深入super，看Python如何解決鑽石繼承難題

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1.   Python的繼承以及調用父類成員

python子類調用父類成員有2種方法，分別是普通方法和super方法

假設Base是基類

class Base(object):    　 def __init__(self):       　　　　print “Base init”

則普通方法如下

class Leaf(Base):       def __init__(self):              Base.__init__(self)              print “Leaf init”

super方法如下

class Leaf(Base):       def __init__(self):              super(Leaf, self).__init__()              print “Leaf init”

在上面的簡單情境下，兩種方法的效果一致：

>>> leaf = Leaf()

Base init

Leaf init

2.   鑽石繼承遇到的難題

當我們來到鑽石繼承情境時，我們就遇到了一個難題：

如果我們還是使用普通方法調用父類成員，代碼如下：

class Base(object):       def __init__(self):              print “Base init”class Medium1(Base):       def __init__(self):              Base.__init__(self)              print “Medium1 init”class Medium2(Base):       def __init__(self):              Base.__init__(self)              print “Medium2 init”class Leaf(Medium1, Medium2):       def __init__(self):              Medium1.__init__(self)              Medium2.__init__(self)              print “Leaf init”    

當我們產生Leaf對象時，結果如下：

>>> leaf = Leaf()

Base init

Medium1 init

Base init

Medium2 init

Leaf init

 

可以看到Base被初始化了兩次！這是由於Medium1和Medium2各自調用了Base的初始化函數導致的。

3.   各語言的解決方案

鑽石繼承中，父類被多次初始化是個非常難纏的問題，我們來看看其他各個語言是如何解決這個問題的：

3.1. C++

C++使用虛擬繼承來解決鑽石繼承問題。

Medium1和Medium2虛擬繼承Base。當產生Leaf對象時，Medium1和Medium2並不會自動調用虛擬基類Base的建構函式，而需要由Leaf的建構函式顯式調用Base的建構函式。

3.2. Java

Java禁止使用多繼承。

Java使用單繼承+介面實現的方式來替代多繼承，避免了鑽石繼承產生的各種問題。

3.3. Ruby

Ruby禁止使用多繼承。

Ruby和Java一樣只支援單繼承，但它對多繼承的替代方式和Java不同。Ruby使用Mixin的方式來替代，在當前類中mixin入其他模組，來做到代碼的組裝效果。

3.4. Python

Python和C++一樣，支援多繼承的文法。但Python的解決思路和C++完全不一樣，Python使用的是super

我們把第2章的鑽石繼承用super重寫一下，看一下輸出結果

class Base(object):       def __init__(self):              print “Base init” class Medium1(Base):       def __init__(self):              super(Medium1, self).__init__()              print “Medium1 init”class Medium2(Base):       def __init__(self):              super(Medium2, self).__init__()              print “Medium2 init”class Leaf(Medium1, Medium2):       def __init__(self):              super(Leaf, self).__init__()              print “Leaf init”        

我們產生Leaf對象：

>>> leaf = Leaf()

Base init

Medium2 init

Medium1 init

Leaf init

可以看到整個初始化過程符合我們的預期，Base只被初始化了1次。而且重要的是，相比原來的普通寫法，super方法並沒有寫額外的代碼，也沒有引入額外的概念

4.   super的核心：mro

要理解super的原理，就要先瞭解mro。mro是method resolution order的縮寫，表示了類繼承體系中的成員解析順序。

 

在python中，每個類都有一個mro的類方法。我們來看一下鑽石繼承中，Leaf類的mro是什麼樣子的：

>>> Leaf.mro()

[<class ‘__main__.Leaf‘>, <class ‘__main__.Medium1‘>, <class ‘__main__.Medium2‘>, <class ‘__main__.Base‘>, <type ‘object‘>]

 

可以看到mro方法返回的是一個祖先類的列表。Leaf的每個祖先都在其中出現一次，這也是super在父類中尋找成員的順序。 

通過mro，python巧妙地將多繼承的圖結構，轉變為list的順序結構。super在繼承體系中向上的尋找過程，變成了在mro中向右的線性尋找過程，任何類都只會被處理一次。

 

通過這個方法，python解決了多繼承中的2大難題：

1. 尋找順序問題。從Leaf的mro順序可以看出，如果Leaf類通過super來訪問父類成員，那麼Medium1的成員會在Medium2之前被首先訪問到。如果Medium1和Medium2都沒有找到，最後再到Base中尋找。

2. 鑽石繼承的多次初始化問題。在mro的list中，Base類只出現了一次。事實上任何類都只會在mro list中出現一次。這就確保了super向上調用的過程中，任何祖先類的方法都只會被執行一次。

 

至於mro的產生演算法，可以參考這篇wiki：https://en.wikipedia.org/wiki/C3_linearization

5.   super的具體用法

我們首先來看一下python中的super文檔

>>> help(super)

Help on class super in module __builtin__:

class super(object)

 |  super(type, obj) -> bound super object; requires isinstance(obj, type)

 |  super(type) -> unbound super object

 |  super(type, type2) -> bound super object; requires issubclass(type2, type)

 

光從字面來看，這可以算是python中最語焉不詳的協助文檔之一了。甚至裡面還有一些術語誤用。那super究竟應該怎麼用呢，我們重點來看super中的第1和第3種用法

5.1. super(type, obj)

當我們在Leaf的__init__中寫這樣的super時：

class Leaf(Medium1, Medium2):       def __init__(self):              super(Leaf, self).__init__()              print “Leaf init”

super(Leaf, self).__init__()的意思是說：

1. 擷取self所屬類的mro, 也就是[Leaf, Medium1, Medium2, Base]
2. 從mro中Leaf右邊的一個類開始，依次尋找__init__函數。這裡是從Medium1開始尋找
3. 一旦找到，就把找到的__init__函數綁定到self對象，並返回

 

從這個執行流程可以看到，如果我們不想調用Medium1的__init__，而想要調用Medium2的__init__，那麼super應該寫成：super(Medium1, self)__init__() 

5.2. super(type, type2)

當我們在Leaf中寫類方法的super時：

class Leaf(Medium1, Medium2):       def __new__(cls):              obj = super(Leaf, cls).__new__(cls)              print “Leaf new”              return obj

super(Leaf, cls).__new__(cls)的意思是說：

1. 擷取cls這個類的mro，這裡也是[Leaf, Medium1, Medium2, Base]
2. 從mro中Leaf右邊的一個類開始，依次尋找__new__函數
3. 一旦找到，就返回“非綁定”的__new__函數

 

由於返回的是非綁定的函數對象，因此調用時不能省略函數的第一個參數。這也是這裡調用__new__時，需要傳入參數cls的原因

同樣的，如果我們想從某個mro的某個位置開始尋找，只需要修改super的第一個參數就行

6.   小結

至此，我們講解了和super相關的用法及原理，小結一下我們講過的內容有：

1. python調用父類成員共有2種方法：普通方法，super方法
2. 在鑽石繼承中，普通方法會遇到Base類兩次初始化的問題
3. 簡述了其他語言對這個問題的解決方案，並用執行個體展示了python使用super可以解決此問題
4. 在講super具體用法前，先講了super的核心：mro的知識和原理
5. 講解了super兩種主要的用法及原理

 

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