継承と多態性

高度なオブジェクト指向プログラミング

継承と多態性

継承とは？

• 既存のクラスから新しいクラスを作る メカニズム
• コードの再利用 と 論理的な階層構造 を提供
• 親クラス（基底クラス） から 子クラス（派生クラス） を作成
• 子クラスは親クラスの属性とメソッドを 継承 する
• 子クラスで新しい機能を 追加 したり、既存の機能を オーバーライド できる

# 親クラス
class Animal:
    def __init__(self, name):
        self.name = name
    
    def speak(self):
        print(f"{self.name}が鳴いています")

# 子クラス
class Dog(Animal):  # Animal から継承
    def speak(self):  # メソッドをオーバーライド
        print(f"{self.name}がワンワン鳴いています")

# 使用例
dog = Dog("ポチ")
dog.speak()  # ポチがワンワン鳴いています

基本的な継承の例

class Vehicle:  # 親クラス
    def __init__(self, brand, model, year):
        self.brand = brand
        self.model = model
        self.year = year
        self.is_running = False
    
    def start(self):
        self.is_running = True
        print(f"{self.brand} {self.model} エンジン始動")
    
    def stop(self):
        self.is_running = False
        print(f"{self.brand} {self.model} エンジン停止")
    
    def info(self):
        return f"{self.year}年製 {self.brand} {self.model}"

class Car(Vehicle):  # 子クラス
    def __init__(self, brand, model, year, doors):
        super().__init__(brand, model, year)  # 親のコンストラクタを呼び出し
        self.doors = doors  # 新しい属性
    
    def honk(self):  # 新しいメソッド
        print("プップー！")
    
    def info(self):  # メソッドをオーバーライド
        base_info = super().info()  # 親のメソッドを呼び出し
        return f"{base_info} ({self.doors}ドア)"

# 使用例
my_car = Car("Toyota", "Prius", 2023, 4)
print(my_car.info())  # 2023年製 Toyota Prius (4ドア)
my_car.start()        # Toyota Prius エンジン始動
my_car.honk()         # プップー！

super() の使用法

class Employee:
    def __init__(self, name, salary):
        self.name = name
        self.salary = salary
    
    def work(self):
        print(f"{self.name}が働いています")
    
    def get_annual_salary(self):
        return self.salary * 12

class Manager(Employee):
    def __init__(self, name, salary, team_size):
        super().__init__(name, salary)  # 親のコンストラクタ
        self.team_size = team_size
    
    def work(self):
        super().work()  # 親のメソッドを呼び出し
        print(f"そして{self.team_size}人のチームを管理しています")
    
    def get_annual_salary(self):
        base_salary = super().get_annual_salary()
        bonus = base_salary * 0.2  # 20%のボーナス
        return base_salary + bonus

class Developer(Employee):
    def __init__(self, name, salary, programming_language):
        super().__init__(name, salary)
        self.programming_language = programming_language
    
    def work(self):
        print(f"{self.name}が{self.programming_language}でプログラミングしています")
    
    def code_review(self):
        print(f"{self.name}がコードレビューを行っています")

# 使用例
manager = Manager("田中部長", 80000, 5)
developer = Developer("佐藤エンジニア", 60000, "Python")

manager.work()
print(f"年収: {manager.get_annual_salary():,}円")

developer.work()
developer.code_review()

多重継承

class Flyable:
    def fly(self):
        print("空を飛んでいます")

class Swimmable:
    def swim(self):
        print("泳いでいます")

class Duck(Animal, Flyable, Swimmable):  # 多重継承
    def __init__(self, name):
        super().__init__(name)
    
    def speak(self):
        print(f"{self.name}がガーガー鳴いています")

class Penguin(Animal, Swimmable):  # 泳げるが飛べない
    def __init__(self, name):
        super().__init__(name)
    
    def speak(self):
        print(f"{self.name}がペンペン鳴いています")

# 使用例
duck = Duck("アヒル")
duck.speak()  # アヒルがガーガー鳴いています
duck.fly()    # 空を飛んでいます
duck.swim()   # 泳いでいます

penguin = Penguin("ペンペン")
penguin.speak()  # ペンペンがペンペン鳴いています
penguin.swim()   # 泳いでいます
# penguin.fly()  # AttributeError: これは使えない

メソッド解決順序（MRO）

class A:
    def method(self):
        print("A")

class B(A):
    def method(self):
        print("B")
        super().method()

class C(A):
    def method(self):
        print("C")
        super().method()

class D(B, C):  # 多重継承
    def method(self):
        print("D")
        super().method()

