Question

介绍完 Python 常规的协议风格接口后，下面讨论抽象基类。不过在分析示例和细节之前，我们要看 Alex Martelli 写的一篇短文。这篇短文说明了 Python 为什么引入抽象基类。

　非常感谢 Alex Martelli。本书引用最多的就是他说的话，后来他变成了本书的技术编辑之一。他的见解已经非常宝贵了，现在又愿意撰写这篇短文。Python 社区有他的存在真是幸运。接下来交给你了，Alex ！

水禽和抽象基类

Alex Martelli 撰

维基百科说是我协助传播了“鸭子类型”这种言简意赅的说法（即忽略对象的真正类型，转而关注对象有没有实现所需的方法、签名和语义）。

对 Python 来说，这基本上是指避免使用 isinstance 检查对象的类型（更别提 type(foo) is bar 这种更糟的检查方式了，这样做没有任何好处，甚至禁止最简单的继承方式）。

总的来说，鸭子类型在很多情况下十分有用；但是在其他情况下，随着发展，通常有更好的方式。事情是这样的……

近代，属和种（包括但不限于水禽所属的鸭科）基本上是根据表型系统学（phenetics）分类的。表征学关注的是形态和举止的相似性……主要是表型系统学特征。因此使用“鸭子类型”比喻是贴切的。

然而，平行进化往往会导致不相关的种产生相似的特征，形态和举止方面都是如此，但是生态位的相似性是偶然的，不同的种仍属不同的生态位。编程语言中也有这种“偶然的相似性”，比如说下述经典的面向对象编程示例：

class Artist:
  def draw(self): ...
   　
class Gunslinger:
  def draw(self): ...
   　
class Lottery:
  def draw(self): ...

显然，只因为 x 和 y 两个对象刚好都有一个名为 draw 的方法，而且调用时不用传入参数，即 x.draw() 和 y.draw()，远远不能确保二者可以相互调用，或者具有相同的抽象。也就是说，从这样的调用中不能推导出语义相似性。相反，我们需要一位渊博的程序员主动把这种等价维持在一定层次上。

生物（和其他学科）遇到的这个问题，迫切需要（从很多方面来说，是催生）表征学之外的分类方式解决，即支序系统学（cladistics）。这种分类学主要根据从共同祖先那里继承的特征分类，而不是单独进化的特征。（近些年，DNA 测序变得便宜又快，这使支序学的实用地位变得更高。）

例如，草雁（以前认为与其他鹅类比较相似）和麻鸭（以前认为与其他鸭类比较相似）现在被分到 Tadornidae 亚科（表明二者的相似性比鸭科中其他动物高，因为它们的共同祖先比较接近）。此外，DNA 分析表明，白翅木鸭与美洲家鸭（属于麻鸭）不是很像，至少没有形态和举止看起来那么像，因此把木鸭单独分成了一属，完全不在 Tadornidae 亚科中。

知道这些有什么用呢？视情况而定！比如，逮到一只水禽后，决定如何烹制才最美味时，显著的特征（不是全部，例如一身羽毛并不重要）主要是口感和风味（过时的表征学），这比支序学重要得多。但在其他方面，如对不同病原体的抗性（圈养水禽还是放养），DNA 接近性的作用就大多了……

因此，参照水禽的分类学演化，我建议在鸭子类型的基础上增加白鹅类型（goose typing）。

白鹅类型指，只要 cls 是抽象基类，即 cls 的元类是 abc.ABCMeta，就可以使用 isinstance(obj, cls)。

collections.abc 中有很多有用的抽象类（Python 标准库的 numbers 模块中还有一些）。3

与具体类相比，抽象基类有很多理论上的优点（例如，参阅 Scott Meyer 写的《More Effective C++：35 个改善编程与设计的有效方法（中文版）》的“条款 33：将非尾端类设计为抽象类”，英文版见 http://ptgmedia.pearsoncmg.com/images/020163371x/items/item33.html），Python 的抽象基类还有一个重要的实用优势：可以使用 register 类方法在终端用户的代码中把某个类“声明”为一个抽象基类的“虚拟”子类（为此，被注册的类必须满足抽象基类对方法名称和签名的要求，最重要的是要满足底层语义契约；但是，开发那个类时不用了解抽象基类，更不用继承抽象基类）。这大大地打破了严格的强耦合，与面向对象编程人员掌握的知识有很大出入，因此使用继承时要小心。

有时，为了让抽象基类识别子类，甚至不用注册。

其实，抽象基类的本质就是几个特殊方法。例如：

>>> class Struggle:
...   def __len__(self): return 23
...
>>> from collections import abc
>>> isinstance(Struggle(), abc.Sized)
True

可以看出，无需注册，abc.Sized 也能把 Struggle 识别为自己的子类，只要实现了特殊方法 __len__ 即可（要使用正确的句法和语义实现，前者要求没有参数，后者要求返回一个非负整数，指明对象的长度；如果不使用规定的句法和语义实现特殊方法，如 __len__，会导致非常严重的问题）。

最后我想说的是：如果实现的类体现了 numbers、collections.abc 或其他框架中抽象基类的概念，要么继承相应的抽象基类（必要时），要么把类注册到相应的抽象基类中。开始开发程序时，不要使用提供注册功能的库或框架，要自己动手注册；如果必须检查参数的类型（这是最常见的），例如检查是不是“序列”，那就这样做：

isinstance(the_arg, collections.abc.Sequence)

