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DAY 29
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Software Development

Oops! OOPP: An Introduction to Object-Oriented Programming in Python系列 第 29 篇

Polymorphism in Python

14th鐵人賽
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今天試寫Python的多型。

Python就不必管甚麼「形式型別」和「實際型別」了

  • 前兩篇以C#為例介紹執行時期(run-time)多型。其中一大重點是「形式型別」和「實際型別」的不同與其效果。產生這個效果的源頭，是C#, Java等是靜態型別語言(statically typed language)(註1)，於編譯時期，編譯器(compiler)就確定每一個變數和函數的型別(形式型別)，從而在執行時期可以規範物件能與不能使用哪些方法。
  • 而Python的型別系統採用鴨子型別(duck type)，其實就是動態型別語言(dynamically typed language)。變數和函數的型別要在執行時期才知道，而且允許像孫行者那樣七十二變，時而整數(int)時而字串(str)毫沒問題。如此一來就不會有甚麼形式型別、實際型別之分了。
  • 再貼一次昨天的多型分類圖以便講解：
    https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20221013/20148485qDYycZm5wH.png
  • 由於Python基本上是直譯式(interpreted)語言，筆者不確定「編譯時期」和「執行時期」的說法，用在Python身上是否恰當，所以乾脆用上圖「左邊」和「右邊」來形容。
  • 筆者本來說這章只談上圖右邊部分。不過在找資料時，發現很多介紹Python多型的文章都從左邊這塊說起。筆者只好從俗，左邊部分也略談一下。

這也算是多型嗎？

  • 左邊是「同名異式」(overloading)。又可細分為「方法同名異式」(method overloading)和「運算子同名異式」(operator overloading)兩大類。運算子方面在多型第一篇(Day 27)的註解就有提及，這裡不再贅述。

  • 至於方法的同名異式，筆者已一再陳述，Python並不支援。既不支援又有甚麼好講？原來有人拿len()等標準函數為例，說len()的參數可以是個list，也可以是str(正確講法是：len()的參數要是個sequence或collection)，所以len()就是個poly-morphic函數。

  • 又例如下面的sum_2_or_3_ints()函數，可以接受兩個或者三個整數型別的參數，有人認為這也算是多型：

    def sum_2_or_3_ints(n1: int, n2: int, n3: int=0):  
    return n1 + n2 + n3  

print(sum_2_or_3_ints(3, 4))      # 7
print(sum_2_or_3_ints(2, 5, 8))   # 15

  • 好吧，多型本來就是多種型態之意，那麼有多種不同型態的多型也未嘗不可。只是筆者並不認同就是。

  • 筆者所持論點是：真正的多型是要依不同物件去執行不同方法。即使是overloading也是不同方法。但以上的標準函數len()和自訂函數sum_2_or_3_ints()，就僅此一家別無分號，說也是多型，筆者覺得似乎有點過度解釋。

Python多型的雛形：以不同類別物件作為函數參數

  • 筆者認為這或許勉強算是Python的多型起點。

    class EarthlyTree():   # 地球上的樹
    def __init__(self, breed: str, age: int):   # constructor
        is_valid_breed = True   # 判斷條件略。
        if is_valid_breed:
            self.__breed = breed
        else:
            raise Exception('Invalid breed.')

        is_valid_age = True   # 判斷條件略。
        if is_valid_age:
            self.__age = age
        else:
            raise Exception('Invalid age.')

    @property
    def breed(self) -> str:
        return self.__breed

    @breed.setter
    def breed(self, breed: str):
        is_valid_breed = True   # 判斷條件略。
        if is_valid_breed:
            self.__breed = breed
        else:
            raise Exception('Invalid breed.')