# MRO（Method Resolution Order）を確認
print(D.__mro__)
# (<class '__main__.D'>, <class '__main__.B'>, <class '__main__.C'>, <class '__main__.A'>, <class 'object'>)

d = D()
d.method()
# D
# B
# C
# A

多態性（ポリモーフィズム）

class Shape:
    def area(self):
        raise NotImplementedError("サブクラスで実装してください")
    
    def perimeter(self):
        raise NotImplementedError("サブクラスで実装してください")

class Rectangle(Shape):
    def __init__(self, width, height):
        self.width = width
        self.height = height
    
    def area(self):
        return self.width * self.height
    
    def perimeter(self):
        return 2 * (self.width + self.height)

class Circle(Shape):
    def __init__(self, radius):
        self.radius = radius
    
    def area(self):
        return 3.14159 * self.radius ** 2
    
    def perimeter(self):
        return 2 * 3.14159 * self.radius

# 多態性の実演
def print_shape_info(shape):  # どのShapeでも受け入れる
    print(f"面積: {shape.area():.2f}")
    print(f"周囲: {shape.perimeter():.2f}")
    print()

# 使用例
shapes = [
    Rectangle(5, 3),
    Circle(4),
    Rectangle(2, 8)
]

for shape in shapes:
    print_shape_info(shape)  # 同じ関数で異なる図形を処理

抽象基底クラス（ABC）

from abc import ABC, abstractmethod

class PaymentProcessor(ABC):
    @abstractmethod
    def process_payment(self, amount):
        pass
    
    @abstractmethod
    def validate_payment(self, payment_data):
        pass
    
    def log_transaction(self, amount):  # 共通の実装
        print(f"取引記録: {amount}円の処理")

class CreditCardProcessor(PaymentProcessor):
    def process_payment(self, amount):
        print(f"クレジットカードで{amount}円を処理")
        self.log_transaction(amount)
    
    def validate_payment(self, payment_data):
        # クレジットカード特有の検証
        card_number = payment_data.get('card_number', '')
        return len(card_number) == 16

class PayPalProcessor(PaymentProcessor):
    def process_payment(self, amount):
        print(f"PayPalで{amount}円を処理")
        self.log_transaction(amount)
    
    def validate_payment(self, payment_data):
        # PayPal特有の検証
        email = payment_data.get('email', '')
        return '@' in email

# 使用例
def make_payment(processor, amount, payment_data):
    if processor.validate_payment(payment_data):
        processor.process_payment(amount)
    else:
        print("支払い情報が無効です")

credit_processor = CreditCardProcessor()
paypal_processor = PayPalProcessor()

make_payment(credit_processor, 1000, {'card_number': '1234567890123456'})
make_payment(paypal_processor, 500, {'email': 'user@example.com'})

# 抽象クラスはインスタンス化できない
# processor = PaymentProcessor()  # TypeError!

実践演習

演習: 動物園管理システム

from abc import ABC, abstractmethod

class Animal(ABC):
    def __init__(self, name, age, habitat):
        self.name = name
        self.age = age
        self.habitat = habitat
        self.hunger_level = 50  # 0-100
        self.health = 100
    
    @abstractmethod
    def make_sound(self):
        pass
    
    @abstractmethod
    def eat(self, food_type):
        pass
    
    def sleep(self):
        self.health = min(100, self.health + 10)
        print(f"{self.name}が眠っています。健康度: {self.health}")
    
    def __str__(self):
        return f"{self.name} ({self.__class__.__name__}) - 年齢: {self.age}, 健康度: {self.health}"

class Mammal(Animal):
    def __init__(self, name, age, habitat, fur_color):
        super().__init__(name, age, habitat)
        self.fur_color = fur_color
    
    def groom(self):
        print(f"{self.name}が毛づくろいしています")

class Bird(Animal):
    def __init__(self, name, age, habitat, wingspan):
        super().__init__(name, age, habitat)
        self.wingspan = wingspan
        self.can_fly = True
    
    def fly(self):
        if self.can_fly and self.health > 30:
            print(f"{self.name}が飛んでいます（翼幅: {self.wingspan}cm）")
        else:
            print(f"{self.name}は飛べません")

class Lion(Mammal):
    def __init__(self, name, age, mane_size="medium"):
        super().__init__(name, age, "サバンナ", "茶色")
        self.mane_size = mane_size
    
    def make_sound(self):
        print(f"{self.name}がガオーと吠えています")
    
    def eat(self, food_type):
        if food_type == "肉":
            self.hunger_level = max(0, self.hunger_level - 30)
            self.health = min(100, self.health + 5)
            print(f"{self.name}が{food_type}を食べました。満腹度が上がりました。")
        else:
            print(f"{self.name}は{food_type}を食べません")
    
    def hunt(self):
        if self.hunger_level > 70:
            print(f"{self.name}が狩りをしています")
            self.hunger_level -= 20
        else:
            print(f"{self.name}はお腹いっぱいで狩りをしません")

class Elephant(Mammal):
    def __init__(self, name, age, trunk_length=150):
        super().__init__(name, age, "サバンナ", "灰色")
        self.trunk_length = trunk_length
    
