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[Python 基础课程]抽象类

news 2025/8/17 6:41:22

在 Python 中，抽象类（Abstract Class） 是一种特殊的类，它不能被直接实例化（也就是你不能直接创建它的对象），它的主要目的是作为其他类的基类（父类），来定义一组必须由子类实现的方法。

你可以把抽象类想象成一份“合同”或者“行为规范”。它规定了所有继承它的子类必须具备哪些功能（抽象方法），但它自己并不知道这些功能具体该如何实现。具体的实现细节，则留给子类去完成。

为什么需要抽象类

考虑这样一个场景：你正在开发一个图形绘制程序，里面有各种各样的图形：圆形、矩形、三角形等。它们都有一些共同的行为，比如计算面积和计算周长。

如果直接这样写：

# class Circle:
#     def calculate_area(): ...
#     def calculate_perimeter(): ...# class Rectangle:
#     def calculate_area(): ...
#     def calculate_perimeter(): ...# class Triangle:
#     def calculate_area(): ...
#     def calculate_perimeter(): ...

这看起来没问题，但如果你在代码中写了一个处理通用图形的函数：

# def print_shape_info(shape):
#     # 如果 shape 没有 calculate_area 方法，这里就会报错！
#     print(f"面积: {shape.calculate_area()}")
#     print(f"周长: {shape.calculate_perimeter()}")

你如何确保所有传入 print_shape_info 函数的 shape 对象都一定有 calculate_area() 和 calculate_perimeter() 这两个方法呢？在没有抽象类的情况下，这只能依靠程序员的约定和自律。一旦有哪个新图形类忘记实现这些方法，就会在运行时出错。

抽象类的作用就是：

定义统一接口： 强制子类实现某些特定的方法，确保所有派生类都符合预期的行为规范。
提供基础骨架： 可以在抽象类中实现一些通用方法，供子类共享，避免代码重复。
防止不完整实例化： 阻止创建没有实现所有必要功能的父类对象。

定义抽象类

Python 通过内置的 abc 模块（Abstract Base Classes）来支持抽象类。

核心要素：

ABC：抽象基类模块中的一个类，你的抽象类需要继承它。
@abstractmethod：一个装饰器，用于标记抽象类中的方法，表示这些方法必须由子类实现。

from abc import ABC, abstractmethodclass AbstractClassName(ABC): # 你的抽象类需要继承 ABC@abstractmethoddef abstract_method_one(self, param):"""这是一个抽象方法，子类必须实现它。它只有声明，没有具体的实现。"""pass # 或者 raise NotImplementedError("子类必须实现此方法")@abstractmethoddef abstract_method_two(self):"""另一个抽象方法。"""passdef concrete_method(self):"""这是一个具体方法，抽象类可以有自己的实现。子类可以选择重写或直接继承。"""print("这是一个具体方法，可以在抽象类中实现。")

我们来用抽象类解决前面提到的图形绘制问题：

from abc import ABC, abstractmethod# 定义一个抽象基类 Shape
class Shape(ABC):@abstractmethoddef calculate_area(self):"""计算图形的面积"""pass@abstractmethoddef calculate_perimeter(self):"""计算图形的周长"""passdef get_description(self):"""这是一个具体方法，子类可以直接继承"""return "这是一个通用图形。"# 实现具体的圆形类
class Circle(Shape):def __init__(self, radius):self.radius = radiusdef calculate_area(self):return 3.14159 * self.radius * self.radiusdef calculate_perimeter(self):return 2 * 3.14159 * self.radius# 实现具体的矩形类
class Rectangle(Shape):def __init__(self, length, width):self.length = lengthself.width = widthdef calculate_area(self):return self.length * self.widthdef calculate_perimeter(self):return 2 * (self.length + self.width)# 尝试创建一个没有实现所有抽象方法的类会报错
# class IncompleteShape(Shape):
#     def calculate_area(self):
#         return 0 # 只实现了一个# --- 演示与测试 ---# 无法直接实例化抽象类
# my_abstract_shape = Shape() # 这行会抛出 TypeErrorcircle = Circle(5)
rectangle = Rectangle(4, 6)print(f"圆形描述: {circle.get_description()}")
print(f"圆形面积: {circle.calculate_area()}")
print(f"圆形周长: {circle.calculate_perimeter()}")print("-" * 20)print(f"矩形描述: {rectangle.get_description()}")
print(f"矩形面积: {rectangle.calculate_area()}")
print(f"矩形周长: {rectangle.calculate_perimeter()}")print("-" * 20)# 前面提到的通用函数现在可以安全使用了
def print_shape_info(shape: Shape): # 可以用类型提示增强可读性print(f"--- {type(shape).__name__} 信息 ---")print(f"描述: {shape.get_description()}")print(f"面积: {shape.calculate_area()}")print(f"周长: {shape.calculate_perimeter()}")print("-" * 20)print_shape_info(circle)
print_shape_info(rectangle)# 如果你尝试创建 IncompleteShape 的实例，会报错：
# incomplete = IncompleteShape() # TypeError: Can't instantiate abstract class IncompleteShape with abstract method calculate_perimeter

代码解释：

class Shape(ABC):：Shape 类继承自 ABC，表明它是一个抽象基类。
@abstractmethod：装饰器 calculate_area 和 calculate_perimeter 方法，强制任何继承 Shape 的子类都必须实现这两个方法。
Circle 和 Rectangle 类都继承了 Shape，并且强制性地实现了 calculate_area 和 calculate_perimeter。
get_description() 是一个具体方法，它在抽象类中提供了实现，子类可以直接继承使用，也可以根据需要重写。
当你尝试创建 Shape() 的实例时，Python 会抛出 TypeError，因为它是抽象类，不能直接实例化。
当你尝试创建 IncompleteShape() 的实例时，即使它继承了 Shape，但由于没有实现所有抽象方法，也会抛出 TypeError