Python 接口、抽象基类与协议详解

但是，从纯粹的面向对象理论来看，频繁使用普通类去进行 isinstance() 检查，确实在很大程度上违背了 Python 核心的'鸭子类型'（Duck Typing）设计哲学。在 Python 中其实并不怎么关注血统，更在意的其实是能力。

协议：更高层级的抽象

在计算机世界里面，不同语境下的协议具有不同的意思。比如 HTTP 网络协议指明了客户端可向服务器发送的命令。而 Python 中的对象协议则指明了为履行某个角色，对象必须实现哪些方法。

协议相对于上面展示的面向接口编程，其实是更高层级的抽象，完美诠释了鸭子类型的设计哲学：只关注对象拥有什么能力，而不是去关注血统（父子类显式继承）。

协议的强大之处

如果不熟悉 Python 的读者一定会对代码的结果感到惊讶。明明自定义类和 Iterable 并没有任何显式继承的关系，但是 isinstance(counter, Iterable) 居然返回了 True！这就是 Python 协议的强大之处，目标有 __iter__（迭代）的能力，我就认为你是一个迭代器，无需任何显式继承。

上下文管理器协议

Python 的协议打破了接口的最后一道枷锁——显式继承。它告诉我们，最高级的抽象不是去画一张完美无缺的物种分类图，而是去定义一套纯粹的行为契约。

class DatabaseConnection:
    def __enter__(self):
        return self
    def __exit__(self, exc_type, exc_val, exc_tb):
        pass

class MagicalPortal:
    def __enter__(self):
        return self
    def __exit__(self, exc_type, exc_val, exc_tb):
        pass

with DatabaseConnection():
    pass

with MagicalPortal():
    pass

通过上面的例子可以看出，两个上下文管理对象没有任何显式继承，但是却能被 with 这个上下文管理器。原因就在于它们都实现了上下文管理器的协议。

静态协议与 @runtime_checkable

Protocol（静态协议）是 Python 在 3.8 引入的。通过上面的讲解，我们可以发现，纯 Protocol 的坏处就是没有类型提示，所以往往我们可能去调用一个对象不存在的方法，而我们很难在写代码的时候通过 Mypy 或者是 IDE 发现。

在使用 typing.Protocol 时，我们获得了极佳的静态类型提示体验（IDE 提供智能补全，mypy 静态检查能通过）。但是，由于 Protocol 纯粹是为'静态检查'设计的，如果你尝试在代码运行阶段使用 isinstance() 去验证一个对象是否符合静态协议，Python 会直接拒绝执行并抛出异常！

为了解决这个问题，让协议既能享受静态类型检查的红利，又能像普通的类一样在运行时使用 isinstance() 进行鸭子类型判断，Python 的 typing 模块提供了 @runtime_checkable 装饰器。

它的底层原理，正是我们在上文提到的 __subclasshook__ 黑魔法。加上这个装饰器后，Python 会自动在底层拦截 isinstance() 调用，去动态检查对象是否拥有协议中定义的那些方法或属性。

from typing import Protocol, runtime_checkable

@runtime_checkable
class Eatable(Protocol):
    def eat(self) -> None:
        ...

class Pizza:
    def eat(self): pass

print(isinstance(Pizza(), Eatable)) # True

软契约 vs 硬契约

如果说继承是强硬法律的话，协议则更像是一种君子协定。

• 显式继承 (ABC)：不仅要求类具备某些方法，还强制要求类在'族谱'上属于某个基类（强耦合的 is-a 关系）。
• 协议 (Protocol)：完全不在乎对象是从哪里来的、继承自谁，只关心它能不能做这件事（can-do 关系）。实现类根本不需要知道协议的存在，也不需要导入协议所在的模块，这就实现了真正的业务逻辑与接口定义的彻底解耦。

协议背后的黑魔法

现在回到我们开头那个迭代器协议的例子，Python 是如何'偷偷'实现这个协议的？其实秘密就在于 __subclasshook__ 这个魔法方法。

当我们调用 isinstance(obj, SomeABC) 时，Python 内部的逻辑流如下：

1. 显式继承，检查 obj 的类是否继承自 SomeABC。
2. 虚拟子类注册，检查 obj 的类是否通过 SomeABC.register() 注册过。
3. 关键点：调用 SomeABC.__subclasshook__(cls)。如果这个方法返回 True，那么即使前两条都不满足，isinstance 也会返回 True。

所以 Iterable 协议就是通过定义 __subclasshook__ 这个方法，这个方法会去检查 __dict__ 里面会不会存在 __iter__ 这个键，如果存在就返回 True。