python面向对象编程(二)——继承与多态

本周目标

• 理解继承（Inheritance） 的概念，学会如何从父类派生子类
• 掌握方法重写（Override） 和 super() 的用法
• 理解多态（Polymorphism） 的核心思想——“同一个接口，不同实现”
• 掌握常用的特殊方法（Magic Methods），如 __str__、__repr__、__add__
• 完成实战项目：动物继承体系 + 动物园管理系统

一、为什么需要继承？

继承的核心价值在于代码复用和扩展性：

• 代码复用
  子类可以自动拥有父类的所有属性和方法，无需重复编写
• 扩展性
  子类可以在父类的基础上增加新的属性和方法，或重写父类的方法来改变行为
• 多态的基础
  继承是实现多态的前提

在 AI 领域，继承无处不在：

• PyTorch 中，你定义的每一个神经网络模型都继承自 torch.nn.Module，然后只需重写 forward() 方法
• 数据处理中，你可以定义 BaseDataset 基类，然后派生出 ImageDataset、TextDataset 等子类
• 训练流程中，你可以定义 BaseTrainer，然后派生出 CNNTrainer、LSTMTrainer 等

二、继承的基本语法

1. 继承的定义

使用 class 子类名(父类名): 来声明继承关系：

# 父类（基类）classAnimal:def__init__(self, name, age):self.name = nameself.age = agedefeat(self):print(f"{self.name} 正在吃东西")defsleep(self):print(f"{self.name} 正在睡觉")# 子类（派生类）classDog(Animal):defbark(self):print(f"{self.name} 汪汪叫！")# 创建子类对象dog = Dog("旺财", 3)dog.eat()    # 从父类继承的方法dog.sleep()  # 从父类继承的方法dog.bark()   # 子类自己的方法

💡 术语：父类也叫基类（Base Class） 或超类（Superclass）；子类也叫派生类（Derived Class）。

2. super() —— 调用父类的方法

当子类需要执行父类的初始化逻辑时，使用 super().__init__(...) 调用父类的构造方法：

classAnimal:def__init__(self, name, age):self.name = nameself.age = agedefspeak(self):return"发出声音"classCat(Animal):def__init__(self, name, age, color):super().__init__(name, age)   # 调用父类的 __init__self.color = color            # 新增子类自己的属性defspeak(self):return"喵喵喵"# 重写父类方法cat = Cat("咪咪", 2, "橘色")print(cat.name)      # 咪咪（来自父类）print(cat.color)     # 橘色（子类新增）print(cat.speak())   # 喵喵喵（重写后）

⚠️ 重要：即使子类没有显式调用 super().__init__()，Python 也会自动调用父类的无参构造方法（如果存在）。但一旦子类定义了 __init__，就必须手动调用 super().__init__() 来初始化父类的属性，否则父类的属性不会被正确设置。

三、方法重写（Override）—— 子类定制自己的行为

子类可以对父类的方法进行重写（Override），即重新定义方法的实现：

classBird(Animal):def__init__(self, name, age, wing_span):super().__init__(name, age)self.wing_span = wing_span# 重写 speak 方法defspeak(self):return"叽叽喳喳"# 重写 eat 方法，增加额外行为defeat(self):super().eat()  # 先执行父类的 eatprint(f"{self.name} 吃完后啄了啄羽毛")bird = Bird("小翠", 1, 20)print(bird.speak())   # 叽叽喳喳bird.eat()# 输出：# 小翠 正在吃东西# 小翠 吃完后啄了啄羽毛

重写时使用 super() 调用父类方法

子类重写方法时，往往希望在父类逻辑的基础上增加功能，而不是完全覆盖。这时可以用 super().方法名() 调用父类版本：

classRobot:defwork(self):print("机器人正在工作")classAIChatRobot(Robot):defwork(self):super().work()            # 调用父类的工作逻辑print("并且能进行智能对话")  # 增加新功能robot = AIChatRobot()robot.work()# 输出：# 机器人正在工作# 并且能进行智能对话

四、多态（Polymorphism）——“一个接口，多种形态”

1. 什么是多态？

多态是指同一个方法名，在不同的类中可以有完全不同的实现。调用者不需要关心对象的实际类型，只需要调用相同的方法名，程序会自动根据对象类型执行对应的版本。

2. 多态的经典示例

classAnimal:defspeak(self):pass# 抽象方法，由子类实现classDog(Animal):defspeak(self):return"汪汪"classCat(Animal):defspeak(self):return"喵喵"classDuck(Animal):defspeak(self):return"嘎嘎"defmake_animal_speak(animal):"""多态函数：不管传入什么动物，都调用 speak 方法"""print(f"{animal.__class__.__name__}: {animal.speak()}")# 使用多态animals = [Dog(), Cat(), Duck()]for animal in animals:    make_animal_speak(animal)# 输出：# Dog: 汪汪# Cat: 喵喵# Duck: 嘎嘎