此外，不要在生产代码中定义抽象基类（或元类）……如果你很想这样做，我打赌可能是因为你想“找茬”，刚拿到新工具的人都有大干一场的冲动。如果你能避开这些深奥的概念，你（以及未来的代码维护者）的生活将更愉快，因为代码会变得简洁明了。再会！

3当然，你还可以自己定义抽象基类，但是我不建议高级 Python 程序员之外的人这么做；同样，我也不建议你自己定义元类……我说的“高级 Python 程序员”是指对 Python 语言的一招一式都了如指掌，即便对这类人来说，抽象基类和元类也不是常用工具。如此“深层次的元编程”，如果可以这么讲的话，适合框架的作者使用，这样便于众多不同的开发团队独立扩展框架……真正需要这么做的“高级 Python 程序员”不超过 1%。——Alex Martelli

除了提出“白鹅类型”之外，Alex 还指出，继承抽象基类很简单，只需要实现所需的方法，这样也能明确表明开发者的意图。这一意图还能通过注册虚拟子类来实现。

此外，使用 isinstance 和 issubclass 测试抽象基类更为人接受。过去，这两个函数用来测试鸭子类型，但用于抽象基类会更灵活。毕竟，如果某个组件没有继承抽象基类，事后还可以注册，让显式类型检查通过。

然而，即便是抽象基类，也不能滥用 isinstance 检查，用得多了可能导致代码异味，即表明面向对象设计得不好。在一连串 if/elif/elif 中使用 isinstance 做检查，然后根据对象的类型执行不同的操作，通常是不好的做法；此时应该使用多态，即采用一定的方式定义类，让解释器把调用分派给正确的方法，而不使用 if/elif/elif 块硬编码分派逻辑。

　具体使用时，上述建议有一个常见的例外：有些 Python API 接受一个字符串或字符串序列；如果只有一个字符串，可以把它放到列表中，从而简化处理。因为字符串是序列类型，所以为了把它和其他不可变序列区分开，最简单的方式是使用 isinstance(x, str) 检查。4

4可惜，在 Python 3.4 中没有能把字符串和元组或其他不可变序列区分开的抽象基类，因此必须测试 str。在 Python 2 中，basestr 类型可以协助这样的测试。basestr 不是抽象基类，但它是 str 和 unicode 的超类；然而，Python 3 把 basestr 去掉了。奇怪的是，Python 3 中有个 collections.abc.ByteString 类型，但是它只能检测 bytes 和 bytearray 类型。

另一方面，如果必须强制执行 API 契约，通常可以使用 isinstance 检查抽象基类。“老兄，如果你想调用我，必须实现这个”，正如本书技术审校 Lennart Regebro 所说的。这对采用插入式架构的系统来说特别有用。在框架之外，鸭子类型通常比类型检查更简单，也更灵活。

例如，本书有几个示例要使用序列，把它当成列表处理。我没有检查参数的类型是不是 list，而是直接接受参数，立即使用它构建一个列表。这样，我就可以接受任何可迭代对象；如果参数不是可迭代对象，调用立即失败，并且提供非常清晰的错误消息。本章后面示例 11-13 中的代码就是这么做的。当然，如果序列太长或者需要就地修改序列而导致无法复制参数，就不能采用这种方式；此时，使用 isinstance(x, abc.MutableSequence) 更好。如果可以接受任何可迭代对象，也可以调用 iter(x) 函数获得一个迭代器，详情参见 14.1.1 节。

模仿 collections.namedtuple（https://docs.python.org/3/library/collections.html#collections.namedtuple） 处理 field_names 参数的方式也是一例：field_names 的值可以是单个字符串，以空格或逗号分隔标识符，也可以是一个标识符序列。此时可能想使用 isinstance，但我会使用鸭子类型，如示例 11-7 所示。5

5这段代码摘自示例 21-2。

示例 11-7　使用鸭子类型处理单个字符串或由字符串组成的可迭代对象

try: ➊
  field_names = field_names.replace(',', ' ').split() ➋
except AttributeError: ➌
  pass ➍
field_names = tuple(field_names) ➎

❶ 假设是单个字符串（EAFP 风格，即“取得原谅比获得许可容易”）。

❷ 把逗号替换成空格，然后拆分成名称列表。

❸ 抱歉，field_names 看起来不像是字符串……没有 .replace 方法，或者返回值不能使用 .split 方法拆分。

❹ 假设已经是由名称组成的可迭代对象了。

❺ 为了确保的确是可迭代对象，也为了保存一份副本，使用所得值创建一个元组。

在那篇短文的最后，Alex 多次强调，要抑制住创建抽象基类的冲动。滥用抽象基类会造成灾难性后果，表明语言太注重表面形式，这对以实用和务实著称的 Python 可不是好事。在审阅本书的过程中，Alex 写道：

抽象基类是用于封装框架引入的一般性概念和抽象的，例如“一个序列”和“一个确切的数”。（读者）基本上不需要自己编写新的抽象基类，只要正确使用现有的抽象基类，就能获得 99.9% 的好处，而不用冒着设计不当导致的巨大风险。

下面通过实例讲解白鹅类型。