Python 程式設計的世界

Python 的抽象類別是什麼？從用法到實作範例・注意事項的完整解說

函式、類別與結構體
目次

1. 引言

Python 中提升設計力的關鍵──抽象類別是什麼？

在 Python 開發日益普及的環境中，對程式碼的可重用性、維護性，以及團隊開發的一致性需求越來越高。特別是在規模龐大的專案中，「設計的好壞」直接影響品質。在這樣的背景下，抽象類別 是提升 Python 設計力的重要概念之一，能將設計水準提高一個層次。

為什麼「抽象類別」備受矚目？

在程式開發的現場，常常面臨「共通處理該放在哪裡」「如何確保擴展性」等問題。其中一個有效的作法，就是使用抽象類別的設計。透過抽象類別的活用，可以擁有共通的介面，同時靈活吸收實作的差異。 特別是在 Python 中，abc（Abstract Base Class）模組標準準備了，可以明確定義抽象類別。在以「易寫」為特色的 Python 中，能夠兼顧「易讀性」與「設計的容易度」，這就是抽象類別的魅力。

本篇文章的目的與目標讀者

本文將從 Python 中抽象類別的基本概念，到實務上的使用方法、常見注意事項及 FAQ 等，一一詳細說明。 以下這些人特別推薦：
  • 了解 Python 的類別功能，但對抽象類別不太清楚的人
  • 對設計模式或乾淨程式碼有興趣的中級者
  • 在團隊開發或業務系統中使用 Python 的人
對於未來希望將 Python 開發進行得更深入、更精緻的人來說，抽象類別是不可或缺的概念。讓我們從基礎開始，一起來看看吧。

2. 什麼是抽象類別？

抽象類別的基本概念

抽象類別（abstract class）是指無法實例化的特殊類別，主要用來定義共同的介面（命名規則或處理框架）。具體的處理內容交給子類別，父類別僅提供該「框架」。 例如，想像一個代表「動物」這種抽象概念的類別。動物有「叫聲」或「移動」等共同動作，但這些動作的內容（貓的叫聲或狗的移動方式等）會因動物種類而異。在這種情況下，抽象類別非常有效。

Python 中的「抽象類別」與「一般類別」的差異

在 Python 中，一般類別也可以透過繼承來實現功能的共通化，但一般類別無法強制子類別覆寫方法。另一方面，使用抽象類別可以明確設計「這個方法必須被覆寫」。藉此，程式的統一性和安全性會提高。

抽象類別與介面的差異

與抽象類別類似的概念有「介面」。在 Java 等其他語言中會明確區分，但在 Python 中，抽象類別也可以兼任介面的角色。 簡單總結差異：
特徵抽象類別介面（Python 沒有明確的語法）
可以包含實作〇×（原則僅定義）
只能繼承一個來源？可以多重繼承可以多重繼承
可以擁有資料屬性〇×（原則無法定義）
在 Python 中，使用 abc 模組，可以定義抽象類別同時實現類似介面的設計。

使用抽象類別的優點

導入抽象類別的最大優點是，預見未來的擴展和維護，「程式碼的框架」變得明確。具體來說，有以下優點。
  • 在團隊開發時，誰該實作什麼變得明確
  • IDE 或靜態分析工具的補全和警告更容易運作
  • 測試設計和模擬物件建立變得容易

3. Python 中的抽象類別實作方法

abc 模組是什麼？

在 Python 中實作抽象類別時，使用標準函式庫的abc模組（Abstract Base Classes）。這個模組提供明確標示類別為抽象類別，並強制定義抽象方法的機制。 具體來說，使用ABC類別和@abstractmethod裝飾器，可以定義「這個類別是抽象類別，特定方法必須由子類別覆寫」。

抽象類別的基本語法

以下是 Python 中抽象類別的基本定義方法：
from abc import ABC, abstractmethod

class Animal(ABC):

    @abstractmethod
    def speak(self):
        pass
這裡Animal類別成為抽象類別，speak方法是抽象方法。在這種狀態下，試圖直接實例化Animal會發生TypeError。
a = Animal()  # 錯誤：Can't instantiate abstract class Animal with abstract methods speak

