如何用Python typing约束列表仅允许单一子类类型？

我定义了如下3个类：

import abc

class Animal(abc.ABC):
    ...

class Cat(Animal):
    ...

class Dog(Animal):
    ...

同时有一个标注如下的函数：

from typing import List

def speak(animals: List[Animal]) -> List[str]:
   ...

我的需求是约束List[Animal]仅包含同一类型的动物实例，即：

speak([Dog(), Dog()]) # 合法
speak([Cat(), Cat()]) # 合法
speak([Cat(), Dog()]) # 触发类型错误

请问该如何为speak函数添加类型标注以实现这一约束？仅通过typing能否实现，还是必须在运行时检查？

我已尝试使用List[Animal]标注，但调用speak([Cat(), Dog()])时不会触发错误；也尝试过使用TypeVar('T', bound=Animal)这类泛型，但仍允许传入子类混合的列表。

仅通过Python的typing模块就能实现这个约束，核心是正确使用泛型类型变量TypeVar并配合严格的类型检查工具（如mypy）。

正确的类型标注写法 #

from typing import List, TypeVar
import abc

class Animal(abc.ABC):
    ...

class Cat(Animal):
    ...

class Dog(Animal):
    ...

# 定义绑定到Animal的泛型类型变量，限制T只能是Animal或其子类
T = TypeVar('T', bound=Animal)

def speak(animals: List[T]) -> List[str]:
    # 函数逻辑示例
    return [animal.speak() for animal in animals]

为什么之前的泛型尝试没生效？ #

如果之前使用TypeVar但未触发错误，通常是因为类型检查工具未启用严格模式。以mypy为例，需要添加--strict参数（或至少启用--strict-list-item-types），才能严格校验列表内所有元素的类型一致性。

运行时检查的补充 #

若需要在程序运行阶段也确保类型合规，可以在函数内部添加校验逻辑：

def speak(animals: List[T]) -> List[str]:
    if not animals:
        return []
    # 以第一个元素的类型为基准检查后续元素
    base_type = type(animals[0])
    for animal in animals[1:]:
        if not isinstance(animal, base_type):
            raise TypeError("列表中的动物必须属于同一类型")
    return [animal.speak() for animal in animals]

验证效果 #

使用mypy严格模式检查以下代码：

speak([Dog(), Dog()]) # 无类型错误
speak([Cat(), Cat()]) # 无类型错误
speak([Cat(), Dog()]) # 触发类型错误：List item 1 has incompatible type "Dog"; expected "Cat"

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Dema Ushchapovskyy