Python 中的接口实现

Question

在 Java 中接口作为语法的一部分，是受严格定义的。但在 Python 中，情况却非如此。

非正式接口的实现方式：协议/鸭子类型

与 Java 不同，Python 中没有 interface 关键字来定义一个接口。在动态语言（如 Python、JavaScript）中，很多事情都是隐式的。我们更多关注的是对象的行为，而非它的类型。

当看到一只鸟走起来像鸭子、游泳起来像鸭子、叫起来也像鸭子，那么这只鸟就可以被称为鸭子。

如果我们有一个对象，它即可以像鸭子一样走路，又可以像鸭子一样嘎嘎叫，那么我们就认为这个对象是一只鸭子。这就是所谓的“ 鸭子类型（Duck typing） ”。在运行时，我们是通过调用期望的方法来替代类型检查。当方法的调用行为符合我们的预期，那么就照常往后执行。否则，我们就认为程序出现了问题。为了安全起见，我们通常使用 try...except 代码块或使用 hasattr 来检查对象是否拥有某个方法。

在 Python 中，不论是什么类型的对象，都可以通过实现预期的方法来遵循特定的接口。这种非正式（非强制性）的接口定义被称为 协议（protocol） 。这样的接口通常由文档进行说明，或由约定俗成的方式进行定义。

class Zoo:

    def __init__(self, animals):
        self.__animals = animals

    def __len__(self):
        return len(self.__animals)

    def __contains__(self, animal):
        return animal in self.__animals


zoo = Zoo(['Tiger', 'Elephant', 'Giraffe'])

# Sized protocol
print(len(zoo))

# Container protocol
print('Giraffe' in zoo)
print('Monkey' in zoo)
print('Monkey' not in zoo)

在我们上面的例子中，实现了 __len__ 和 __contains__ 方法，所以我们可以直接对 Zoo 实例使用 len 方法，使用 in 操作符检查成员。如果我们添加了 __iter__ 方法来实现迭代器协议（iterable protocol），那么我们还可以这样做：

for animal in zoo:
    print(animal)

但在还没有实现 __iter__ 方法前，我们尝试上面的迭代，将会得到以下错误：

TypeError: 'Zoo' object is not iterable

所以我们可以看到协议就像接口一样，可以通过实现协议所期望的方法来实现协议。

正式接口的实现方式：Abstract Base Classes（abc）

尽管在大多数情况下，通过协议实现接口都不会有什么问题，但在在有些情况下，通过协议或鸭子类型实现的非正式接口会导致一些问题。比如， Car 和 People 都有 move 方法，即使通过协议定义的接口是一样的，但是他们的行为却完全不同。而 Python 内置的 ABCs（Abstract Base Classes）模块就可以帮我们解决这个问题。

ABCs 的使用非常简单，我们定义的基类在其本质上就是一个抽象类，而在基类上定义的方法就是抽象方法。所以任何从该基类派生出来的类，都要实现这些抽象方法。此时，我们就可以说这些派生出的类是接口（基类）的实现类。此时我们就可以使用类型检查，来检查类是否实现了特定的接口。

现在回到我们之前的 Car 和 People 的例子，采用 ABCs 模块实现接口：

import abc


class Car(abc.ABC):

    @abc.abstractmethod
    def move(self):
        pass


class People(metaclass=abc.ABCMeta):

    @abc.abstractmethod
    def move(self):
        pass


class Benz(Car):

    def move(self):
        print('奔驰嘟嘟嘟')


class Chinese(People):

    def move(self):
        print('昂首挺胸嗒嗒嗒')


@Car.register
class BMW:
    pass


benz = Benz()
benz.move()

chinese = Chinese()
chinese.move()

print(f'奔驰是汽车吗？{isinstance(benz, Car)}')
print(f'中国人是汽车吗？{isinstance(chinese, Car)}')

print(f'奔驰是人类吗？{isinstance(benz, People)}')
print(f'中国人是人类吗？{isinstance(chinese, People)}')

bmw = BMW()
print(f'宝马是汽车吗？{issubclass(BMW, Car)}')

参考链接

• Interfaces in Python: Protocols and ABCs · Abu Ashraf Masnun
• 鸭子类型 - 维基百科，自由的百科全书
• abc — Abstract Base Classes — Python 3.8.1 documentation