Python巩固

PYTHON 补充知识点

面向对象三大特性：封装，继承和多态。

继承的意义在于两点：

第一，子类如若继承自父类，则自动获取父类所有功能，并且可以在此基础上再去添加自己独有的功能。

第二，当子类和父类存在同样方法时，子类的方法覆写了父类的代码，于是子类对象执行的将是子类的方法，即“多态”。

多态到底有什么用呢？在继承关系里，子类对象的数据类型也可以被当作父类的数据类型，但是反过来不行。那么当我们编写一个函数，参数需要传入某一个类型的对象时，我们根本不需要关心这个对象具体是哪个子类，统统按照基类来处理，而具体调用谁的重载函数，再具体根据对象确切类型来决定：

class Animal():
    def get_name(self):
        print("animal")

class Dog(Animal):
    def get_name(self):
        print("dog")

class Cat(Animal):
    def get_name(self):
        print("cat")

def run(animal):  # 待执行的函数。
    animal.get_name()

cat = Cat()
run(cat)
dog = Dog()
run(dog)

>>>cat
>>>dog

当我们再新增子类rabbit，wolf等时，根本不需要改变run函数。这就是著名的开闭原则：即对扩展开放（增加子类），对修改关闭（不需要改变依赖父类的函数参数）

多态存在的三个必要条件：继承，重写，父类引用指向子类对象。

对于静态语言来说，需要传入参数类型，那么实参则必须是该类型或者子类才可以。而对于动态语言（比如python）来说，甚至不需要非得如此，只需要这个类型里面有个get_name方法即可。这就是动态语言的鸭子特性：只要走路像鸭子，就认为它是鸭子！”这样的话，多态的实现甚至可以不要求继承。

装饰器的使用

装饰器的本质就是一个Python函数，它可以在其他函数不做任何代码变化的前提下增强额外功能。装饰器也返回一个函数对象。当我们想给很多函数额外添加功能，给每一个添加太麻烦时，就可以使用装饰器。

比如有几个函数想给它们添加一个“输出函数名称的功能”：

def test():
    print("this is test")
    print(test.__name__)

test()

但是如果还有其他函数也需要这个功能，那么就要每个都添加一个print，这样代码非常冗杂。这时候就可以使用装饰器。

def log(func):
    def wrapper(*args,**kwargs):
        print(func.__name__)
        return func(*args,**kwargs)
    return wrapper

@log  # 装饰器
def test():
    print("this is test")

test()

当把@log加到test的定义处时相当于执行了：

test = log(test)

于是乎再执行test()其实就wrapper()，可以得到原本函数的功能以及新添加的功能，非常方便。

还可以定义一个带参数的装饰器，这给装饰器带来了更大的灵活性：

def log(text):
    def decorator(func):
        def wrapper(*args, **kwargs):
            print(text)
            return func(*args, **kwargs)
        return wrapper
    return decorator

@log("ahahahahaha")  # 带参数的装饰器
def test():
    print("this is test")

这样就相当于执行了：

test = log("ahahahahaha")(test)

还有一点，虽然装饰器非常方便，但是这样使用会导致test的原信息丢失（比如上面的代码test.__name__会变成"wrapper"而不是"test"）。这样的话需要导入一个functool包，然后在wrapper函数前面加上一句@functools.wraps(func)就可以了：

def log(text):
    def decorator(func):
        @functools.wraps(func)  # 加上一句
        def wrapper(*args, **kwargs):
            print(text)
            return func(*args, **kwargs)
        return wrapper
    return decorator

@log("ahahahahaha")
def test():
    print("this is test")

最后，如果一个函数使用多个装饰器进行装饰的话，则需要根据逻辑确定装饰顺序。

Python中的多继承与MRO

Python是允许多继承的（即一个子类有多个父类）。多重继承的作用主要在于给子类拓展功能：比如dog和cat都是mamal类的子类,它们拥有mamal的功能，如果想给它们添加“runnable”的功能，只需要再继承一个类runnable即可。这个额外功能的类一般都会加一个“Mixin”后缀作为区分，表示这个类是拓展功能用的：

class Dog(mamal,RunableMixIn,CarnivorousMixIn)
    pass

使用Mixin的好处在于不用设计复杂的继承关系即可拓展类的功能。

多继承会产生一个问题：如果同时有多个父类都实现了一个方法，那么子类应该调用谁的方法呢？这就涉及到MRO（方法解析顺序）。

在Python3之后，MRO使用的都是C3算法（不区分经典类和新式类，全部都是新式类）。C3算法首先使用深度优先算法，先左后右，得到搜索路径后，只保留“好的结点”。好的结点指的是：该节点之后没有任何节点继承自这个节点。
比如说下图：

