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全网最适合入门的面向对象编程教程:50 Python函数方法与接口-接口和抽象基

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全网最适合入门的面向对象编程教程:50 Python 函数方法与接口-接口和抽象基类


摘要:

在 Python 中,接口和抽象基类(Abstract Base Classes, ABCs)都用于定义类的结构和强制子类实现特定的方法,Python 没有内建的接口机制,但可以通过抽象基类(ABC)来模拟接口的行为。
原文链接:

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文档和代码获取:

可访问如下链接进行对文档下载:
https://github.com/leezisheng/Doc

本文档主要介绍如何使用 Python 进行面向对象编程,需要读者对 Python 语法和单片机开发具有基本了解。相比其他讲解 Python 面向对象编程的博客或书籍而言,本文档更加详细、侧重于嵌入式上位机应用,以上位机和下位机的常见串口数据收发、数据处理、动态图绘制等为应用实例,同时使用 Sourcetrail 代码软件对代码进行可视化阅读便于读者理解。
相关示例代码获取链接如下:https://github.com/leezisheng/Python-OOP-Demo
正文

1. 接口

1.1 接口的概念

1994 年,GoF 在其经典之作《设计模式》中,提出了一个至关重要的编程原则,即“基于接口编程,而非面向实现编程”。这一原则的英文原句为“Program to an interface, not an implementation”。在此,所谓的“接口”,并非专指某一特定编程语言的接口定义,而是一种跨语言的概念。它代表了开发者向使用者提供的一组功能列表,对这些功能的理解对于编程实践至关重要。简而言之,接口定义了程序应完成的任务,而不涉及具体的实现细节。这一原则对于提升代码的可扩展性、可维护性和灵活性具有深远影响。
通过定义接口,我们可以在实现具体功能的函数发生问题时(可能是用的没有授权的盗版模块,被人家发现了、起诉了;也可能是库的版本变了,某个重要的函数改名了/取消了)来减少代码的改动量,通过接口和实现相分离的模式,封装不稳定的实现,暴露稳定的接口。上下游系统在使用我们开发的功能时,只需要使用接口中声明的函数列表,这样当实现发生变化的时候,上游系统的代码基本上不需要做改动,以此来降低耦合性,提高扩展性。
同时,通过定义接口将系统分成多个小模块,每个模块只需实现自己所需的接口,而不需要关心其他模块的实现细节。这样在与他人协作时,我们只需要修改自己实现该接口的模块,而不需要修改其他模块。
1.2 接口的实现

常见的面向对象语言通常在类的接口和实现之间有明确的区分。例如,一些语言提供明确的 interface 关键字,用于定义类必须包含的方法,但是不需要实现。在这样的环境下,抽象类提供一个接口,以及众多方法中某几个的具体实现。任何类可以明确声明它实现自某个接口。
与 Java、Go 和 C++ 这些语言相比,Python 的接口设计方法有些不同。这些语言都提供了一个 interface 关键字来定义接口,而在 Python 中,却没有提供这个关键字。Python 在另一个方面与其他语言有明显的区别,python 并不要求实现接口的类来定义接口的所有抽象方法。
2. 使用类的继承实现接口

