現抽象方法最簡單地方式是：

class Pizza(object):
    def get_radius(self):
        raise NotImplementedError

任何繼承自Pizza的類必須覆蓋實現方法get_radius，否則會拋出異常。

這種抽象方法的實現有它的弊端，如果你寫一個類繼承Pizza，但是忘記實現get_radius，異常只有在你真正使用的時候才會拋出來。

>>> Pizza()
<__main__.Pizza object at 0x7fb747353d90>
>>> Pizza().get_radius()
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
  File "<stdin>", line 3, in get_radius
NotImplementedError

還有一種方式可以讓錯誤更早的觸發，使用Python提供的abc模塊，對象被初始化之後就可以拋出異常：

import abc

class BasePizza(object):
    __metaclass__  = abc.ABCMeta

    @abc.abstractmethod
    def get_radius(self):
         """Method that should do something."""

使用abc後，當你嘗試初始化BasePizza或者任何子類的時候立馬就會得到一個TypeError，而無需等到真正調用get_radius的時候才發現異常。

>>> BasePizza()
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
TypeError: Can't instantiate abstract class BasePizza with abstract methods get_radius

混合靜態方法、類方法、抽象方法

當你開始構建類和繼承結構時，混合使用這些裝飾器的時候到了，所以這裡列出了一些技巧。

記住，聲明一個抽象的方法，不要凝固方法的原型，這就意味著你必須實現它，但是我可以用任何參數列表來實現：

import abc

class BasePizza(object):
    __metaclass__  = abc.ABCMeta

    @abc.abstractmethod
    def get_ingredients(self):
         """Returns the ingredient list."""

class Calzone(BasePizza):
    def get_ingredients(self, with_egg=False):
        egg = Egg() if with_egg else None
        return self.ingredients + egg

這樣是允許的，因為Calzone滿足BasePizza對象所定義的接口需求。同樣我們也可以用一個類方法或靜態方法來實現：

import abc

class BasePizza(object):
    __metaclass__  = abc.ABCMeta

    @abc.abstractmethod
    def get_ingredients(self):
         """Returns the ingredient list."""

class DietPizza(BasePizza):
    @staticmethod
    def get_ingredients():
        return None

這同樣是正確的,因為它遵循抽象類BasePizza設定的契約。事實上get_ingredients方法並不需要知道返回結果是什麼，結果是實現細節，不是契約條件。

因此，你不能強制抽象方法的實現是一個常規方法、或者是類方法還是靜態方法，也沒什麼可爭論的。從Python3開始（在Python2中不能如你期待的運行，見issue5867），在abstractmethod方法上面使用@staticmethod和@classmethod裝飾器成為可能。

import abc

class BasePizza(object):
    __metaclass__  = abc.ABCMeta

    ingredient = ['cheese']

    @classmethod
    @abc.abstractmethod
    def get_ingredients(cls):
         """Returns the ingredient list."""
         return cls.ingredients

別誤會了，如果你認為它會強制子類作為一個類方法來實現get_ingredients那你就錯了，它僅僅表示你實現的get_ingredients在BasePizza中是一個類方法。

可以在抽象方法中做代碼的實現？沒錯，Python與Java接口中的方法相反，你可以在抽象方法編寫實現代碼通過super()來調用它。（譯注：在Java8中，接口也提供的默認方法，允許在接口中寫方法的實現）

import abc

class BasePizza(object):
    __metaclass__  = abc.ABCMeta

    default_ingredients = ['cheese']

    @classmethod
    @abc.abstractmethod
    def get_ingredients(cls):
         """Returns the ingredient list."""
         return cls.default_ingredients

class DietPizza(BasePizza):
    def get_ingredients(self):
        return ['egg'] + super(DietPizza, self).get_ingredients()

這個例子中，你構建的每個pizza都通過繼承BasePizza的方式，你不得不覆蓋get_ingredients方法，但是能夠使用默認機制通過super()來獲取ingredient列表。

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Python 的詳細介紹：請點這裡
Python 的下載地址：請點這裡