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DAY 30
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Software Development

Oops! OOPP: An Introduction to Object-Oriented Programming in Python系列 第 30 篇

終點是下一段學習的起點

14th鐵人賽
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最後一天旅程。今天前半段分享程式如何利用Polymorphism技術「重構」，後半段則是總結和心得報告。

程式中如有多重if's或case's判斷物件，可考慮重構

  • 程式如果原本沒有使用繼承，又出現較長的if/elif或match/case來判斷物件，隨著系統擴展，陸續加入新物件或刪除原物件，於是elif或case就必須跟著訂正，而且訂正的可能不是一處而是幾百處。大家都知道，修改邏輯是有風險的，可能牽一髮而動全身。

  • 此現象可能是由於原程式架構設計不良，導致日後擴充和維護不便，帶來較大風險。

  • 先看原程式：

    • 類別部分：

      • 地球上的樹：

        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, age: int):
        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.')

      • 金星樹：

        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, age: int):
        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.')

      • 火星樹：

        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, age: int):
        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.')

    def jog(self):          # 慢跑是火星樹的獨特行為。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} is jogging.')

    • 主程式：

      tree_infos = {'Earth': {'breed': 'ebony', 'age': 2_500},
              'Venus': {'breed': 'vitex', '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()  # 執行期間輸入樹種。
if trees.get(breed) is not None:
    # 如果code有一大堆if/elif或match/case，就得考慮refactor為polymorphism了。
    match breed:
        case 'ebony':         # 這些case's埋下日後維護上的地雷。
            tree_on_earth.grow()
            tree_on_earth.reproduce()
            tree_on_earth.get_sick()
            tree_on_earth.die()
        case 'vitex':
            tree_on_venus.grow()
            tree_on_venus.reproduce()
            tree_on_venus.get_sick()
            tree_on_venus.die()
        case 'mvule':
            tree_on_mars.grow()
            tree_on_mars.reproduce()
            tree_on_mars.get_sick()
            tree_on_mars.die()
else:
    print('Oops, this tree is not in our list.  Maybe you misspelled it?')

  • 程式執行無誤，暫時相安無事。不過好景不長，不久後必須新增一個「太陽樹類別」。於是程式改寫如下：

    • 類別：

      class EarthlyTree():    # 地球上的樹
    ...     # 實作略
class VenusianTree():   # 金星樹
    ...     # 實作略
class MartianTree():    # 火星樹
    ...     # 實作略
class SolarTree():      # 新增的太陽樹
    ...     # 實作略

    • 主程式：

      tree_infos = {'Earth': {'breed': 'ebony', 'age': 2_500},
              'Venus': {'breed': 'vitex', 'age': -3_000},
              'Mars': {'breed': 'mvule', 'age': 500_000_000},
              'Sun': {'breed': 'salix', 'age': 0}
              }

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'])
tree_on_sun = SolarTree(tree_infos['Sun']['breed'], tree_infos['Sun']['age'])

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

breed = input('Enter a tree breed: ').strip().lower()  # 執行期間輸入樹種。
tree = trees.get(breed)
if tree is not None:
    # 如果code有一大堆if/elif或match/case，就得考慮refactor為polymorphism了。
    match breed:  
        case 'ebony':    # 這些case's埋下日後維護的地雷。
            tree_on_earth.grow()
            tree_on_earth.reproduce()
            tree_on_earth.get_sick()
            tree_on_earth.die()
        case 'vitex':
            tree_on_venus.grow()
            tree_on_venus.reproduce()
            tree_on_venus.get_sick()
            tree_on_venus.die()
        case 'mvule':
            tree_on_mars.grow()
            tree_on_mars.reproduce()
            tree_on_mars.get_sick()
            tree_on_mars.die()
        case 'salix':    # 這裡要加一個case來判斷是否為太陽樹。
            tree_on_sun.grow()
            tree_on_sun.reproduce()
            tree_on_sun.get_sick()
            tree_on_sun.die()
else:
    print('Oops, this tree is not in our list.  Maybe you misspelled it?')

