Python设计模式 - 基础 - 类/接口之间的六种关系

在程序中需要把世间万物抽象成相应的类，现实世界中物与物之间的关系和程序中类与类之间的关系相对应，因为世间万物是普遍联系的，所以程序中类与类之间也不是孤立的。在系统分析和框架设计中，根据面向对象机制的三大特性：封装、继承、多态，归纳和扩展出类与类之间六种不同的关系：

　　　　- 依赖关系Dependency： 在局部变量，方法的形参，或者对静态方法的调用中实现

　　　　- 关联关系Association： 在类的成员变量中实现，可以双向也可以单向

　　　　- 聚合关系Aggregation： 强关联，整体与部分的关系，但是可分离

　　　　- 组合关系Composition： 更强关联，整体与部分的关系，不可分离

　　　　- 继承关系Generalization：类与类，或接口与接口之间的父子关系

　　　　- 实现关系Implementation： 接口或抽象类定义好的操作集合，由实现类完成接口或抽象类的具体操作

其实从更宽泛的角度来说，类与类之间的关系其实只有三种：继承、实现、关联(依赖是一种弱关联，聚合和组合是关联中的特例)。继承和实现是类与类之间的纵向关系，比如A类继承了B类，C类实现了D接口；而关联是类与类之间的横向关系，类与类之间的关联关系从弱到强依次为：依赖 < 关联 < 聚合 < 组合。

纵向的继承和实现关系很容易理解，横向的关联关系相对复杂些，尤其是对生命周期的不同处理，关联、聚合、组合只能结合上下文语义才好判断。下面就重点介绍下这些容易相互混淆的关联关系。

依赖关系(Dependency)                                                                                                                                      

概念说明

可以简单地理解，依赖就是一个类A使用到了另一个类B，仅仅是“使用到”，类B本身并不属于类A，或者说类A并不拥有类B。依赖关系是偶然性的、临时性的，但是因为类B本身被类A引用到，所以B类的变化也会影响到类A。比较常见的场景就是人乘飞机从一地到另一地，飞机和人之间并没有所属关系，只是一种临时性的出行工具，此时人和飞机之间就是依赖关系。

代码实现

依赖关系在代码上体现为三种形式：

　　　　- 类B作为类A方法的形参

　　　　- 类B作为类A方法的局部变量

　　　　- 类A调用类B的静态方法

# 类B作为类A方法的形参

class Person(object):
    def flying(self, plane):
        plane.fly()

class Plane(object):
    def fly(self):
        print ("The plane is flying.")

>>> person = Person()
>>> plane = Plane()
>>> person.flying(plane)
The plane is flying.
>>> 

# 类B作为类A方法的局部变量

class Person(object):
    def flying(self):
        self.plane = Plane()
        plane.fly()

class Plane(object):
    def fly(self):
        print ("The plane is flying")

>>> person = Person()
>>> person.flying()
The plane is flying.
>>> 

# 类A调用类B的静态方法

class Person(object):
    def flying(self):
        Plane.fly()

class Plane(object):
    @staticmethod
    def fly():
        print ("The plane is flying.")

>>> person = Person()
>>> person.flying()
The plane is flying.
>>>

UML类图

UML中使用带箭头的虚线表示，箭头指向表示调用关系，从类A指向类B

关联关系(Association)                                                                                                                                      

概念说明

关联关系一般长期性的、拥有性的关系，而且双方的关系一般是平等的，如学校与学生之间、老师与学生之间。被关联类B以类的属性形式出现在关联类A中，关联可以是单向的，也可以是双向的。

依赖关系与关联关系的区别有动静之分，依赖关系的偶然性和临时性说明了动态性，关联关系的长期性、拥有性静态地展示了对被关联类的引用。

代码实现

关联关系在代码上体现为四种形式：

　　　　- 单向关联：单向拥有关系，只有一个类知道另一个类的属性和方法

　　　　- 双向关联：双向拥有关系，双方都知道对方的属性和方法

　　　　- 自身关联：自己关联自己，这种情况比较少但也有用到，如链表

　　　　- 多重性关联：表示两个类的对象在数量上的对应关系，多重性可在关联线上用数字范围表示

　　　　　　　　　　multiplicity: 多重性　　

　　　　　　　　　　　   1　   　　仅为1

　　　　　  　　　　　　 *　　　　从0到无穷大

　　　  　　　　　　0..1  　　0 或者 1

　　　　　　　　　　　　n..m 　　 [n, m]之间的任何数

　　

# 单向关联
class Student(object):
    def __init__(self):
        self.title = "Seno"
    def study(self):
        print ("Studying...")

class School(object):
    def __init__(self):
        self.address = "ABC Street"
        self.student = Student()

    def act(self):
        print (self.student.title)
        self.student.study()

>>> school = School()
>>> school.act()
Seno
Studying...
>>> 

# 双向关联

class Student(object):
    def __init__(self):
        self.school = School()

class School(object):
    def __init__(self):
        self.student = Student()

　　　　

# 自身关联

class Node(object):
    def __init__(self):
        self.next = Node()

UML类图

UML中使用直线箭头表示，箭头指向为被关联的类，从类A指向类B

单向关联

双向关联

自我关联

多重性关联

聚合关系(Aggregation)                                                                                                                                    

