Python编程：接口

1.Python文化中的接口和协议

        在python中，我们把协议定义为非正式的接口，是让Python这种动态类型语言实现多态的方式。那么，接口在动态类型语言中是怎么运作的呢？

        首先，基本的事实是，Python语言没有interface关键字，而且，除了抽象基类，每个类都有接口：类实现和继承的公开属性，包括特殊方法，如：_getitem_和_add_。按照定义，受保护的属性和私有属性不在接口中：即便是受保护的属性，也只能采用命名约定实现，私有属性可以轻松访问。

        其次，不要觉得把公开数据属性放入对象的接口中不妥，因为如果需要总能实现读值方法和设值方法，把数据属性变成特性，使用obj.attr句法的客户代码不受到影响。

class Vector2d:    typecode = 'd'        def __init__(self, x, y):        self.x = float(x)        self.y = float(y)            def __iter__(self):        return  (i for i in (self.x, self.y))    class Vector2d:    typecode = 'd'    def __init__(self, x, y):        self.x = float(x)        self.y = float(y)    @property    def x(self):        return self._x        @property    def y(self):        return self._y        def __iter__(self):        return (i for i in (self.x, self.y))

        上面的代码中，第一段中x、y是公开的数据，而第二段x、y是使用特性实现的，将其变成了只读特性。这段代码是我们之前实现过的。

        其实关于接口，这里还有一个补充的实用定义：对象公开方法的子集，让对象在系统中扮演特定的角色。也就是说，接口是实现特定角色的方法集合。像Python文档中所说的文件类对象和可迭代对象就是这个意思。另外，协议与继承也没有关系，一个类可能会实现多个接口，从而让实例扮演多个角色。

        协议是接口，但不是正式的，因此协议不能像正式接口那样施加限制，一个类可能只实现部分接口，这是允许的。

2.Python喜欢序列

        Python数据模型的哲学是尽量支持基本协议。对于序列来说，即便是最简单的实现，Python也会力求做到最好。

class Foo:    def __getitem__(self, pos):        return range(0, 30, 10)[pos]f = Foo()print(f[0])print(20 in f)print(15 in f)

        在上面的实例中，定义了Foo类，它并没有继承abc.Sequence，而是只实现了序列协议的一个基本方法。通过运行代码可以发现，虽然没有_iter_方法，Foo实例也是可迭代的对象，因为存在_getitem_方法，Python会调用它，传入从零开始的整数索引，尝试迭代对象（当然，这是一种后备机制，之前讲过）。尽管没有实现_contains_方法，但是Python足够智能，等迭代Foo实例，也能运行in运算符。这一切都指向了协议的重要性。

3.是用猴子补丁在运行时实现协议

        我们之前定义过FrenchDeck类有个重大的缺陷，就是无法进行洗牌。我们不能直接使用random.shuffle来进行洗牌，因为我们定义的FrenchDeck类是不可变的序列协议，要将其变成可变的需要提供_setitem_方法。

from random import shuffledef set_card(deck, poisition, card):    deck._card[poisition] = cardFrenchDeck.__setitem__ = set_card()shuffle(deck)

        在这个实例中，我们将定义的函数赋值给FrenchDeck类的_setitem_属性，然后就可以用shuffle来进行卡牌的打乱了。

        这个实例的关键是，set_card函数要知道deck对象有一个名为_cards的属性，而且它还是可变序列。然后，我们把set_card函数赋值给_setitem_这个特殊方法，从而将这个方法依附到FrenchDeck类上。这种技术叫猴子补丁：在运行时修改类和模块，而不改动源代码。但是，打补丁的代码要与打补丁的程序十分耦合，而且要处理好隐藏和没有文档的部分。

4.定义抽象基类的子类

        在Python中，我们一般是先利用现有的抽象基类，然后在斗胆自己定义。下面我们将French

Deck2声明为collections.MutableMapping的子类。

import collectionsCard = collections.namedtuple('Card', ['rank', 'suit'])class FrenchDeck2(collections.MutableMapping):    ranks = [str(n) for n in range(2, 11)] + list('JQKA')    suits = 'spades diamonds clubs hearts'.split()    def __init__(self):        self._cards = [Card(rank, suit) for suit in self.suits for rank in self.ranks]    def __len__(self):        return len(self._cards)    def __getitem__(self, poIstion):        return self._cards[poistion]    def __setitem__(self, poistion, value):        self._cards[poistion] = value    def __delitem__(self, poistion):        del self._cards[poistion]    def insert(self, poistion, value):        self._cards.insert(poistion, value)

        为了支持洗牌，我们只需要实现_setitem_方法，同时因为是继承collections.MutableMapping类，就必须实现_delitem_方法，并且还要实现_insert_方法。

        通常，导入时，Python不会检查抽象方法的实现，在运行实例化时才会真正的检查。当检查到没有正确实现某个抽象方法时，就会抛TypeError异常。这也就是我们要定义insert等方法的原因。另外，要想实现子类，我们可以覆盖从抽象基类中继承的方法，以更高效的方式重新实现。

5.标准库中的抽象基类

        Python标准库提供了一些抽象基类。大多数抽象基类在collections.abc模块中定义，不过其它地方也会有一些。如：numbers和io包。但是总的来说，collections.abc中抽象基类最常用。

5.1collections.abc模块中的抽象基类

        在collections.abc模块中定义了16个抽象基类，简要的UML类图，如下图所示。

（1）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。

（2）Sequence、Mappling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。

（3）MappingView

        在python3中，映射方法.items()、.keys()和.values()返回的对象是ItemsView、KeysView、ValuesView的实例。前两个类还从Set类继承了丰富的接口。