  • 程式任何要判斷樹種的地方，都要加一個case 'salix':，少改一個地方bugs就來了。更麻煩的是：有些bugs可不會立即出現，也許潛伏很長一段時間才爆發。筆者以前曾開發過一個系統，其中有一個bug隱藏了14年(沒寫錯，是14年)才發現。而且這個還不是潛水最久的bug呢。

  • 這時該考慮將原系統重構(refactor)為多型機制了。方法就是昨天講的那招：增加一個抽樣類別作為介面，其他類別繼承自這個抽象類別並覆寫(override)其方法。說白就是將昨天的版本加一個太陽樹類別而已。由於主程式本來就沒有match/case，商業邏輯改動幅度相對很小或壓根不必改。

  • 重構後的完整程式如下：

    • 類別：

      from abc import ABC, abstractmethod

class Tree(ABC):   # abstract class
    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, age: int):
        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, age: int):
        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, age: int):
        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.')
    def jog(self):          # 慢跑是火星樹的獨特行為。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} is jogging.')

class SolarTree(Tree):     # 太陽樹
    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, age: int):
        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 for a billion years.')
    def reproduce(self):   # 繁殖。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} reproduces nuclear power.')
    def get_sick(self):     # 得病。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} never gets sick.')
    def die(self):          # 死亡(假設死亡也有「行為」)。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} will die in 7.5 billion years.')
    def nuclear_fuse(self):          # 核融合(聚變)是太陽樹的獨特行為。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} operates nuclear fusion.')

    • 主程式：

      tree_infos = {'Earth': {'breed': 'ebony', 'age': 2_500},
              'Venus': {'breed': 'vitex', 'age': -3_000},
              'Mars': {'breed': 'mvule', 'age': 500_000_000},
              'Sun': {'breed': 'salix', 'age': 0}
              }

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'])
tree_on_sun = SolarTree(tree_infos['Sun']['breed'], tree_infos['Sun']['age'])

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

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()
else:
    print('Oops, this tree is not in our list.  Maybe you misspelled it?')

  • 試輸入剛才新增的太陽樹，結果成功呼叫到太陽樹的諸方法：
    https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20221015/20148485f1JjPE6P0p.png

進一步重構：將資料部分抽出

  • 以上程式將資料和商業邏輯放在同一檔案，這是不好的。現在我們來切割一下，將資料部分抽出，重組成多個.py檔：

    • 設定檔(tree_settings.py)

      # tree_settings.py
import tree_classes

tree_infos = {'Earth': {'breed': 'ebony', 'age': 2_500},
              'Venus': {'breed': 'vitex', 'age': -3_000},
              'Mars': {'breed': 'mvule', 'age': 500_000_000},
              'Sun': {'breed': 'salix', 'age': 0}
              }

tree_on_earth = tree_classes.EarthlyTree(tree_infos['Earth']['breed'], tree_infos['Earth']['age'])
tree_on_venus = tree_classes.VenusianTree(tree_infos['Venus']['breed'], tree_infos['Venus']['age'])
tree_on_mars = tree_classes.MartianTree(tree_infos['Mars']['breed'], tree_infos['Mars']['age'])
tree_on_sun = tree_classes.SolarTree(tree_infos['Sun']['breed'], tree_infos['Sun']['age'])

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

    • 類別檔(tree_classes.py)
      為講解方便，目時將所有類別放在同一個檔案。其實拆分開一個類別一個檔案可能更好，方便個別管理維護。

      # tree_classes.py   # 以後再分拆成一個類別一個.py檔。
from abc import ABC, abstractmethod

class Tree(ABC):   # abstract class
    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, age: int):
        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, age: int):
        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, age: int):
        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.')
    def jog(self):          # 慢跑是火星樹的獨特行為。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} is jogging.')

class SolarTree(Tree):     # 太陽樹
    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, age: int):
        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 for a billion years.')
    def reproduce(self):   # 繁殖。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} reproduces nuclear power.')
    def get_sick(self):     # 得病。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} never gets sick.')
    def die(self):          # 死亡(假設死亡也有「行為」)。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} will die in 7.5 billion years.')
    def nuclear_fuse(self):          # 核融合(聚變)是太陽樹的獨特行為。
        print(f'{__class__.__name__} {self.breed} operates nuclear fusion.')