子類別的繼承與實作

繼承抽象類別的子類別必須覆寫所有抽象方法。以下是範例：
class Dog(Animal):

    def speak(self):
        return "汪汪"

dog = Dog()
print(dog.speak())  # 輸出：汪汪
如果遺漏任何抽象方法的實作，子類別本身也會被視為抽象類別，無法實例化。

ABC 與 ABCMeta 的差異

在 Python 的抽象類別中，可以選擇使用ABC或ABCMeta。ABC是已指定ABCMeta元類別的便利基底類別，通常使用這個就足夠了。
  • ABC：能更簡潔地定義抽象類別（推薦）
  • ABCMeta：可直接指定元類別進行自訂（進階使用者適用）
如下所示，使用ABCMeta可以進行更靈活的控制：
from abc import ABCMeta, abstractmethod

class MyBase(metaclass=ABCMeta):

    @abstractmethod
    def do_something(self):
        pass
不過，在實際工作中，繼承ABC的方法更易讀，且維護性更高，因此除非有特殊理由，否則一般使用ABC。

abstractmethod 的注意事項

附加@abstractmethod的方法必須由子類別覆寫。此外，裝飾器的順序也需要注意。例如，與@staticmethod併用時，順序很重要。
from abc import ABC, abstractmethod

class MyClass(ABC):

    @staticmethod
    @abstractmethod
    def my_method():
        pass
如此，在 Python 中，抽象類別的定義與運用雖然簡單，卻能實現堅固的設計和高擴展性，非常有用。

4. 實踐例：動物類別的設計

讓我們將抽象類別的使用場景具體化

到目前為止，我們已經學習了Python中抽象類別的概念和實作方法。接下來，為了更深入理解抽象類別的有用性，讓我們使用實際的程式碼範例，來設計動物類別。 這個範例中，我們以「Animal」這個抽象類別為基礎，來繼承並實作多個動物類別（Dog或Cat等）。

抽象類別 Animal 的定義

from abc import ABC, abstractmethod

class Animal(ABC):

    @abstractmethod
    def speak(self):
        pass

    @abstractmethod
    def move(self):
        pass
在這裡，我們假設所有動物都具有「speak（叫聲）」和「move（移動）」這些動作。然而，其內容因動物而異，因此這裡僅定義處理的框架而已。

具體類別 Dog 和 Cat 的實作

class Dog(Animal):

    def speak(self):
        return "汪汪"

    def move(self):
        return "正在奔跑"

class Cat(Animal):

    def speak(self):
        return "喵"

    def move(self):
        return "優雅地走著"
Dog和Cat繼承了Animal，並具體實作了speak以及move方法。這裡重要的是，兩個類別都覆寫了所有抽象方法。如果忽略這一點，就無法實例化。

動作確認

animals = [Dog(), Cat()]

for animal in animals:
    print(f"{animal.__class__.__name__} 發出 {animal.speak()} 的叫聲，並 {animal.move()}。")
輸出範例：
Dog 發出 汪汪 的叫聲，並 正在奔跑。
Cat 發出 喵 的叫聲，並 優雅地走著。
像這樣，透過抽象類別Animal，共同的介面（speak和move）得到保證，因此可以在for迴圈內安全且一致地進行處理。

這個設計的優點是什麼？

  • 程式碼的可預測性提高，開發效率提升
  • 新增動物類別時，也能遵循抽象類別的結構，容易擴展
  • 在維護或除錯時，實作遺漏會變得明確，因此能及早偵測錯誤
這個範例僅是使用「動物」這個簡單的主題，但在實際的開發現場，可以應用到API客戶端或資料庫操作類別、GUI的元件等。抽象類別是支撐這種結構化程式設計的強大武器。
年収訴求

