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python进阶：抽象基类与接口

article 2025/2/25 17:42:10

目标

深入理解抽象基类（Abstract Base Classes, ABC）的作用。
学习如何使用 abc 模块创建和管理抽象类。
掌握鸭子类型（Duck Typing）的概念及其在强化类型检查中的应用。
实现一个插件架构系统，利用抽象基类和鸭子类型来确保插件的兼容性。

课程内容

一、抽象基类（Abstract Base Classes, ABC）

1. 什么是抽象基类？

抽象基类是一种用于定义接口的工具，它强制子类实现特定的方法。
通过 abc 模块，可以轻松创建抽象类和接口。
抽象基类本身不能被实例化，只能被继承。

2. 创建抽象类

使用 @abstractmethod 装饰器定义抽象方法。
示例代码：

from abc import ABC, abstractmethod

class MyAbstractClass(ABC):
    @abstractmethod
    def my_method(self):
        pass

解释：

MyAbstractClass 是一个抽象类，继承自 ABC。
my_method 是一个抽象方法，子类必须实现它。

3. 子类实现抽象方法

子类必须实现所有抽象方法，否则无法实例化。
示例代码：

class MyClass(MyAbstractClass):
    def my_method(self):
        print("Implementation of my_method")

# 创建实例
obj = MyClass()
obj.my_method()  # 输出：Implementation of my_method

解释：

MyClass 继承自 MyAbstractClass，并实现了 my_method 方法。
现在可以创建 MyClass 的实例并调用 my_method。

二、鸭子类型强化

1. 鸭子类型的定义与特点

鸭子类型是一种动态类型检查机制，强调对象的行为（即方法和属性的存在）而非其类型。
通常用于函数的参数检查，确保对象具备所需的方法。

2. 使用 `abc` 模块加强鸭子类型

定义一个抽象类作为接口，确保对象实现特定的方法。
示例代码：

from abc import ABC, abstractmethod

class MyInterface(ABC):
    @abstractmethod
    def do_something(self):
        pass

def my_function(obj):
    if isinstance(obj, MyInterface):
        obj.do_something()
    else:
        raise TypeError("obj must implement MyInterface")

# 使用示例
class MyClass(MyInterface):
    def do_something(self):
        print("Doing something")

obj = MyClass()
my_function(obj)  # 输出：Doing something

解释：

MyInterface 是一个抽象类，定义了一个抽象方法 do_something。
my_function 检查传入的对象是否是 MyInterface 的实例，如果是，则调用 do_something 方法。
这种方式强化了鸭子类型，确保对象具备所需的行为。

三、插件架构系统

1. 插件架构的基本概念

插件架构是一种允许动态加载和管理扩展模块的系统。
插件通常通过实现特定接口来与主系统交互。

2. 定义插件接口

使用抽象基类定义插件必须实现的接口。
示例代码：

from abc import ABC, abstractmethod

class PluginInterface(ABC):
    @abstractmethod
    def plugin_method(self):
        pass

解释：

PluginInterface 是一个抽象类，定义了 plugin_method 方法。
所有插件类必须继承 PluginInterface 并实现 plugin_method 方法。

3. 实现插件的动态加载

使用 importlib 模块动态导入插件模块。
示例代码：

import importlib
from pathlib import Path

class PluginManager:
    def __init__(self):
        self.plugins = []

    def load_plugins(self, plugin_dir):
        for file in Path(plugin_dir).glob("*.py"):
            module_name = file.stem
            module = importlib.import_module(f"plugins.{module_name}")
            for obj_name in dir(module):
                obj = getattr(module, obj_name)
                if isinstance(obj, type) and issubclass(obj, PluginInterface):
                    self.plugins.append(obj())

    def execute_plugins(self):
        for plugin in self.plugins:
            plugin.plugin_method()

解释：

PluginManager 负责加载和管理插件。
load_plugins 方法遍历指定目录中的 Python 文件，动态导入模块，并检查模块中是否存在实现 PluginInterface 的类。
找到符合条件的插件类后，创建其实例并添加到 plugins 列表中。
execute_plugins 方法遍历所有插件实例，调用 plugin_method。

4. 管理插件

提供方法加载、执行插件。
示例代码：

# 创建插件类
class PluginA(PluginInterface):
    def plugin_method(self):
        print("Plugin A is executing")

class PluginB(PluginInterface):
    def plugin_method(self):
        print("Plugin B is executing")

# 使用示例
manager = PluginManager()
manager.load_plugins("plugin_directory")
manager.execute_plugins()
# 输出：
# Plugin A is executing
# Plugin B is executing

解释：

定义了两个插件类 PluginA 和 PluginB，它们都继承自 PluginInterface，并实现了 plugin_method 方法。
manager 加载插件目录中的所有插件，并执行它们的 plugin_method 方法。

作业：实现插件架构系统

目标

创建一个插件架构系统，允许动态加载和管理多个插件。插件必须实现特定的接口。

步骤

定义插件接口
- 创建一个抽象类 PluginInterface，包含 plugin_method 方法。
创建插件类
- 实现 PluginInterface 接口，提供具体的插件功能。
实现插件管理类
- 提供方法加载、执行插件。
测试插件系统
- 创建多个插件，验证插件的动态加载和执行功能。

示例代码

from abc import ABC, abstractmethod
import importlib
from pathlib import Path

class PluginInterface(ABC):
    @abstractmethod
    def plugin_method(self):
        pass

class PluginA(PluginInterface):
    def plugin_method(self):
        print("Plugin A is executing")

class PluginB(PluginInterface):
    def plugin_method(self):
        print("Plugin B is executing")

class PluginManager:
    def __init__(self):
        self.plugins = []

    def load_plugins(self, plugin_dir):
        for file in Path(plugin_dir).glob("*.py"):
            module_name = file.stem
            module = importlib.import_module(f"plugins.{module_name}")
            for obj_name in dir(module):
                obj = getattr(module, obj_name)
                if isinstance(obj, type) and issubclass(obj, PluginInterface):
                    self.plugins.append(obj())

    def execute_plugins(self):
        for plugin in self.plugins:
            plugin.plugin_method()

# 使用示例
manager = PluginManager()
manager.load_plugins("plugin_directory")
manager.execute_plugins()