    def make_sound(self):
        print(f"{self.name}がパオーンと鳴いています")
    
    def eat(self, food_type):
        if food_type in ["草", "果物", "野菜"]:
            self.hunger_level = max(0, self.hunger_level - 25)
            self.health = min(100, self.health + 3)
            print(f"{self.name}が{food_type}を食べました")
        else:
            print(f"{self.name}は{food_type}を食べません")
    
    def spray_water(self):
        print(f"{self.name}が鼻で水を撒いています")

class Eagle(Bird):
    def __init__(self, name, age, wingspan=200):
        super().__init__(name, age, "山岳", wingspan)
        self.hunting_skill = 80
    
    def make_sound(self):
        print(f"{self.name}がピーヒョロロと鳴いています")
    
    def eat(self, food_type):
        if food_type in ["魚", "小動物"]:
            self.hunger_level = max(0, self.hunger_level - 35)
            self.health = min(100, self.health + 8)
            print(f"{self.name}が{food_type}を食べました")
        else:
            print(f"{self.name}は{food_type}を食べません")
    
    def hunt_from_sky(self):
        if self.health > 40:
            print(f"{self.name}が空から獲物を狙っています")
            success = self.hunting_skill > 70
            if success:
                print("狩り成功！")
                self.eat("小動物")
            else:
                print("狩り失敗...")

class Penguin(Bird):
    def __init__(self, name, age):
        super().__init__(name, age, "南極", 80)
        self.can_fly = False  # ペンギンは飛べない
    
    def make_sound(self):
        print(f"{self.name}がペンペン鳴いています")
    
    def eat(self, food_type):
        if food_type == "魚":
            self.hunger_level = max(0, self.hunger_level - 30)
            self.health = min(100, self.health + 6)
            print(f"{self.name}が{food_type}を食べました")
        else:
            print(f"{self.name}は{food_type}を食べません")
    
    def swim(self):
        print(f"{self.name}が上手に泳いでいます")

class Zoo:
    def __init__(self, name):
        self.name = name
        self.animals = []
        self.visitors = 0
    
    def add_animal(self, animal):
        self.animals.append(animal)
        print(f"{animal.name}を{self.name}に迎えました")
    
    def feed_all_animals(self):
        print(f"\n=== {self.name}の餌やりタイム ===")
        food_menu = {
            Lion: "肉",
            Elephant: "草",
            Eagle: "魚",
            Penguin: "魚"
        }
        
        for animal in self.animals:
            food = food_menu.get(type(animal), "エサ")
            animal.eat(food)
    
    def animal_show(self):
        print(f"\n=== {self.name}のアニマルショー ===")
        for animal in self.animals:
            print(f"\n{animal.name}のパフォーマンス:")
            animal.make_sound()
            
            if isinstance(animal, Lion):
                animal.hunt()
            elif isinstance(animal, Elephant):
                animal.spray_water()
            elif isinstance(animal, Eagle):
                animal.hunt_from_sky()
            elif isinstance(animal, Penguin):
                animal.swim()
    
    def health_check(self):
        print(f"\n=== {self.name}の健康診断 ===")
        for animal in self.animals:
            print(animal)
            if animal.health < 50:
                print(f"  ⚠️ {animal.name}の健康状態に注意が必要です")
            elif animal.health > 80:
                print(f"  ✅ {animal.name}は健康です")

# 動物園シミュレーション
zoo = Zoo("わくわく動物園")

# 動物たちを追加
lion = Lion("レオ", 5, "large")
elephant = Elephant("エレン", 12)
eagle = Eagle("イーグル", 3, 250)
penguin = Penguin("ペン太", 2)

animals = [lion, elephant, eagle, penguin]
for animal in animals:
    zoo.add_animal(animal)

# 1日の動物園運営
print("\n🌅 朝の健康チェック")
zoo.health_check()

print("\n🍽️ 餌やりタイム")
zoo.feed_all_animals()

print("\n🎪 アニマルショー")
zoo.animal_show()

print("\n😴 動物たちの休憩時間")
for animal in zoo.animals:
    animal.sleep()

print("\n🌙 夜の健康チェック")
zoo.health_check()

重要ポイント

1. 継承 でコードを再利用し、階層構造を作る
2. super() で親クラスのメソッドを呼び出し
3. 多態性 で同じインターフェースで異なる動作を実現
4. 抽象基底クラス で共通インターフェースを強制
5. MRO で多重継承の順序を理解

次の内容

• 型ヒント (コードの可読性向上)
• 非同期プログラミング (async/await)
• データサイエンス (NumPy, Pandas)
• 実世界アプリケーション (Web開発、自動化)

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リソース: - Python.org - 継承 - Real Python - 継承と合成 - Python ABC ドキュメント

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