Python - 抽象基類

Python 中的抽象基類 (ABC) 是一個不能直接例項化的類，它旨在被子類化。ABC 透過提供所有子類都必須實現的公共介面，作為其他類的藍圖。

它們是 Python 面向物件程式設計的一個基本部分，使開發人員能夠為一組相關的類定義和強制執行一致的 API。

抽象基類的用途

以下是Python 抽象基類 的用途和功能的深入探討：

定義標準介面

抽象基類 (ABC) 允許我們為其他類定義藍圖。此藍圖確保任何從抽象基類 (ABC) 派生的類都透過提供一致的介面來實現某些方法。

以下是 Python 中定義抽象基類標準介面的示例程式碼：

from abc import ABC, abstractmethod

class Shape(ABC):
   @abstractmethod
   def area(self):
      pass

   @abstractmethod
   def perimeter(self):
      pass

強制實現

當一個類繼承自抽象基類 (ABC) 時，它必須實現所有抽象方法。如果它沒有實現，Python 將引發 TypeError。以下是 Python 中強制實現抽象基類的示例：

class Rectangle(Shape):
   def __init__(self, width, height):
      self.width = width
      self.height = height

   def area(self):
      return self.width * self.height

   def perimeter(self):
      return 2 * (self.width + self.height)

# This will work
rect = Rectangle(5, 10)

# This will raise TypeError
class IncompleteShape(Shape):
   pass

為未來的開發提供模板

在多個開發人員可能處理程式碼庫不同部分的大型專案中，抽象基類 (ABC) 非常有用。它們為開發人員提供了一個清晰的模板供遵循，從而確保一致性並減少錯誤。

促進多型性

抽象基類 (ABC) 透過支援開發能夠操作來自不同類的物件的程式碼來實現多型性，只要這些物件符合特定的介面即可。此功能簡化了程式碼的擴充套件和維護。

以下是 Python 抽象基類中促進多型性的示例：

def print_shape_info(shape: Shape):
   print(f"Area: {shape.area()}")
   print(f"Perimeter: {shape.perimeter()}")

square = Rectangle(4, 4)
print_shape_info(square)

注意：要執行上述示例程式碼，需要定義標準介面並強制實現。

抽象基類的組成部分

Python 中的抽象基類 (ABC) 包含幾個關鍵元件，使它們能夠定義和強制執行子類的介面。

這些元件包括 ABC 類、abstractmethod 裝飾器以及其他一些有助於建立和管理抽象基類的元件。以下是抽象基類的關鍵元件：

ABC 類：此類來自 Python 的抽象基類 (ABC) 模組，是建立抽象基類的基礎。任何從 ABC 派生的類都被認為是抽象基類。
'abstractmethod' 裝飾器：此裝飾器來自 abc 模組，用於將方法宣告為抽象方法。這些方法在 ABC 中沒有實現，必須在派生類中被重寫。
'ABCMeta' 元類：這是 ABC 使用的元類。它負責跟蹤哪些方法是抽象的，並確保如果任何抽象方法未實現，則無法建立抽象基類的例項。
ABC 中的具體方法：抽象基類也可以定義提供預設實現的具體方法。這些方法可以被子類使用或重寫。
例項化限制：ABC 的一個關鍵特性是，如果它們有任何抽象方法，則不能直接例項化它們。嘗試例項化具有未實現抽象方法的 ABC 將引發 'TypeError'。
子類驗證：抽象基類 (ABC) 可以使用 issubclass 函式驗證給定的類是否為子類，並可以使用 isinstance 函式檢查例項。

Python 中抽象基類的示例

以下示例展示了 ABC 如何強制執行方法實現、支援多型性併為相關的類提供清晰一致的介面：

from abc import ABC, abstractmethod

class Shape(ABC):
   @abstractmethod
   def area(self):
      pass

   @abstractmethod
   def perimeter(self):
      pass

   def description(self):
      return "I am a shape."

class Rectangle(Shape):
   def __init__(self, width, height):
      self.width = width
      self.height = height

   def area(self):
      return self.width * self.height

   def perimeter(self):
      return 2 * (self.width + self.height)

class Circle(Shape):
   def __init__(self, radius):
      self.radius = radius

   def area(self):
      import math
      return math.pi * self.radius ** 2

   def perimeter(self):
      import math
      return 2 * math.pi * self.radius

def print_shape_info(shape):
   print(shape.description())
   print(f"Area: {shape.area()}")
   print(f"Perimeter: {shape.perimeter()}")

shapes = [Rectangle(5, 10), Circle(7)]

for shape in shapes:
   print_shape_info(shape)
   print("-" * 20)

class IncompleteShape(Shape):
   pass

try:
   incomplete_shape = IncompleteShape()
except TypeError as e:
   print(e)

輸出

執行上述程式碼後，我們將得到以下輸出：

I am a shape.
Area: 50
Perimeter: 30
--------------------
I am a shape.
Area: 153.93804002589985
Perimeter: 43.982297150257104
--------------------
Can't instantiate abstract class IncompleteShape with abstract methods area, perimeter

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