    • 主程式(poly_trees.py)

      # poly_trees.py
from tree_settings import trees

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()
else:
    print('Oops, this tree is not in our list.  Maybe you misspelled it?')

  • 主程式變得非常簡潔，基本上新增刪除類別，主程式都不必更動。只要修改設定檔和類別檔就行。

  • 如果進一步將設定檔改寫，存到諸如Excel或CSV等外部檔案，或存入資料庫，主程式再讀取這個外部檔案或從資料庫取得資料，程式將更加保險。終端使用者(end users)完全碰不到任何的Python code，資料有修改就改Excel或CSV檔。要是再寫一個user friendly的好用介面給終端使用者操作資料的修改新增刪除，那就更加理想。

總結

在此對本系列文章給個總結及摘要。

  • 物件導向(Object-Oriented)是一種paradigm，屬於「戰略層次」的思維模式。
  • 物件導向三大支柱(註1)：
    • 封裝(Encapsulation)
    • 繼承(Inheritance)
    • 多型(Polymorphism)
  • 封裝(Encapsulation)：
    • 將一些模擬現實世界的「東西」和如何使用這些東西的行為封在一個稱為類別(class)的神秘房子內。封在房子內家具雜物就是變數(variables)，使用這些家具雜物的行為動作(例如打掃、整理、丟棄...等)則是函數(functions)。
    • 物件導向的術語是：類別內的變數叫做「屬性」(attributes)，函數改口稱為「方法」(methods)。
    • 剛剛將類別說成房子，這個比喻其實不夠精準。正確講法是：類別是房子的「藍圖」，某個社區依此藍圖而建的所有房屋通稱為「物件」(objects)，如果指明該社區某街某號的那棟特定房子，則是「實例」(instance)。不過實務上物件和實例經常混用，並不嚴格區分。
    • 封裝有三個P's，即三個「保護層級」，屬性和方法都得遵守：
      • 公開(public)
      • 保護(protected)
      • 私有(private)
    • Python在protected這層只是大家的默契和慣例，並未在語法層次真正支援，筆者大多跳過不提。
    • 即使是私有，Python也有道「後門」(註2)可以「繞過」。其中原委有此一說：仁慈獨裁者Guido van Rossum認為programmers都是「互有默契願意順從規範的大人」，沒有必要將語言定得太過僵化。這個論調筆者並不同意。
    • 一般原則是：屬性盡量設為私有，方法則大多公開。
    • Attribute設為私有後，外界即無法存取。這時又出現一個名為property的機制。Property中文通常亦譯作「屬性」，為免和attribute混淆，筆者直接用英文。
    • 對類別使用者，property就和attribute一樣，可直接以物件.屬性表示式存取。基本上類別使用者對他寫的物件.屬性中的屬性究竟是attribute還是property，幾乎無感。
    • Property外表貌似變數骨子裡卻是方法。因為是方法，就可以在裡面寫code作任何邏輯判斷或檢誤。而attribute只是變數，只能被動「受值」，在受值前無法檢誤。
    • Python以@property裝飾器實作property機制。
    • 有一個@dataclass裝飾器，是Python用來減輕碼農重複撰寫類別內boilerplate code的工具。
    • 除保護層級外，屬性和方法的另一個分類的向度是「類別等級vs實例等級」(class level vs instance level)。交叉下來就有類別屬性(class attributes)、類別方法(class methods)、實例屬性(instance attributes)和實例方法(instance methods)四種。它們都得遵從上面講的保護層級(公開、私有)原則。
    • PEP 8規範：實例方法的第一個參數用self，而類別方法的第一個參數則請用cls。
    • Python的方法，除了類別方法和實例方法外，還有第三種「靜態方法」(static methods)。
  • 繼承(Inheritance)：
    • 繼承的目的之一是「程式碼重用」。
    • 繼承也是為多型作準備的重要機制，沒有繼承就沒有多型。
    • 只有一個父類別的是單一繼承，多個父類別者則為多重繼承。
    • 有些物件導向程式語言並不支援多重繼承，例如Java和C#就不行(註3)。有些語言則可以，如C++。Python也支援多重繼承。
    • 多重繼承威力當然比單一繼承強大，不過有時會造成混亂(gets messy)，建議小心使用。如果沒有把握駕馭，設計繼承系統時父類別最好不要太多，繼承的垂直層次也不要太深。否則日後可能陷入難以控制的局面。
    • 覆寫(overriding)是繼承機制的重點。假如子類別完全不覆寫父類別，繼承意義就不大。覆寫通常也是多型的實現門徑。
    • 抽象方法(abstract methods)是「只有皮沒有餡」的方法，作用是定義一組API，規範子類別必須遵守。
    • 繼承和組合(composition)的「君子之爭」由來已久。筆者認為兩者各領風騷，當視需要而用。
  • 多型(Polymorphism)：
    • 很多人說多型是物件導向的終極目標。
    • 多型分為編譯時期(靜態)和執行時期(動態)兩種，以下講的全是動態多型。但是Python可否沿用這個分類架構？存疑。
    • 在一些靜態型別語言(statically typed languages)中，物件可以有兩種型別：「形式型別」(reference type)和「實際型別」(value type)。run-time時執行的一定是物件實際型(類)別所提供的方法，不會執行到形式型別(通常是其父類別)提供的方法。不過筆者認為此「形實之別」應該不適用於Python這類動態型別語言(dynamically typed languages)。
    • 多型要達成的效果是：在程式執行時期，依不同物件去執行不同方法。
    • 多型的基礎是繼承，通常利用覆寫(overriding)達成。
    • 多型可讓子類別有一致的介面，易於日後擴充及維護。
    • 程式如用了大量的多重if/elif或match/case來判斷物件，很可能是設計不良的徵候。可考慮利用多型技術加以重構(refactor)。
    • 多型好些細節和疑問筆者未能參透，無法提綱挈領、一語破的，說不定還錯漏連篇。這是筆者個人能力不足，舛誤處懇請方家指正。
  • 對物件導向程式設計這個大主題，很多地方本系列文章都沒有涉及。沒提到的大致有：
    • 萃取/摘要(Abstraction)：很多人認為Abstraction是物件導向的另一支柱。不過相對於其他三大支柱，Abstraction的重要性似乎較低(筆者主觀認定)，而且不一定是物件導向獨有的特性，故略而不談。
    • 介面(Interface)：Python支援多重繼承，所以沒有介面這個機制。
    • 委派(Delegation)：暫無時間了解Python的Delegation。日後再學。
    • 所有的Design Patterns：這是個更大而且筆者更沒把握的主題(GoF book可是天書耶)。等更有長進時再挑戰吧。
    • And counting...