概念说明

聚合关系是也是关联关系的特例。普通关联关系的两个类一般处于同一平等层次上，而聚合关系的两个类处于不同的层次，是整体与部分的关系。聚合关系中的整体和部分是可以分离的，生命周期也是相互独立的，如公司与员工之间。

代码实现

聚合关系在代码上体现为：类A由类B聚合而成，类A包含有类B的全局对象，但类B的对象可以不在类A创建的时刻创建。

class School(object):
    def __init__(self):
        self.__students = []

    def add_student(self, student):
        self.__students.append(student)

class Student(object):
    pass

>>> student = Student()
>>> school = School()
>>> school.add_student(student)
>>> 

UML类图

UML中使用空心菱形+实线箭头表示，空心菱形边指向类A(整体)，实现箭头边指向部分类B(部分)

组合关系(Composition)                                                                                                                                  

概念说明

组合关系也是关联关系的特例，属于强聚合，本身也表示整体与部分的关系，但是组合关系中的整体和部分是不可分离的，整体生命周期的结束时也是部分的生命周期到头时。如人和大脑。

聚合和组合其实都是关联的特例，都是整体与部分的关系。它们的区别在于整体和部分是否可分离，聚合的两个对象之间是可分离的，且具有各自的生命周期，而组合的两个对象往往表现为一种同命相连的关系。

代码实现

组合关系在代码上体现为在整体类的构造方法中直接实例化成员类，因为类组合关系中整体与部分是共生的。

class Person(object):
    def __init__(self):
        print ("Person Iinitialization Start")
        self.__brain = Brain()
        print ("Person Iinitialization End")

    def run(self):
        print ("Running...")

class Brain(object):
    def __init__(self):
        print ("Brain Initialization Start")
        print ("Brain Initialization End")

>>> person = Person()
Person Iinitialization Start
Brain Initialization Start
Brain Initialization End
Person Iinitialization End
>>> person.run()
Running...
>>> 

UML类图

UML中使用实心菱形+实线箭头表示，实心菱形边指向类A(整体)，实线箭头边指向类B(部分)

继承关系(Generalization)                                                                                                                              

概念说明

继承指的是子类继承父类、或子接口继承父接口的功能并增加自己新功能的过程，是两个类之间耦合度最大的关系之一。父类称为基类或超类，子类也称为派生类。子类可以继承自抽象类或普通类。

代码实现

继承关系在代码上体现为二种形式：

　　　　- 子类继承自抽象类或普通类

　　　　- 子接口继承自父接口：适用于Java

# 子类继承自抽象类，必须实现父类中@abstractmethod修饰的抽象方法
from abc import ABCMeta, abstractmethod

class Animal(metaclass=ABCMeta):
    def __init__(self):
        self.name = "Animal"

    @abstractmethod
    def run(self):
        print ("Animal is running.")

    def play(self):
        print ("Animal is playing.")

class Dog(Animal):
    def __init__(self):
        self.name = "Dog"

    def run(self):
        print ("Dog is running.")

    def __bark(self):
        print ("Dog is barking.")

class Cat(Animal):
    def __init__(self):
        self.name = "Cat"

    def run(self):
        print ("Animal is running.")

    def play(self):
        print ("Cat is running.")

    def __jump(self):
        print ("Cat is jumping.")

>>> dog = Dog()
>>> cat = Cat()
>>> dog.run()
Dog is running.
>>> dog.play()
Animal is playing.>>> cat.run()
Animal is running.
>>> cat.play()
Cat is running.>>> 

# 子类继承自普通类，子类方法重写父类同名非私有方法

class Animal(object):
    def __init__(self):
        self.name = "Animal"

    def run(self):
        print ("Animal is running.")

    def play(self):
        print ("Animal is playing.")

class Dog(Animal):
    def __init__(self):
        self.name = "Dog"

    def run(self):
        print ("Dog is running.")

    def __bark(self):
        print ("Dog is barking.")

class Cat(Animal):
    def __init__(self):
        self.name = "Cat"

    def play(self):
        print ("Cat is running.")

    def __jump(self):
        print ("Cat is jumping.")

>>> dog = Dog()
>>> cat = Cat()
>>> dog.run()
Dog is running.
>>> dog.play()
Animal is playing.>>> cat.run()
Animal is running.
>>> cat.play()
Cat is running.>>> 

UML类图

UML中使用实线+空心箭头表示，箭头由子类指向父类、或子接口指向父接口

实现关系(Implementation)                                                                                                                            

概念说明

实现关系是指一个类实现一个或多个接口功能的过程，这里的接口更多的是一种契约或规范。实现是两个类之间或类与接口之间耦合度最大的关系之一，在这种关系中，类实现了接口或接口类中所声明的操作。

代码实现

实现关系在代码上体现为二种形式：

　　　　- 类具体实现接口中所声明的操作：如Java中支持原生interface，可以直接implement

　　　　- 类具体实现接口类中所声明的操作：如python中无原生interface，这里的接口类更多的是逻辑上的契约或规范

class Car(object):
    def engine(self):
        raise NotImplementedError

class Benz(Car):
    def engine(self):
        print ("Benz is running.")

class BMW(Car):
    def engine(self):
        print ("BMW is running.")

>>> benz = Benz()
>>> bmw = BMW()
>>> benz.engine()
Benz is running.
>>> bmw.engine()
BMW is running.
>>> 

UML类图

UML中使用虚线+空心箭头表示，箭头由实现类指向接口