💡 多态的价值：新增一个 Pig 类，只要它实现了 speak() 方法，make_animal_speak 函数无需任何修改，就能直接支持它。这符合开闭原则（对扩展开放，对修改关闭）。

3. 多态在 AI 中的应用场景

在训练模型时，我们可能使用不同的模型架构（CNN、RNN、Transformer），但它们都有相同的接口 train()、evaluate()、predict()。训练脚本可以接受任何模型对象，调用相同的方法，实现统一的训练流程——这就是多态的力量。

classBaseModel:deftrain(self, data):raise NotImplementedErrordefpredict(self, x):raise NotImplementedErrorclassCNNModel(BaseModel):deftrain(self, data):print("CNN 训练中...")defpredict(self, x):print("CNN 预测中...")classRNNModel(BaseModel):deftrain(self, data):print("RNN 训练中...")defpredict(self, x):print("RNN 预测中...")defrun_experiment(model, data):    model.train(data)    model.predict(data)# 可以传入任意模型run_experiment(CNNModel(), "图片数据")run_experiment(RNNModel(), "序列数据")

五、特殊方法（Magic Methods / Dunder Methods）

Python 类中有许多以双下划线开头和结尾的方法，被称为特殊方法（Magic Methods）。它们定义了类的行为，让对象能够响应 Python 内置操作。

1. __str__ 和 __repr__ —— 对象的字符串表示

• __str__
  ：给用户看的友好字符串（通过 print() 或 str() 触发）
• __repr__
  ：给开发者看的精确字符串（通过 repr() 或直接输入对象触发）

classBook:def__init__(self, title, author, price):self.title = titleself.author = authorself.price = pricedef__str__(self):returnf"《{self.title}》作者：{self.author}，价格：¥{self.price}"def__repr__(self):returnf"Book('{self.title}', '{self.author}', {self.price})"book = Book("Python编程", "张三", 59)print(book)          # 调用 __str__： 《Python编程》作者：张三，价格：¥59print(repr(book))    # 调用 __repr__： Book('Python编程', '张三', 59)

2. __len__ —— 让对象支持 len()

classLibrary:def__init__(self):self.books = []defadd_book(self, book):self.books.append(book)def__len__(self):returnlen(self.books)lib = Library()lib.add_book(Book("A", "a", 10))lib.add_book(Book("B", "b", 20))print(len(lib))   # 2

3. 运算符重载（如 __add__、__eq__ 等）

通过特殊方法，可以让自定义对象支持 +、== 等运算符：

classVector:def__init__(self, x, y):self.x = xself.y = ydef__add__(self, other):"""向量加法"""ifnotisinstance(other, Vector):raise TypeError("只能与 Vector 相加")return Vector(self.x + other.x, self.y + other.y)def__eq__(self, other):"""向量相等判断"""returnself.x == other.x andself.y == other.ydef__str__(self):returnf"Vector({self.x}, {self.y})"v1 = Vector(1, 2)v2 = Vector(3, 4)v3 = v1 + v2        # 调用 __add__print(v3)           # Vector(4, 6)print(v1 == v2)     # False

💡 常见特殊方法：

• __add__
  +
• __sub__
  -
• __mul__
  *
• __truediv__
  /
• __eq__
  ==
• __lt__
  <
• __getitem__
  索引访问 obj[key]
• __setitem__
  索引赋值 obj[key] = value
• __call__
  让对象可以像函数一样调用

六、实战项目：动物继承体系 + 动物园管理系统

我们将构建一个完整的动物继承体系，展示继承、重写和多态，并实现一个简单的动物园管理程序。

类设计

Animal（抽象基类）├── __init__: name, age├── speak(): 抽象方法├── eat(): 通用实现├── __str__: 显示信息Mammal（哺乳动物） extends Animal├── __init__: name, age, fur_color├── give_birth(): 胎生Bird（鸟类） extends Animal├── __init__: name, age, wing_span├── fly(): 飞行Reptile（爬行动物） extends Animal├── __init__: name, age, is_venomous├── crawl(): 爬行Dog（狗） extends Mammal├── speak(): "汪汪"├── wag_tail(): 摇尾巴Cat（猫） extends Mammal├── speak(): "喵喵"├── purr(): 打呼噜Eagle（鹰） extends Bird├── speak(): "嘶鸣"├── hunt(): 捕猎Zoo（动物园） 管理所有动物├── add_animal()├── list_animals()├── make_all_speak()└── find_by_type()