5. 抽象類別的使用場景

現場如何使用？抽象類別真實的使用範例

抽象類別不僅有助於理解設計原則，還是實際軟體開發現場中實用的設計模式之一。這裡將具體介紹抽象類別常被使用的場合，並探討如何將其融入專案中以達到最佳效果。

1. 擁有共通介面的類別群設計

最典型的活用範例是，希望讓多個類似物件擁有共通的處理時。就像前一節的「動物」一樣，如果所有物件都擁有「speak」或「move」等共通方法，就能維持處理的一致性。 例：
  • 多種付款方式（信用卡、銀行轉帳、電子貨幣等）共通的「執行付款」方法
  • 依使用者權限的「認證處理」等
使用抽象類別，就能僅定義各處理的框架，內部內容則能靈活切換。

2. API 客戶端的統一介面設計

例如，在製作與多個外部服務（Twitter API、YouTube API 等）聯動的應用程式時，可能希望各 API 客戶端擁有共通的執行方法或認證處理。
class APIClient(ABC):

    @abstractmethod
    def authenticate(self):
        pass

    @abstractmethod
    def fetch_data(self):
        pass
如此定義後，即使是各服務專屬的 API 客戶端類別（TwitterClient 或 YouTubeClient 等），也能避免設計上的偏差，從而大幅提升維護性。

3. GUI 元件的抽象化

在 GUI 應用程式中，透過將按鈕・文字・標籤等畫面元件共通的動作（繪製或點擊等）設計為抽象類別，就能實現不依賴平台的再利用性 UI 設計。
class Widget(ABC):

    @abstractmethod
    def draw(self):
        pass

    @abstractmethod
    def on_click(self):
        pass
如此一來，即使未來切換到其他框架（例如從 Tkinter 轉移到 PyQt），也能不崩壞基本設計來應對。

4. 單元測試或模擬物件的建立也有利

以抽象類別構成的設計，在測試時容易準備模擬物件這點也是優點。對於測試對象類別所依賴的物件，從抽象類別產生模擬，就能提升測試的自由度與可靠性。 例如：
class DummyPaymentGateway(PaymentGateway):
    def process(self):
        return "模擬處理完成"
這樣的設計與 TDD（測試驅動開發）或 CI（持續整合）也非常相性良好，是支撐大規模開發的基礎技術。

為了在實務中撰寫「易讀的程式碼」

抽象類別不僅是為了「撰寫高再利用性的程式碼」這一目的，還是為了強化對未來變更的耐受性，並讓他人易讀的程式碼設計指南。 雖然不需立即在所有類別中導入，但是在設計初期階段或注重擴展性的設計中，抽象類別是強大的助力。

5. 抽象類別的使用情境

在現場如何使用？抽象類別真實的使用範例

抽象類別不僅是理解設計原則，還< strong>是實際軟體開發現場中實用的設計模式一部分。這裡，我們具體介紹抽象類別常用到的場面，並探討如何將其融入專案中才能發揮最大效果。

1. 擁有共通介面的類別群設計

最典型的活用範例是，想要讓多個類似物件擁有共通的處理的情況。就像前一節的「動物」一樣，如果所有物件都擁有「speak」或「move」等共通方法，就能< strong>維持處理的一致性。 範例：
  • 多種支付方式（信用卡、銀行轉帳、電子貨幣等）共通的「進行支付」方法
  • 依使用者權限的「認證處理」等
使用抽象類別，就能只定義各處理的框架，內容則能靈活切換。

2. API 客戶端的統一介面設計

例如，在製作與多個外部服務（Twitter API、YouTube API 等）聯動的應用程式時，可能會希望各 API 客戶端擁有< strong>共通的執行方法或認證處理。
class APIClient(ABC):

    @abstractmethod
    def authenticate(self):
        pass

    @abstractmethod
    def fetch_data(self):
        pass
如此定義後，即使是各服務專屬的 API 客戶端類別（TwitterClient 或 YouTubeClient 等），也能< strong>避免設計的偏差，從而大幅提升維護性。

3. GUI 元件的抽象化

在 GUI 應用程式中，透過將< strong>按鈕・文字・標籤等畫面元件共通的動作（繪製或點擊等）設計為抽象類別，就能實現< strong>不依賴平台的再利用性 UI 設計。
class Widget(ABC):