心得報告

  • 借著這次參賽，筆者學到很多新「物件」及新「方法」，同時釐清和實證了一推平常模糊不清的觀念。
  • 學然後知不足。不足之處筆者已默記在心，日後定必找時間好好研究，希望能有吋進，甚而更上層樓。
  • 參與鐵人賽是訓練意志力和自我成長的最佳途徑。感謝主辦單位給我這個學習機會。

互勉

最後用以下對聯(註4)和大家互勉：

當從實地建基柱，莫在浮沙築高樓。

跋

莎翁名句：

"Though this be madness, yet there is method in’t." (William Shakespeare, Hamlet, Act 2, Scene 2)

瘋而有「方」。所以請放心，總找得到「方法」的。

註1: 近來很多人在原三大支柱前加上Abstraction作為另一支柱。本系列文則採三支柱論。

註2: 這裡的「後門」是指利用_<class>__<attribute>方式，在類別外部以物件.屬性表示式存取私有屬性。詳見本系列Day 8《在外部修改私有屬性，真行嗎？》。

註3: Java等語言以「介面」(Interface)機制來替代多重繼承。

註4: 本聯下聯出自曾寫過《多型與虛擬》一書的侯捷老師，上聯則為筆者狗「頭」續貂。


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Polymorphism in Python
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