    @property
    def age(self) -> int:
        return self.__age

    @age.setter
    def age(self, breed: str):
        is_valid_age = True   # 判斷條件略。
        if is_valid_age:
            self.__age = age
        else:
            raise Exception('Invalid age.')

    def grow(self):        # 生長。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} is growing.')

    def reproduce(self):   # 繁殖。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} is reproducing.')

    def get_sick(self):     # 得病。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} is getting sick.')

    def die(self):          # 死亡(假設死亡也有「行為」)。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} is dying.')


class VenusianTree():   # 金星樹
    def __init__(self, breed: str, age: int):   # constructor
        is_valid_breed = True   # 判斷條件略。
        if is_valid_breed:
            self.__breed = breed
        else:
            raise Exception('Invalid breed.')

        is_valid_age = True   # 判斷條件略。
        if is_valid_age:
            self.__age = age
        else:
            raise Exception('Invalid age.')

    @property
    def breed(self) -> str:
        return self.__breed

    @breed.setter
    def breed(self, breed: str):
        is_valid_breed = True   # 判斷條件略。
        if is_valid_breed:
            self.__breed = breed
        else:
            raise Exception('Invalid breed.')

    @property
    def age(self) -> int:
        return self.__age

    @age.setter
    def age(self, breed: str):
        is_valid_age = True   # 判斷條件略。
        if is_valid_age:
            self.__age = age
        else:
            raise Exception('Invalid age.')

    def grow(self):        # 生長。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} grows younger and younger.')

    def reproduce(self):   # 繁殖。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} reproduces on a daily basis.')

    def get_sick(self):     # 得病。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} always revovers from illness.')

    def die(self):          # 死亡(假設死亡也有「行為」)。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} raises itself from the dead.')


class MartianTree():   # 火星樹 
    def __init__(self, breed: str, age: int):   # constructor
        is_valid_breed = True   # 判斷條件略。
        if is_valid_breed:
            self.__breed = breed
        else:
            raise Exception('Invalid breed.')

        is_valid_age = True   # 判斷條件略。
        if is_valid_age:
            self.__age = age
        else:
            raise Exception('Invalid age.')

    @property
    def breed(self) -> str:
        return self.__breed

    @breed.setter
    def breed(self, breed: str):
        is_valid_breed = True   # 判斷條件略。
        if is_valid_breed:
            self.__breed = breed
        else:
            raise Exception('Invalid breed.')

    @property
    def age(self) -> int:
        return self.__age

    @age.setter
    def age(self, breed: str):
        is_valid_age = True   # 判斷條件略。
        if is_valid_age:
            self.__age = age
        else:
            raise Exception('Invalid age.')

    def grow(self):        # 生長。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} stops growing.')

    def reproduce(self):   # 繁殖。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} does not reproduce.')

    def get_sick(self):     # 得病。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} is healthy.')

    def die(self):          # 死亡(假設死亡也有「行為」)。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} is immortal.')


# 主程式
def universe(tree: object):   # 參數可為任何物件？
      tree.grow()  
      tree.reproduce()  
      tree.get_sick()
      tree.die()

tree_on_earth = EarthlyTree('cedar', 2_500)
tree_on_venus = VenusianTree('varan', -3_000)
tree_on_mars = MartianTree('mvule', 500_000_000)

print()  
universe(tree_on_earth)
print()  
universe(tree_on_venus)
print()
universe(tree_on_mars)
print()

  • 輸出：
    https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20221014/20148485Mgp44lJP7k.png

  • 上例以不同類別的物件傳入universe()函數，達成「類多型」效果。

  • 不過這個程式存有危機，萬一傳入的物件並無grow(), reproduce(), get_sick(), die()等方法，鐵定出問題。

  • 此外，本例並未用到繼承。別忘了：真正意義的多型一定源自繼承。繼承和覆寫(overriding)是多型的基礎和預備。沒有「繼承」，很難認定那是貨真價實的「多型」。不是孕育自蚌的珍珠是真珍珠嗎？

以繼承機制實作Python多型

  • 下面就讓我們以繼承來實作多型吧：

    
from abc import ABC, abstractmethod

class Tree(ABC):
    def __init__(self, breed: str, age: int):   # constructor
        is_valid_breed = True   # 判斷條件略。
        if is_valid_breed:
            self.__breed = breed
        else:
            raise Exception('Invalid breed.')

        is_valid_age = True   # 判斷條件略。
        if is_valid_age:
            self.__age = age
        else:
            raise Exception('Invalid age.')