这里,我们首先定义一个数据处理类的接口,声明该类需要具有数据滤波、计算最大值、计算最小值和傅里叶变换的方法。同时定义了在初始化的过程中,需要接收哪些参数,如数据列表、滤波器点数(以平均值滤波为例,对多少个点计算平均值)等。
示例代码如下:
  1. _# 使用typing模块提供的复合注解功能_
  2. from typing import List
  3. _# 定义数据处理接口_
  4. class DateProcessInterface(object):
  5.     def __init__(self,DateList:List[int],FilterLength:int):
  6.         '''
  7.         初始化方法
  8.         :param DateList: 数据列表
  9.         :param FilterLength: 对多少个点做数据滤波
  10.         
  11.         '''
  12.         pass
  13.     def DateFilter(self)->List:
  14.         '''
  15.         数据滤波
  16.         :return: List
  17.         '''
  18.         pass
  19.     def DateCalMax(self)->int:
  20.         '''
  21.         计算数据最大值
  22.         :return: int
  23.         '''
  24.         pass
  25.     def DateCalMin(self)->int:
  26.         '''
  27.         计算最小值
  28.         :return: int
  29.         '''
  30.         pass
复制代码
在定义该接口的过程中,虽然没有实现具体操作,但是我们主要关心的是该接口类规定了数据处理的一般方法,也可以看作规范,就是我们首先会对数据进行滤波等预处理,然后计算一些时域特征进行分析。DateProcessInterface 实际上就是标准 python 的 class,不过因为形似接口所以可以将这个类看做一个接口。
为了使用接口,首先创建一个具体类来继承于 DateProcessInterface,也就是这个类是接口类的子类,提供了接口抽象方法的具体实现。
示例代码如下,这里我们需要引入 math 库去使用 sin 函数,引入 random 库生成随机数序列来模拟噪声,引入 matplotlib 库去绘图,matplotlib 库需要使用 conda 或者 pip 命令去安装:
  1. import math
  2. import matplotlib.pyplot as plt
  3. import random
  4. _# 创建一个具体类来继承于DateProcessInterface_
  5. class DateProcessClass(DateProcessInterface):
  6.     def __init__(self,DateList:List[int],FilterLength:int):
  7.         self.DateList       = DateList
  8.         self.FilterLength   = FilterLength
  9.         self.TempList       = [0] * (self.FilterLength)
  10.     def DateFilter(self)->List:
  11.         _# 遍历DateList_
  12.         for index,value in enumerate(self.DateList):
  13.             _# 把每个值都当成传入的新的传感器的值_
  14.             NowValue = value
  15.             _# 表示列表求和的变量_
  16.             sum = 0
  17.             for i in range(self.FilterLength-1):
  18.                 _# 实现列表的移位操作_
  19.                 self.TempList[i] = self.TempList[i + 1]
  20.                 _# 实现列表求和_
  21.                 sum += self.TempList[i]
  22.             self.TempList[self.FilterLength-1] = NowValue
  23.             sum += self.TempList[self.FilterLength - 1]
  24.             _# 求平均值_
  25.             average = sum / self.FilterLength
  26.             _# 将计算得到的平均值替换原始值_
  27.             self.DateList[index] = average
  28.         _# 计算完成后将TempList中元素清零_
  29.         self.TempList = [0] * (self.FilterLength)
  30.         return self.DateList
  31.     def DateCalMax(self)->int:
  32.         max_value = max(self.DateList)
  33.         return int(max_value)
  34.     def DateCalMin(self)->int:
  35.         min_value = min(self.DateList)
  36.         return int(min_value)
  37. _# 创建l的索引列表,主要提供给plot函数作为x轴坐标_
  38. index = [x for x in range(0,100)]
  39. _# 生成一个正弦序列_
  40. originalsignal = [math.sin(x)*10 for x in range(0,100)]
  41. _# 生成随机数序列,模拟噪声_
  42. noise = [random.uniform(0, 5) for x in range(0,100)]
  43. _# 将两个列表中的元素相加_
  44. signal = [x+y for x,y in zip(originalsignal,noise) ]
  45. _# 创建DateProcessClass类,传入signal.copy()_
  46. _# 通过创建signal的拷贝序列,从而不改变l的原始数据_
  47. s = DateProcessClass(signal.copy(),10)
  48. _# 进行数据滤波_
  49. filtersignal = s.DateFilter()
  50. _# 曲线绘图_
  51. plt.plot(index,signal,'b')
  52. plt.plot(index,filtersignal,'r')
  53. _# 显示图像_
  54. plt.show()
  55. _# 打印信号最大值_
  56. print("Signal Max value:",s.DateCalMax())
  57. _# 打印信号最小值_
  58. print("Signal Min value:",s.DateCalMin())
复制代码
我们来看一下运行效果,可以看到我们对原始数据使用 5 点的滑动平均滤波的效果(蓝色是原始波形、红色是滤波后波形):


