物件導向程式設計四大支柱之三與四：抽象與多型

續談第三與第四支柱：抽象（Abstraction）與多型（Polymorphism）。

Yao-Jen Kuo

Oct 15, 2020

標籤：程式設計

圖片來源：Photo by Cater Yang on Unsplash

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什麼是物件導向

我們常聽到對 Python 程式語言的描述可能會有直譯（Interpreted）、高階（High-level）、泛用（General-purposed）或者物件導向（Object-oriented），其中最息息相關、也最容易讓人困惑的，大概會是「物件導向」這個描述。

其中原因可能是資料分析師在使用 Python 程式語言的時候多半是採取順序型態（Procedural），我們可以將順序型態的寫作方式想像成定義多個關聯函式，這些函式在定義完成之後，可以依序呼叫將資料從輸入轉變成為輸出；順序型態的程式設計恰巧也與 Jupyter Notebook 的操作：從最上方的儲存格開始執行到最下方的儲存格不謀而合，因此廣為資料分析師所熟稔並不是太意外的一件事。

那麼，物件導向與順序型態的差別在哪裡呢？

物件導向程式設計四大支柱

具體來說，物件導向程式設計可以讓程式碼實現四個特殊性質，俗稱四大支柱（Four-pillars of object-oriented programming）：

封裝（Encapsulation）；
繼承（Inheritance）；
抽象（Abstraction）；
多型（Polymorphism）。

讓我們接續第一篇文章及第二篇文章，續談第三與第四個支柱：抽象與多型。

什麼是抽象

抽象（Abstraction）在物件導向程式設計中是用來將成員屬性（Attributes）與成員方法（Methods）的實作細節隱藏起來的機制，抽象的優點與思維有一部分已經在封裝中被我們體現出來：對使用者而言，可以在沒有檢視過類別程式碼的情況下，就能透過屬性檢視、方法呼叫來運用類別所包含的功能。

另一部分抽象所蘊涵的特性，是提供類別開發者一種可以宣告成員方法而不實作細節的機制，稱為抽象方法（Abstract method），假如一個類別的宣告中包含有抽象方法，則該類別就被稱為抽象類別（Abstract class）。而由於其中含有未完成的抽象方法，所以抽象類別只能拿來繼承，等待新類別能夠在繼承後完成該抽象方法，而不能夠初始化。

在 Python 中若想要定義一個抽象類別，要透過繼承標準套件 abc 中的 ABC 類別（顧名思義就是 ABstract Class）與 @abstractmethod 裝飾器，來實現一個包含抽象方法、並且「不能初始化」的類別。

from abc import ABC, abstractmethod

class AbstractAdd(ABC):
    @abstractmethod
    def add(self):
        pass
aa = AbstractAdd() # Unable to initialize, expecting error

接著定義一個新類別去繼承抽象類別，這時我們將會發現新類別將可以初始化、完成抽象方法的實作並且順利呼叫。

class SimpleAdd(AbstractAdd):
    def add(self, x, y):
        return x + y

sa = SimpleAdd() # Able to initialize
sa.add(55, 66)

什麼是多型

多型（Polymorphism）在物件導向程式設計中是用來讓多個成員方法在同樣命名的情況下，呈現不同實作細節的機制，如此可以讓使用者在同一個操作介面下，實踐不同的運算結果，在認識多型的時候搭配前述的繼承與抽象一起操作，會有助於理解其特質。

舉例來說，SimpleAdd 與 IntermediateAdd 都繼承了 AbstractAdd 這個抽象類別，但是在實作同名的 add 方法時，前者設計為單純的兩數相加、後者設計為較進階的彈性參數加總。即便兩者都繼承自同一個抽象類別、都實作同樣命名的成員方法，卻能夠體現不同的加法運算邏輯型態。

class IntermediateAdd(AbstractAdd):
    def add(self, *args):
        return sum(args)

ia = IntermediateAdd() # Able to initialize
ia.add(5, 5, 6, 6)

專案簡介

在這個專案中，我們打算使用 Python 自訂三個類別 AbstractAdd、SimpleAdd 與 IntermediateAdd；這三個類別分別都僅具有一個成員方法。透過這個專案，我們能夠暸解何謂物件導向的第三與第四支柱：抽象與多型。

點選連結在瀏覽器開啟互動 Jupyter Notebook 查看完整程式碼以及細節：https://mybinder.org/v2/gh/datainpoint/project-oop-abstraction-polymorphism/master?filepath=project-oop-abstraction-polymorphism.ipynb

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