    @property
    def breed(self) -> str:
        return self.__breed

    @abstractmethod
    def grow(self):        # 生長(樹的共同行為)
        ...

    @abstractmethod        # 繁殖(樹的共同行為)
    def reproduce(self):
        ...

    @abstractmethod        # 生病(樹的共同行為)
    def get_sick(self):
        ...

    @abstractmethod        # 死亡(樹的共同行為)
    def die(self):
        ...

class EarthlyTree(Tree):   # 地球上的樹
    def __init__(self, breed: str, age: int):   # constructor
        is_valid_breed = True   # 判斷條件略。
        if is_valid_breed:
            self.__breed = breed
        else:
            raise Exception('Invalid breed.')

        is_valid_age = True   # 判斷條件略。
        if is_valid_age:
            self.__age = age
        else:
            raise Exception('Invalid age.')

    @property
    def breed(self) -> str:
        return self.__breed

    @breed.setter
    def breed(self, breed: str):
        is_valid_breed = True   # 判斷條件略。
        if is_valid_breed:
            self.__breed = breed
        else:
            raise Exception('Invalid breed.')

    @property
    def age(self) -> int:
        return self.__age

    @age.setter
    def age(self, breed: str):
        is_valid_age = True   # 判斷條件略。
        if is_valid_age:
            self.__age = age
        else:
            raise Exception('Invalid age.')

    def grow(self):        # 生長。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} is growing.')

    def reproduce(self):   # 繁殖。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} is reproducing.')

    def get_sick(self):     # 得病。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} is getting sick.')

    def die(self):          # 死亡(假設死亡也有「行為」)。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} is dying.')


class VenusianTree(Tree):   # 金星樹
    def __init__(self, breed: str, age: int):   # constructor
        is_valid_breed = True   # 判斷條件略。
        if is_valid_breed:
            self.__breed = breed
        else:
            raise Exception('Invalid breed.')

        is_valid_age = True   # 判斷條件略。
        if is_valid_age:
            self.__age = age
        else:
            raise Exception('Invalid age.')

    @property
    def breed(self) -> str:
        return self.__breed

    @breed.setter
    def breed(self, breed: str):
        is_valid_breed = True   # 判斷條件略。
        if is_valid_breed:
            self.__breed = breed
        else:
            raise Exception('Invalid breed.')

    @property
    def age(self) -> int:
        return self.__age

    @age.setter
    def age(self, breed: str):
        is_valid_age = True   # 判斷條件略。
        if is_valid_age:
            self.__age = age
        else:
            raise Exception('Invalid age.')

    def grow(self):        # 生長。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} grows younger and younger.')

    def reproduce(self):   # 繁殖。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} reproduces on a daily basis.')

    def get_sick(self):     # 得病。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} always revovers from illness.')

    def die(self):          # 死亡(假設死亡也有「行為」)。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} raises itself from the dead.')


class MartianTree(Tree):   # 火星樹 
    def __init__(self, breed: str, age: int):   # constructor
        is_valid_breed = True   # 判斷條件略。
        if is_valid_breed:
            self.__breed = breed
        else:
            raise Exception('Invalid breed.')

        is_valid_age = True   # 判斷條件略。
        if is_valid_age:
            self.__age = age
        else:
            raise Exception('Invalid age.')

    @property
    def breed(self) -> str:
        return self.__breed

    @breed.setter
    def breed(self, breed: str):
        is_valid_breed = True   # 判斷條件略。
        if is_valid_breed:
            self.__breed = breed
        else:
            raise Exception('Invalid breed.')