    @abstractmethod
    def draw(self):
        pass

    @abstractmethod
    def on_click(self):
        pass
如此一來，將來即使切換到其他框架（例如從 Tkinter 轉移到 PyQt），也能不崩壞基本設計來應對。

4. 單元測試或模擬物件的建立也有利

以抽象類別構成的設計，在測試時容易準備模擬物件這點也是優點。對於測試對象類別所依賴的物件，從抽象類別產生模擬，就能< strong>提升測試的自由度與可靠性。 例如：
class DummyPaymentGateway(PaymentGateway):
    def process(self):
        return "虛擬處理完成"
這樣的設計，與 TDD（測試驅動開發）或 CI（持續整合）也非常相性良好，是< strong>支撐大規模開發的基礎技術。

為了在實務中撰寫「視野良好的程式碼」

抽象類別不僅是「撰寫高再利用性的程式碼」這個目的，還< strong>是為了強化對未來變更的韌性、讓他人容易閱讀的程式碼設計指南。 雖然不是所有類別都要立即導入，但是在設計的初期階段或注重擴展性的設計中，抽象類別是強大的助力。

6. 使用抽象類別時要注意點

雖然強化設計，但要小心過度使用

抽象類別在設計上是非常便利的機制，但並非萬能。如果導入的場合或使用方式錯誤，反而可能損害可維護性，或導致開發速度變慢。本節將說明在 Python 中使用抽象類別時應注意的重點與注意事項。

1. 避免繼承階層過深

過度使用抽象類別，自然會導致繼承階層容易變深。例如，從抽象類別 → 中間抽象類別 → 具體類別……這樣層級增加時，程式碼的追蹤會變得困難。 繼承雖然是強大的機制，但過深時會陷入「不清楚哪個類別在做什麼」的狀態。一般來說，繼承深度應控制在 2〜3 階層以內才是理想的。

2. 避免不必要的過度抽象化

在開發初期，預想「未來這個功能可能會增加」而定義抽象類別是很常見的事。然而，如果就這樣沒有被使用而殘留下來，不必要的抽象化會提高專案的複雜度。 抽象類別應該在「已經看到多個類別有共通的處理或結構時」才導入才是自然的。不要過度預先規劃，先用具體類別組合起來，然後視需要再抽象化這種方法比較實際。

3. 注意實作遺漏

如果忘記實作抽象方法，該子類別就會維持抽象類別的狀態，在實例化時會發生例外。
TypeError: Can't instantiate abstract class MyClass with abstract methods do_something
這是 Python 的安全功能所設計的，但對初學者來說，錯誤內容不易理解，容易誤以為是 bug。 因此，在導入抽象類別時，明確記錄類別結構與繼承關係的文件的記錄非常重要。

4. 與 Python 作為動態語言的平衡

Python 本來就是基於「Duck Typing」的動態語言，「即使不使用抽象類別也能成立的設計」是可能的。因此，如果像靜態型語言（Java 或 C++ 等）一樣過度使用抽象類別，可能會變成冗長的設計。 為了不失去 Python 的特色，抽象類別應限於「需要嚴格性的場合」才使用是最佳的。特別是以下這種場合，有時使用協議或單純的 Duck Typing 比抽象類別更自然：
  • 輕量工具或腳本
  • 小規模專案或驗證程式碼

5. 在函式庫設計或公開 API 中有效

相反地，在對外公開的函式庫或外掛設計中，抽象類別是非常有效的。因為它能扮演向開發者示範「請用這種結構來實作」的契約（Contract）的角色。 在這種情況下，抽象類別僅是設計指南的明確化，能提升函式庫的品質，並對第三方開發者來說也更容易使用的 API。

適當使用，就能大幅提升設計品質

抽象類別如果使用錯誤，可能會讓設計變得僵硬，但如果適當活用，就能成為大幅提升專案整體一致性和可維護性的強大工具。 如果能判斷「是否該使用？」「現在是否是適當的時機？」的話，你的 Python 技能就會再提升一個層級。