完整代码

# ============================================# 动物继承体系 + 动物园管理系统# 知识点：继承、方法重写、多态、特殊方法# ============================================classAnimal:"""动物基类"""def__init__(self, name, age):self.name = nameself.age = agedefeat(self):print(f"{self.name} 正在进食")defspeak(self):# 抽象方法，子类必须重写raise NotImplementedError("子类必须实现 speak 方法")def__str__(self):returnf"{self.__class__.__name__}({self.name}, {self.age}岁)"def__repr__(self):returnself.__str__()classMammal(Animal):"""哺乳动物类"""def__init__(self, name, age, fur_color):super().__init__(name, age)self.fur_color = fur_colordefgive_birth(self):print(f"{self.name} 生了一只小宝宝")classBird(Animal):"""鸟类"""def__init__(self, name, age, wing_span):super().__init__(name, age)self.wing_span = wing_span  # 翼展（厘米）deffly(self):print(f"{self.name} 展翅高飞，翼展 {self.wing_span} cm")classReptile(Animal):"""爬行动物类"""def__init__(self, name, age, is_venomous):super().__init__(name, age)self.is_venomous = is_venomousdefcrawl(self):print(f"{self.name} 正在爬行")# ---------- 具体动物子类 ----------classDog(Mammal):defspeak(self):return"汪汪！"defwag_tail(self):print(f"{self.name} 摇着尾巴，很开心！")classCat(Mammal):defspeak(self):return"喵喵～"defpurr(self):print(f"{self.name} 发出咕噜咕噜的声音")classEagle(Bird):defspeak(self):return"嘶鸣——"defhunt(self):print(f"{self.name} 正在捕猎")classSnake(Reptile):defspeak(self):return"嘶嘶嘶..."defeat(self):# 重写 eat 方法，增加蛇特有的进食行为super().eat()print(f"{self.name} 一口吞下了猎物！")# ---------- 动物园类 ----------classZoo:"""动物园管理类"""def__init__(self, name):self.name = nameself.animals = []  # 存放所有动物对象defadd_animal(self, animal):"""添加动物"""self.animals.append(animal)print(f"✅ {animal.name} 已加入 {self.name}")deflist_animals(self):"""列出所有动物"""ifnotself.animals:print("🏚️ 动物园暂时没有动物")returnprint(f"\n{'='*50}")print(f"        🦁 {self.name} 动物名录")print(f"        总数：{len(self.animals)} 只")print(f"{'='*50}")for i, animal inenumerate(self.animals, 1):            type_name = animal.__class__.__name__print(f"{i}. {type_name} | {animal} | 叫声：{animal.speak()}")print(f"{'='*50}")defmake_all_speak(self):"""让所有动物叫一遍（多态演示）"""print(f"\n🔊 {self.name} 大合唱：")for animal inself.animals:print(f"  {animal.name}：{animal.speak()}")deffind_by_type(self, class_name):"""根据类型名称查找动物"""        result = []for animal inself.animals:if animal.__class__.__name__ == class_name:                result.append(animal)return resultdef__len__(self):"""返回动物总数"""returnlen(self.animals)def__str__(self):returnf"🏛️ {self.name}（{len(self.animals)} 只动物）"# ========== 测试和演示 ==========if __name__ == "__main__":# 创建动物园    zoo = Zoo("幸福动物园")print(f"欢迎来到 {zoo}！")# 创建各种动物    dog = Dog("旺财", 3, "金色")    cat = Cat("咪咪", 2, "橘色")    eagle = Eagle("小鹰", 5, 180)    snake = Snake("小青", 1, True)# 添加到动物园print("\n--- 添加动物 ---")    zoo.add_animal(dog)    zoo.add_animal(cat)    zoo.add_animal(eagle)    zoo.add_animal(snake)# 展示所有动物    zoo.list_animals()# 多态演示：所有动物一起叫    zoo.make_all_speak()# 演示父类和子类方法的调用print("\n--- 行为演示 ---")    dog.wag_tail()    cat.purr()    eagle.hunt()    snake.eat()  # 重写了 eat 方法# 特殊方法演示print(f"\n动物园大小：{len(zoo)} 只动物")print(zoo)   # 调用 __str__# 按类型查找print("\n--- 查找哺乳动物 ---")    mammals = zoo.find_by_type("Mammal")for m in mammals:print(f"  {m.name}")

运行效果示例

欢迎来到 🏛️ 幸福动物园（0 只动物）！--- 添加动物 ---✅ 旺财 已加入 幸福动物园✅ 咪咪 已加入 幸福动物园✅ 小鹰 已加入 幸福动物园✅ 小青 已加入 幸福动物园==================================================        🦁 幸福动物园 动物名录        总数：4 只==================================================1. Dog | Dog(旺财, 3岁) | 叫声：汪汪！2. Cat | Cat(咪咪, 2岁) | 叫声：喵喵～3. Eagle | Eagle(小鹰, 5岁) | 叫声：嘶鸣——4. Snake | Snake(小青, 1岁) | 叫声：嘶嘶嘶...==================================================🔊 幸福动物园 大合唱：  旺财：汪汪！  咪咪：喵喵～  小鹰：嘶鸣——  小青：嘶嘶嘶...--- 行为演示 ---旺财 摇着尾巴，很开心！咪咪 发出咕噜咕噜的声音小鹰 正在捕猎小青 正在进食小青 一口吞下了猎物！动物园大小：4 只动物🏛️ 幸福动物园（4 只动物）--- 查找哺乳动物 ---  旺财  咪咪

本周小结

本周我们深入了面向对象的核心——继承与多态：

继承和多态是面向对象编程的“灵魂”。🚀