为了防止有人直接从我们的接口类中实例化对象,我们可以使用如下代码,在直接调用接口中方法时抛出 NotImplementedError 异常:
  1. _# 定义数据处理接口_
  2. class DateProcessInterface(object):
  3.     def __init__(self,DateList:List[int],FilterLength:int):
  4.         '''
  5.         初始化方法
  6.         :param DateList: 数据列表
  7.         :param FilterLength: 对多少个点做数据滤波
  8.         '''
  9.         raise NotImplementedError
复制代码
3. 使用抽象基类(ABC 类)实现接口

在 Python 编程中,抽象基类(Abstract Base Classes,简称 ABC)是一种非常有用的工具,用于定义接口和规范类的行为。抽象基类提供了一种机制,可以确保子类实现了特定的方法和属性。
抽象基类,也是类,需要使用 class 关键字进行定义,它与普通类不同之处有两点:

  • 抽象基类不能被实例化,只能被继承;
  • 子类必须实现抽象基类里定义的抽象方法,否则不能被实例化。
在 Python 中,可以使用 abc 模块来定义抽象基类。以上的 DateProcessInterface 使用抽象基类时,示例代码如下:
  1. from abc import ABCMeta, abstractmethod
  2. _# 使用抽象基类定义数据处理接口_
  3. class DateProcessInterface(metaclass=ABCMeta):
  4.     def __init__(self,DateList:List[int],FilterLength:int):
  5.         '''
  6.         初始化方法
  7.         :param DateList: 数据列表
  8.         :param FilterLength: 对多少个点做数据滤波
  9.         '''
  10.         pass
  11.     @abstractmethod
  12.     def DateFilter(self)->List:
  13.         '''
  14.         抽象方法,数据滤波
  15.         :return: List
  16.         '''
  17.         pass
  18.     @abstractmethod
  19.     def DateCalMax(self)->int:
  20.         '''
  21.         抽象方法,计算数据最大值
  22.         :return: int
  23.         '''
  24.         pass
  25.     @abstractmethod
  26.     def DateCalMin(self)->int:
  27.         '''
  28.         抽象方法,计算最小值
  29.         :return: int
  30.         '''
  31.         pass
复制代码
这里,我们首先需要给接口类传递 metaclass 关键字参数,该关键字涉及到了元类编程的相关知识点,我们不予详细介绍,只需知道通过分配 ABCMeta 元类,可以赋予你的类为抽象基类。接下来使用 @abstractmethod 的装饰器实现了将方法标记为抽象,它们声明该类的任何子类必须实现这一方法。
具体来说,使用 @abstractmethod 装饰器的方法必须满足以下两个条件:

  • 方法必须是抽象方法,即只定义方法名和参数列表,但没有实现代码;
  • 方法必须在抽象类或者实现抽象类接口的子类中实现。
@abstractmethod 还能注解静态方法、类方法和属性。 你只需保证这个注解紧靠在方法定义前即可。
  1. class A(metaclass=ABCMeta):
  2.     @property
  3.     @abstractmethod
  4.     def name(self):
  5.         pass
  6.     @name.setter
  7.     @abstractmethod
  8.     def name(self, value):
  9.         pass
  10.     @classmethod
  11.     @abstractmethod
  12.     def method1(cls):
  13.         pass
  14.     @staticmethod
  15.     @abstractmethod
  16.     def method2():
  17.         pass
复制代码
抽象基类还可以用于类型检查,使用 isinstance()和 issubclass()函数。例如:
  1. print(issubclass(DateProcessClass, DateProcessInterface))
  2. print(isinstance(DateProcessClass, DateProcessInterface))
复制代码


来源:https://www.cnblogs.com/FreakEmbedded/p/18421623
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