（4）Callable和Hashable

        这两个抽象基类与集合没有太大关系，只不过是因为它们重要，才把它们放到该模块中。这两个抽象基类的作用是为内置函数isinstance提供支持，以一种安全的方式判断对象能不能调用或者散列。

（5）Iterator

        它是Iterable的子类，后续我们会讲到。

5.2抽象基类的数字塔

        numbers包定义的是数字塔（即各个抽象基类的层次结构是线性的）。其排序顺序如下。

6.定义并使用一个抽象基类

        为了证明有必要定义抽象基类，我们先要在框架中找到使用它的场景。想象一下下面这个场景：你要在网站和移动应用中随机显示广告，但是要在整个广告清单轮转一遍之前，不重复显示广告。假设我们构建一个广告管理框架，名为ADAM。它的职责之一是，支持用户提供随机挑选的无重复类。下面，我们将定义一个Tombola的类来实现这个功能。

import abcclass Tombola(abc.ABC):    @abc.abstractmethod    def load(self, iterable):        """从可迭代对象中添加元素"""    @abc.abstractmethod    def pick(self):        """随机删除元素，然后将其返回。如果实例为空，这个方法应该抛出LookupError"""    def loaded(self):        """如果至少有一个元素，就返回Ture"""        return bool(self.inspect())    def inspect(self):        """返回有序元组，由当前元素构成"""        items = []        while True:            try:                items.append(self.pick())            except LookupError:                break        self.load(items)        return tuple(sorted(items))

        自己定义的抽象基类要继承abc.ABC类。抽象方法使用@abstractmethod装饰器来标记，而且定义体中通常只有文档字符串，不定义具体的方法，但是，在有的情况下也需要定义具体方法，这时，抽象基类中的具体方法只能依赖抽象基类定义的接口（即只能使用抽象基类中的其它具体方法、抽象方法或特性）。根据文档字符串，如果没有元素可选，应该抛出LookupError。当我们不知道具体子类如何存储元素时，我们可以不断调用pick()方法，吧Tombola清空，再使用load()把所有元素都加进去。

6.1抽象基类句法详解

        声明抽象基类最简单的方法是继承abc.ABC或者其他抽象基类。但是，如果你使用的是旧版本的Python，并且继承现有的抽象基类不可取时，必须在class语句中使用metaclass=关键字。如下：

class Tombola(metaclass=abc.ABCmeta):

6.2定义Tombola抽象基类的子类

        定义好Tombola抽象基类后，我们会开发两个具体的子类，满足Tombola具体的接口。首先，我们先定义一个名为binGocage的具体子类。

import randomfrom tombola import Tombolaclass BingoCage(Tombola):    def __init__(self, items):        self._randomizer = random.SystemRandom()        self._items = []        self.load(items)    def load(self, items):        self._items.extend(items)        self._randomizer.shuffle(self._items)    def pick(self):        try:            return self._items.pop()        except IndexError:            raise LookupError('pick from empty BingoCage')    def __call__(self):        self.pick()

        在该段代码中，我们首先指定其为Tombola的子类，假设我们将在线上游戏使用这个。我们先使用random模块来进行随机，再使用load（）方法来进行初始加载。该类会从Tombola类中继承loaded和inspect方法，当然，我们也可以进行覆盖，使用个人能够高效的代码。

        其次，我们定义一个LotteryBlower类。

import randomfrom tombola import Tombolaclass LotteryBlower(Tombola):    def __init__(self, iterable):        self._balls = list(iterable)    def load(self, iterable):        self._balls.extend(iterable)    def pick(self):        try:            poistion = random.randrange(len(self._balls))        except ValueError:            raise LookupError('pick from empty LotteryBlower')        return self._balls.pop(poistion)    def loaded(self):        return bool(self._balls)    def inspect(self):        return tuple(sorted(self._balls))

        同样，LotteryBlower类也是为Tombola的子类。该类首先初始化方法接收任何可迭代的对象：把参数构建成列表。随后，在pick方法中检查，如果范围为空，函数会抛出ValueError，当然，我们为了兼容，抛出LookupError。如果范围不为空，就从其中随机弹出元素。最后，通过重新定义loaded和inspect方法，覆盖了原有的代码。

6.3Tombola的虚拟子类

        “白鹅”类型的一个基本特性：即便不继承，也有办法把一个类注册为抽象基类的虚拟子类。这样做时，我们保证注册的类忠实地实现了抽象基类定义的接口，而Python也会相信我们。一旦我们说谎了，就会抛出异常。

        注册虚拟子类的方法是在抽象基类上调用reGISter方法。这样做之后，注册的类就会变成抽象基类的虚拟子类，而且issubclass和isinstance等函数都能识别。但是，注册的类不会从抽象基类中继承任何属性和方法。

        register方法通常作为普通函数来进行使用，但有时也作为装饰器进行使用。如下：

from random import randrangefrom tombola import Tombola@Tombola.registerclass Tombolist(list):    def pick(self):        if self:            poistion = randrange(len(self))            return self.pick(poistion)        else:            raise LookupError('pop from empty TomboList')    load = list.extend    def loaded(self):        return bool(self)    def inspect(self):        return tuple(sorted(self))

         我们先是把Tombolist注册为Tombola的虚拟子类，又将Tombolist拓展为list，因此，用它继承list类中的方法，可以调用pop等方法。pick方法调用继承自list的pop方法，传入一个随机元素的索引。                                                                                                                                                    7.Tombola子类的测试方法                                                                                                                

        我们编写的测试实例中有两个类的属性，用它们内省类的继承关系。

（1）_subclasses_

        这个方法返回类的直接子类列表，不含虚拟子类。

（2）_abc_registry_

        只有抽象基类有这个数据属性，其值是一个WeakSet对象，即抽象类注册的虚拟子类的弱引用。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          

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