7. 常見問題（FAQ）

整理初學者到中級者容易產生疑問的要點

隨著對 Python 抽象類別的知識加深，同時也會出現「這是什麼意思？」「在這種情況下可以用嗎？」等具體疑問。本節將以 Q&A 形式彙整常見問題。

Q1. 抽象類別與介面的差異是什麼？

A1.Python 中並不存在像 Java 或 C# 那樣的「介面」專用語法，但透過使用抽象類別，可以實現介面式的設計。 介面通常僅進行方法定義（不可實作），但抽象類別則可以讓部分方法擁有共同的實作。也就是說，Python 的抽象類別擁有比介面更高的彈性。

Q2. 抽象類別的優點是什麼？

A2.主要優點有以下 3 點：
  • 設計意圖的明確化：可以在程式碼上明確表示「這個方法必須實作」。
  • 共同處理的再利用：可以在抽象類別中實作部分共同處理，從而減少子類別的描述量。
  • 錯誤的預防：未實作必要方法的類別無法實例化，因此有助於早期發現設計疏漏。

Q3. 不使用抽象類別也能做到同樣的事嗎？

A3.理論上是可能的。Python 是動態型別語言，因此常用「假設這個類別有這個方法」的鴨子型別方法。 不過，如果重視程式碼的可靠性、可讀性，以及團隊開發中的明確規定，則使用抽象類別的設計更好。特別是當專案規模變大時，抽象類別的益處會更大。

Q4. 使用抽象類別不會讓程式碼變得複雜嗎？

A4.如果使用得不好，的確有這種可能性。過度的抽象化或不必要的繼承，反而會讓程式碼難以理解。 抽象類別應限定在「有多個類似類別，且有共同行為」的案例中使用，這樣設計會更整齊，開發效率也會提升。只有在必要性明確時才引入是理想的。

Q5. 資料屬性（實例變數）也能抽象化嗎？

A5.在 Python 的抽象類別中，僅強制抽象方法。雖然沒有抽象化資料屬性（例如：self.name）的語法，但可以在抽象方法中定義「應該使用這個變數」的規則。 如果想保證屬性的存在，可以組合屬性（@property）＋抽象方法來實現。
from abc import ABC, abstractmethod

class MyBase(ABC):

    @property
    @abstractmethod
    def name(self):
        pass
這樣，就可以將屬性的存在作為介面的一部分來處理。

8. 總結

抽象類別是提供設計「骨架」的強大工具

本文從Python 中的抽象類別（abstract class）的基本概念開始，逐步說明了實作方法、實用的程式碼範例、應用場景、注意事項，以及常見疑問。 抽象類別的本質是「明確顯示每個類別都應具備的功能與結構」。藉此，整體程式碼的視野變得清晰，並作為大型應用程式或團隊開發中的「設計共通語言」發揮作用。

回顧本文的重點

  • 抽象類別是什麼：無法直接實例化的設計用類別。定義共通介面。
  • Python 中的實作方法：abc 模組使用，結合ABC和@abstractmethod來定義。
  • 具體的使用方式：可應用於動物類別或 API 客戶端等，提升程式碼的一致性和可維護性。
  • 注意事項：過度抽象化、過深的繼承階層、與動態語言的平衡等需加以注意。
  • FAQ 的補充：回應初學者容易產生的疑問，支援靈活的理解。

如何連結到未來的學習

抽象類別是提升物件導向程式設計設計能力時，不可迴避的主題之一。特別是與以下學習與實踐結合，能夠實現更深刻的理解與應用。
  • 學習繼承（inheritance）與多型（polymorphism）的關係性
  • 設計模式（特別是模板方法模式）的理解
  • 單元測試或模擬物件的設計的連携
  • 介面分離原則（ISP）等，SOLID 原則的理解
抽象類別不僅僅是單一技術，更是「為了未來開發能高效且高品質地進行而設計的思考」。

最後

Python 因為是簡單易寫的語言，初學者容易忽略「設計」的傾向。然而，正因如此，踏出一步，意識到「為什麼這樣設計」「如何結構化」，這將成為與其他 Python 工程師拉開差距的第一步。 請務必在自己的專案中試用一次抽象類別。對設計的看法，一定會改變。