    @property
    def age(self) -> int:
        return self.__age

    @age.setter
    def age(self, breed: str):
        is_valid_age = True   # 判斷條件略。
        if is_valid_age:
            self.__age = age
        else:
            raise Exception('Invalid age.')

    def grow(self):        # 生長。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} stops growing.')

    def reproduce(self):   # 繁殖。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} does not reproduce.')

    def get_sick(self):     # 得病。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} is healthy.')

    def die(self):          # 死亡(假設死亡也有「行為」)。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} is immortal.')

  • 隨機抽兩棵樹看看：

    import random as r

tree_on_earth = EarthlyTree('cedar', 2_500)
tree_on_venus = VenusianTree('varan', -3_000)
tree_on_mars = MartianTree('mvule', 500_000_000)

trees = [tree_on_earth, tree_on_venus, tree_on_mars]
randomly_selected_trees = r.sample(trees, k=2)

for tree in randomly_selected_trees:
    tree.grow()
    tree.reproduce()
    tree.get_sick()
    tree.die()
    print()

  • 隨機產生金星樹和火星樹：
    https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20221014/2014848535dG2hBey5.png

  • 再試在程式執行時期，從鍵盤輸入樹種，看能否動態呼叫到正確的方法：

    tree_infos = {'Earth': {'breed': 'cedar', 'age': 2_500}, 
              'Venus': {'breed': 'varan', 'age': -3_000}, 
              'Mars': {'breed': 'mvule', 'age': 500_000_000}
}
tree_on_earth = EarthlyTree(tree_infos['Earth']['breed'], tree_infos['Earth']['age'])
tree_on_venus = VenusianTree(tree_infos['Venus']['breed'], tree_infos['Venus']['age'])
tree_on_mars = MartianTree(tree_infos['Mars']['breed'], tree_infos['Mars']['age'])

trees = {tree_infos['Earth']['breed']: tree_on_earth, tree_infos['Venus']['breed']: tree_on_venus, tree_infos['Mars']['breed']: tree_on_mars}

breed = input('Enter a tree breed: ').strip().lower()
tree = trees.get(breed)
if tree is not None:
    tree.grow()
    tree.reproduce()
    tree.get_sick()
    tree.die()
    print()
else:
    print('Oh, this tree is not in our list.  Pls check the spelling.')

  • 結果成功配對到正確的方法，並無張冠李戴，錯把馮京當馬涼：
    https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20221014/20148485PDCx8aCevU.png

  • 假如真有人耐心將本系列文章從頭一路看下來(猜想很少)，可能有人已經看出：Nothing new! 上例用的全都是系列文章之前談過的技術：繼承、覆寫、抽象方法，沒有新東西。把這些湊合起來，就構成Python的多型(如果筆者沒有誤解的話)。
  • 有個小問題：上面的Python程式，並沒有辦法像之前介紹的C#程式宣告父類別的型別，但實際new出子類別物件，從而規範子類別只能有哪些方法的效果，是為不足之處。究竟是筆者功力不足，未研究透徹(很有可能)，還是真的不行？這問題就讓筆者再努力衝刺一下，看明天有無答案。

多型總結

  • 多型大分為編譯時期和執行時期兩種(此說應不適用於Python)。本系列著重於執行時期的多型。
  • 事實上執行時期的多型，才是物件導向的精華。
  • 多型的上游是繼承。
  • 繼承的功能之一是程式碼重用(reuse)，而多型則可讓子類別有一致的介面，易於日後擴充及維護。

註1: 英語教學時間：靜態、動態型別語言，英文的正確寫法是statically typed language及dynamically typed language，或簡稱static language和dynamic language。但不能寫static type language或dynamic type language(因不合英文文法)。如果指涉的是「型別系統」本身，通常用gerund：static typing或dynamic typing。抱歉，筆者英語老師出身，職業病。


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系列文
Oops! OOPP: An Introduction to Object-Oriented Programming in Python 共 30 篇
  1. 26
    繼承vs組合
  2. 27
    Polymorphism「現形」記
  3. 28
    「形式型別」故意和「實際型別」不同，作用何在？
  4. 29
    Polymorphism in Python
  5. 30
    終點是下一段學習的起點
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