Python中的抽象基类（Abstract Base Classes, ABC）与collections.abc模块

1. 抽象基类的概念与作用

抽象基类（ABC） 是一种特殊的类，它不能直接实例化，而是用于定义子类必须实现的接口（即方法或属性）。它的核心作用是：

• 强制规范：确保子类实现了特定的方法，避免在运行时因缺少方法而报错。
• 类型检查：通过isinstance()或issubclass()判断对象是否遵循特定接口。
• 代码可读性：明确标识类的设计意图，例如“这个类是一个可迭代对象”。

2. 如何定义抽象基类

Python通过abc模块实现抽象基类，关键工具包括：

• ABC类：作为抽象基类的基类。
• @abstractmethod装饰器：标记方法为抽象方法，子类必须重写。

示例：定义一个“形状”抽象基类

from abc import ABC, abstractmethod

class Shape(ABC):  # 继承ABC
    @abstractmethod
    def area(self):
        """计算形状的面积，子类必须实现此方法"""
        pass

    @abstractmethod
    def perimeter(self):
        """计算形状的周长"""
        pass

注意：

• 若子类未实现所有抽象方法，则子类也是抽象类，无法实例化。
• 抽象方法可以有默认实现，但子类仍需显式重写（可通过super()调用默认实现）。

3. 抽象基类的使用场景

场景1：接口强制规范

class Circle(Shape):
    def __init__(self, radius):
        self.radius = radius

    def area(self):
        return 3.14 * self.radius ** 2

    def perimeter(self):
        return 2 * 3.14 * self.radius

# 正确实例化
circle = Circle(5)

class InvalidShape(Shape):
    pass  # 未实现抽象方法

# 尝试实例化会报错：TypeError: Can't instantiate abstract class InvalidShape...

场景2：注册虚拟子类（Virtual Subclass）

通过register()方法将现有类注册为抽象基类的子类，无需直接继承。

class Square:  # 未继承Shape
    def __init__(self, side):
        self.side = side

    def area(self):
        return self.side ** 2

    def perimeter(self):
        return 4 * self.side

# 将Square注册为Shape的虚拟子类
Shape.register(Square)

# 类型检查通过
print(isinstance(Square(4), Shape))  # 输出: True
print(issubclass(Square, Shape))     # 输出: True

注意：注册仅影响类型检查，不会强制实现抽象方法（需开发者自行保证）。

4. collections.abc模块中的内置抽象基类

Python在collections.abc模块中预定义了常用抽象基类，用于描述容器类型的行为：

• Iterable：可迭代对象（需实现__iter__）。
• Iterator：迭代器（需实现__next__和__iter__）。
• Sequence：序列（需实现__getitem__和__len__）。
• Mapping：键值对映射（需实现__getitem__、__iter__和__len__）。

示例：自定义序列类型

from collections.abc import Sequence

class CustomRange(Sequence):
    def __init__(self, start, end):
        self.start = start
        self.end = end

    def __getitem__(self, index):
        if index < 0 or index >= len(self):
            raise IndexError("索引越界")
        return self.start + index

    def __len__(self):
        return self.end - self.start + 1

# 自动获得__contains__、index等序列方法
cr = CustomRange(1, 5)
print(list(cr))        # 输出: [1, 2, 3, 4, 5]
print(3 in cr)         # 输出: True

5. 抽象基类与鸭子类型的关系

• 鸭子类型：关注对象的行为（是否有特定方法），而非继承关系。
• 抽象基类：通过显式继承或注册，将鸭子类型规范化为类型层次结构。
• 协作方式：抽象基类提供类型检查的框架，而鸭子类型强调代码灵活性。

6. 总结与最佳实践

• 何时使用抽象基类：
  • 需要严格强制接口实现时（如框架设计）。
  • 希望明确类型关系，提升代码可读性。
• 避免过度使用：在多数场景下，鸭子类型已足够灵活，抽象基类可能增加复杂度。
• 优先使用内置抽象基类：如需要序列或映射行为，直接继承collections.abc中的类，而非从头实现。