按照深度优先，从左至右的顺序应该是F,A,Y,X,B,Y,X。其中第一个Y和第一个X后面B也继承自Y，X，于是把它们去掉，最终路径是：F,A,B,Y,X

在MRO中，使用super方法也要注意：假设有类A,B,C，A继承自B和C。如果B中使用了Super重写了一个方法，这个方法会在C中去寻找（尽管C并不是B的父类）：

class B:
    def log(self):
        print("log B")

    def go(self):
        print("go B")
        super(B, self).go()
        self.log()

class C:

    def go(self):
        print("go C")


class A(B, C):

    def log(self):
        print("log A")
        super(A,self).log()


if __name__ == "__main__":
    a = A()
    # 1.a对象执行go，先找自己有没有go，自己没有按照MRO去找B
    # 2.B中找到了go并执行，super顺位查找到c的go，执行。
    # 3.然后执行self.log，因为self此时是A对象，于是首先找到A中的log函数执行
    # 4.再次执行super函数，此时顺位查找到B，执行B.log
    a.go()  

"结果"
go B
go C
log A
log B

进程与线程

以前的单核CPU也可以进行多任务，方法是任务1一会儿，任务2一会儿，任务3一会儿......因为CPU速度很快，所以看起来像是执行了多任务，其实就是交替执行任务。

真正的并行需要在多核CPU上进行。但实际开发中的任务数量一定比核数量要多，所以每个核依旧是在交替执行任务。

进程：对于操作系统来说，一个任务就是一个“进程”，打开一个文件，程序等都是打开一个“进程”。

当一个程序在硬盘上运行起来，会在内存中形成一个独立的内存体，这个内存体中有自己独立的地址空间，有自己的堆。操作系统会以进程为最小的资源分配单位。

线程：线程是操作系统调度执行的最小单位。有时一个进程会有多个子任务：比如一个word文件它同时进行打字、编排、拼写检查等任务，这些子任务被称为“线程”。每个进程至少要有一个线程，和进程一样，真正的多线程只能依靠多核CPU来实现。

进程与线程的区别：进程是拥有资源的独立单位，线程不拥有系统资源，但可以访问自己所隶属的进程的资源。在系统开销方面，进程的创建与撤销都需要系统都要为之分配和回收资源，它的开销要比线程大。

多进程的优点是稳定性高，因为一个进程挂了，其他进程还可以继续工作。（主进程不能挂，但是由于主进程负责分配任务，所以挂的概率很低）。而线程呢，由于多线程共享一个进程的内存，所以一个线程挂了全体一起挂。并且多线程在操作共享资源时容易出错（死锁等问题）

一个线程只能属于一个进程，而一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程；
资源分配给进程，同一进程的所有线程共享该进程的所有资源；
处理机分给线程，即真正在处理机上运行的是线程；
线程在执行过程中，需要协作同步。不同进程的线程间要利用消息通信的办法实现同步

无论是多进程还是多线程，一旦任务数量多了效率都会急剧下降，因为切换任务不仅仅是直接去执行就好了，这中间还需要保存现场、创建新环境等一系列操作，如果任务数量一多会有很多时间浪费在这些准备工作上面。

实现多任务主要有三种办法：

1. 多个进程，每个进程仅有一个线程
2. 一个进程，进程中有多个线程
3. 多进程多线程（过于复杂，不推荐）

同时执行多个任务的时候，任务之间是要互相协调的，有时任务2必须要等任务1结束之后去执行，有时任务3和4不能同时执行......所以多进程和多线程编写架构要相对更复杂。

任务类型主要分为IO密集型和计算密集型”。计算密集型任务主要是需要大量计算，比如计算圆周率，对视频解码等。计算密集型任务主要消耗的是CPU资源（不适合Python这种运算效率低的脚本语言编写代码，适合C语言）；而IO密集型任务主要是IO操作，CPU消耗很少，大部分时间都消耗在等待IO。（适合开发效率高的脚本语言）

对于计算密集型任务来说，如果多进程多线程任务远远大于核数，那么效率反而会急剧下降；而对于IO密集型任务来说，多进程多线程可能会好一些，但还是不够好。

利用异步IO可以实现单进程单线程执行多任务。利用异步IO可以显著提升操作系统的调度效率。对应到Python语言，异步IO被称为协程。

协程：比线程更加轻量级的“微线程”，协程不被操作系统内核管理，而是由用户自己执行。这样的好处就是极大的提升了调度效率，不会像线程那样切换浪费资源。

子程序在所有语言里都是层级调用（栈实现），即A调用B，B又调用C，C完了B完了最后A才能完。一个线程就是调用一个子程序。而协程不同，用户可以任意在执行A时暂停去执行B，过一会儿再来执行A。

协程的优势在于：由于是程序自己控制子程序切换，所以相比线程可以节省大量不必要的切换，对于IO密集型任务来说协程更优。而且不需要线程的锁机制。

协程是在单线程上执行的，那么如何利用多核CPU呢？方法就是多进程+协程。