abc — Abstract Base Classes

This module provides the infrastructure for defining abstract base classes (ABCs) in Python, as outlined in PEP 3119; see the PEP for why this was added to Python. (See also PEP 3141 and the numbers module regarding a type hierarchy for numbers based on ABCs.)

官方介紹文件：29.7. abc — Abstract Base Classes

01. Quickstart Tutorial

使用 Python abc 套件的原因，是為了要解決 Python 沒有「抽象類別 (abstract class)」的問題。透過抽象類別，我們可以建立一個比起使用 hasattr() 還要更嚴格的類別介面 (class interface) 檢查。

舉例而言，我們來建立一個動物的類別，我們希望之後繼承實作的類別都一定要有「screaming」以及「walk」的方法，我們可以透過 abc.ABCMeta 這個 metaclass 來實作 Animal 抽象類別：

import abc

class Animal(metaclass=abc.ABCMeta):

    @abc.abstractmethod
    def screaming(self):
        ‘Return when animal screaming the sound hear likes’
        return NotImplemented

    @abc.abstractmethod
    def walk(self, x, y):
        ‘Make animal walk to position (x, y).’
        return NotImplemented

import abc

class Animal(metaclass=abc.ABCMeta):

@abc.abstractmethod

def screaming(self):

‘Return when animal screaming the sound hear likes’

return NotImplemented

@abc.abstractmethod

def walk(self, x, y):

‘Make animal walk to position (x, y).’

return NotImplemented

如果不透過 metaclass，我們也可以透過繼承 abc.ABC 這 helper class 達到相同的效果：

import abc

class Animal(abc.ABC):

    @abc.abstractmethod
    def screaming(self):
        ‘Return when animal screaming the sound hear likes’
        return NotImplemented

    @abc.abstractmethod
    def walk(self, x, y):
        ‘Make animal walk to position (x, y).’
        return NotImplemented

import abc

class Animal(abc.ABC):

@abc.abstractmethod

def screaming(self):

‘Return when animal screaming the sound hear likes’

return NotImplemented

@abc.abstractmethod

def walk(self, x, y):

‘Make animal walk to position (x, y).’

return NotImplemented

當我們使用 Animal 這個抽象類別來建立類別時，就必須要實作 screaming 以及 walk 。如果沒有實作的話，Python 就會產生 TypeError：

>>> class Dog(Animal):
…    pass
…
>>> Dog()  # Create a instance
Traceback (most recent call last):
  File “<stdin>”, line 1, in <module>
TypeError: Can’t instantiate abstract class Dog with abstract methods screaming, walk

>>> class Dog(Animal):

... pass

...

>>> Dog() # Create a instance

Traceback (most recent call last):

File “<stdin>”, line 1, in <module>

TypeError: Can‘t instantiate abstract class Dog with abstract methods screaming, walk

我們現在來實作 Dog 這個類別：

>>> class Dog(Animal):
…     x = 0
…     y = 0
…     def screaming(self):
…         return ‘Wof, Wof’
…     def walk(self, x, y):
…         self.x = x
…         self.y = y
…         return (self.x, self.y)
… 
>>> Dog()
<__main__.Dog object at 0x7fc207b10208>
>>> dog = Dog()
>>> dog.screaming()
‘Wof, wof!’
>>> dog.walk(10, 20)
(10, 20)

>>> class Dog(Animal):

... x = 0

... y = 0

... def screaming(self):

... return ‘Wof, Wof’

... def walk(self, x, y):

... self.x = x

... self.y = y

... return (self.x, self.y)

...

>>> Dog()

<__main__.Dog object at 0x7fc207b10208>

>>> dog = Dog()

>>> dog.screaming()

‘Wof, wof!’

>>> dog.walk(10, 20)

(10, 20)

我們也可以透過 isinstance 以及 issubclass 檢查 Dog 的類別：

>>> isinstnace(Dog(), Animal)
True
>>> issubclass(Dog, Animal)
True

>>> isinstnace(Dog(), Animal)

True

>>> issubclass(Dog, Animal)

True

如果有一天，我們認為 Python built-in 的 list 也是一個 Animal，我們可以透過 register 來改變這個事實：

>>> isinstance([], Animal)
False
>>> issubclass(list, Animal)
False
>>> Animal.register(list)  # Recognize list as Animal
>>> isinstance([], Animal)
True
>>> issubclass(list, Animal)
True

>>> isinstance([], Animal)

False

>>> issubclass(list, Animal)

False

>>> Animal.register(list) # Recognize list as Animal

>>> isinstance([], Animal)

True

>>> issubclass(list, Animal)

True

這個用法在 collections.abc 被大量的使用，CPython 在 collections.abc 中定義了許多的基礎抽象類別，例如說 Sequence、Iterable 等。現實中符合 Sequence 定義的類別有這些：tuple、str、range、memoryview。我們可以在原始碼看到，他們被 Sequence register 過：

Sequence.register(tuple)
Sequence.register(str)
Sequence.register(range)
Sequence.register(memoryview)

Sequence.register(tuple)

Sequence.register(str)

Sequence.register(range)

Sequence.register(memoryview)

接著，我們就可以使用 Sequence 這個抽象類別來比較 list 以及 tuple (即使 list 以及 tuple 沒有繼承自 Sequence)。在這邊我們稱作為 virtual subclasses：

>>> from collections import abc
>>> isinstance([], abc.Sequence)
True
>>> isinstnace((), abc.Sequence)
True
>>> issubclass(list, abc.Sequence)
True
>>> issubclass(tuple, abc.Sequence)
True

>>> from collections import abc

>>> isinstance([], abc.Sequence)

True

>>> isinstnace((), abc.Sequence)

True

>>> issubclass(list, abc.Sequence)

True

>>> issubclass(tuple, abc.Sequence)

True

02. HOW-TO GUIDE

前面提到了抽象方法，那其他的類別屬性也能夠抽象化嗎？答案是可以，自 Python 3.3 版後，只需要在 method decorator 後面加上 abstractmethod 即可：

抽象化 classmethod 以及 staticmethod

import abc

class Base(abc.ABC):

    @classmethod
    @abc.abstractmethod
    def setUpClass(cls):
        return NotImplemented

    @staticmethod
    @abc.abstractmethod
    def count(self, data):
        return len(data)


class Implementation(Base):

    @classmethod
    def setUpClass(cls):
        cls.count = 0

    @staticmethod
    def count(self, data):
        self.count = len(data)
        return self.count

import abc

class Base(abc.ABC):

@classmethod

@abc.abstractmethod

def setUpClass(cls):

return NotImplemented

@staticmethod

@abc.abstractmethod

def count(self, data):

return len(data)

class Implementation(Base):

@classmethod

def setUpClass(cls):

cls.count = 0

@staticmethod

def count(self, data):

self.count = len(data)

return self.count

抽象化 property

在 class 裡面的 property 也可以要求抽象化，同樣在 decorator 下面加上 abstractmethod 即可：

import abc


class Base(abc.ABC):
    _index = 0

    @property
    @abc.abstractmethod
    def index(self):
        return self._index

    @index.setter
    @abc.abstractmethod
    def index(self, new_index):
        self._index = new_index


class Implementation(Base):
    MAX_LEN = 100

    @property
    def index(self):
        return self._index

    @index.setter
    def index(self, new_index):
        new_index = min(new_index, self.MAX_LEN)
        self._index = new_index

imp = Implementation()
print(imp.index)
imp.index = 50
print(imp.index)
imp.index = 500
print(imp.index)

import abc

class Base(abc.ABC):

_index = 0

@property

@abc.abstractmethod

def index(self):

return self._index

@index.setter

@abc.abstractmethod

def index(self, new_index):

self._index = new_index

class Implementation(Base):

MAX_LEN = 100

@property

def index(self):

return self._index

@index.setter

def index(self, new_index):

new_index = min(new_index, self.MAX_LEN)

self._index = new_index

imp = Implementation()

print(imp.index)

imp.index = 50

print(imp.index)

imp.index = 500

print(imp.index)

03. DISCUSSIONS

> abc 的運作原理?

abc.ABCMeta 主要做到三件事情：

ABCMeta 是 metaclass，因此 override __new__ 方法，在這裡面會初始化 abstract 檢查的部分。
override __isinstancecheck__
override __issubclasscheck__

> 如何做到 decorator + abstractmethod 而不需要相對應的 abstract decorator (@abstractclassmethod…etc)?

請參考 commit: bfebb7b54a50f011 以及 bpo-11610。

簡而言之，透過新增加 C-API _PyObject_IsAbstract()，在 descrobject 以及 funcobject 的 tp_getset slot 裡面檢查是否有 __isabstractmethod__ 的參數即可。在 object.c 加入了 _PyObject_IsAbstract()、descrobject.c 加入 property_getsetlist、funcobject.c 分別加入 cm_getsetlist 以及 sm_getsetlist 到 tp_getset slot。

> abc.ABC helper class 的運作原理?

abc.ABC 程式碼如下：

class ABC(metaclass=ABCMeta):
    “””Helper class that provides a standard way to create an ABC using
    inheritance.
    “””
    __slots__ = ()

class ABC(metaclass=ABCMeta):

“””Helper class that provides a standard way to create an ABC using

inheritance.

“””

__slots__ = ()

大略說明，透過 metaclass=ABCMeta 來繼承 metaclass 的 method，讓普通 class 繼承 ABC 也會有 ABCMeta 的功能。接者把 __slots__ 設為 ()，這樣的設定讓其他人無法修改 ABC instance 的 attributes。

>>> import abc
>>> class Foo(object):
…     pass
…
>>> foo = Foo()
>>> foo.bar = 10
>>> print(foo.bar)
10
>>> a = abc.ABC()
>>> a.bar = 10
Traceback (most recent call last):
  File “<stdin>”, line 1, in <module>
AttributeError: ‘ABC’ object has no attribute ‘bar’

>>> import abc

>>> class Foo(object):

... pass

...

>>> foo = Foo()

>>> foo.bar = 10

>>> print(foo.bar)

>>> a = abc.ABC()

>>> a.bar = 10

Traceback (most recent call last):

File “<stdin>”, line 1, in <module>

AttributeError: ‘ABC’ object has no attribute ‘bar’

有關 __slots__ 的介紹，請參考 __slots__ 以及使用 __slots__。

> get_cache_token 的實際用途?

請參考 functools.py，除了這邊我找不到其他實際用途……

> abc.ABCMeta Performance Issue

請參考下列 mailing list:

abc.ABCMeta 對於 Python startup time 有著嚴重的影響。測出的結果，創立一個 abc.ABCMeta 的 class 會比普通的 class 慢上兩倍以上。同時 abc.ABCMeta 用了三個 weakset，這也是可以改善的地方。

目前上面 mailing list 提出的方法有幾種，一種是把 abc.py 使用 C 改寫、另一種是改善 weakset 的效能，或是改用其他方式。

04. REFERENCE

官方介紹文件– 29.7. abc — Abstract Base Classes
PEP 3119 – Introduce Abstract Base Classes
PEP 3141 – A Type Hierarchy for Numbers
collections.abc– Abstract Base Classes for Containers
abc – Abstract Base Classes – MOTW3
What is metaclass? – Stackoverflow best answer of metaclass

05. 實際應用

fuku-ml – Simple machine learning library / 簡單易用的機器學習套件
- Abstract Bases Class – Learner
- Used At different algorithm – Algorithm

Comments

2 responses to “abc — 抽象類別 — 你所不知道的 Python 標準函式庫用法 03”

你所不知道的 Python 標準函式庫用法 04 — weakref | louie_lu's blog

2017-07-29

[…] circular reference、caches 或是需要存放大型物件的地方 (上一篇文章談到的 abc 就有使用 WeakSet 來存放 Class […]

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2024-08-12

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abc — 抽象類別 — 你所不知道的 Python 標準函式庫用法 03

abc — Abstract Base Classes

01. Quickstart Tutorial

02. HOW-TO GUIDE

抽象化 classmethod 以及 staticmethod

抽象化 property

03. DISCUSSIONS

> abc 的運作原理?

> 如何做到 decorator + abstractmethod 而不需要相對應的 abstract decorator (@abstractclassmethod…etc)?

> abc.ABC helper class 的運作原理?

> get_cache_token 的實際用途?

> abc.ABCMeta Performance Issue

04. REFERENCE

05. 實際應用

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