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python 零基础入门教程第 8 章. 面向对象基础

本贴最后更新于 1473 天前，其中的信息可能已经天翻地覆

面向对象

前面我们讲到基本数据类型用来表示最常见的信息。但是信息有无穷多种，为了更好的表达信息，我们可以创建自定义数据类型。

1. 类

1.1 类的概念

一种数据类型就是类。例如整数，浮点数，字符串。

1.2 类的定义

python中通过关键字class可以定义一个自定义数据类型，基本语法如下:

class 类名:
	属性
	方法

注意：python中类名规则同变量，一般使用大驼峰来表示。

案例

例如：创建一个Point类用于表示平面坐标系中的一个点

class Point:
    """
    表示平面坐标系中的一个点
    """

print(Point)

<class 'main.Point'>

2. 对象

2.1 对象的概念

某种数据类型的一个具体的数据称为这个类的一个对象或者实例。通过类创建对象叫做实例化。

所谓的面向对象，就是把一些数据抽象成类的思想。

python是一门面向对象的编程语言，python中一切皆对象。

前面学习的函数也是python中的一个类，定义的某个函数就是函数类的一个具体实例。

def func():
    pass
print(type(func))

<class 'function'>

2.2 实例化

除了基本数据类型实例化的过程中用到的特殊的语法规范外，所有自定义类型进行实例化都是通过调用类名来实现的，非常简单，语法如下：

类名(参数)

看起来和调用函数一样。

案例

给上面创建的Point类创建一个实例。

point = Point()
print(type(point))

<class 'main.Point'>

3. 属性

类和对象的特征数据称为属性。

3.1类属性

类的特征称为类属性。

3.1.1类属性的定义

直接在类中定义的变量（与class语句只有一个缩进），就是类属性。

案例：

给Point类创建一个name属性用来表示名称。

class Point:
    """
    表示平面坐标系中的一个点
    """
    name = '点'

3.1.2 类属性的访问

类属性可以直接通过类名和对象以句点法访问，语法格式如下：

类名.类属性名
对象.类属性名
案例：
print(Point.name)  # 直接通过类名访问类属性
point=Point()  # 创建一个实例
print(point.name)     # 通过对象访问类属性

点
点
注意：如果不存在属性则抛出AttributeError的异常

print(Point.a)

AttributeError Traceback (most recent call last)

in
----> 1 print(Point.a)

AttributeError: type object 'Point' has no attribute 'a'

3.2 对象属性

对象的特征数据称为对象属性。

3.2.1 对象属性的定义

对象属性一般定义在构造方法中，详见下面构造方法一节。

通过句点法对象.对象属性以赋值的方式可以直接定义对象属性。

案例：

平面坐标系中的每个点都有x坐标和y坐标，通过类Point创建一个对象表示点（x=1，y=2）

point = Point()
# 通过赋值直接定义对象属性
point.x = 1
point.y = 2

注意：在定义对象属性时如果和类属性同名，那么通过对象将无法访问到类属性。

3.2.2 对象属性的访问

通过句点法对象.对象属性可以访问对象属性。

案例：

访问上面案例中point的x坐标和y坐标

print(point.x)
print(point.y)

1
2
访问对象属性时，首先会检查对象是否拥有此属性，如果没有则去创建对象的类中查找有没有同名的类属性，如果有则返回，如果都找不到则抛出AttributeError的异常

4. 方法

定义在类中的函数称为方法。通过调用的方式的不同，分为对象方法，类方法，静态方法和魔术方法。

4.1 对象方法

定义在类中的普通方法，一般通过对象调用称为对象方法。

4.1.1 对象方法的定义

为了讲清楚对象方法的定义和调用，我们先看下面的案例。

案例：

定义函数my_print,它接收一个Point对象，然后打印这个点的x，y坐标。

def my_print(point):
    print('({},{})'.format(point.x, point.y))
  
p = Point()
p.x = 1
p.y = 2
my_print(p)

(1,2)
定义函数distance，它接收两个Point对象，然后返回这两个点的距离。

def distance(p1, p2):
    return ((p1.x-p2.x)**2 + (p1.y-p2.y)**2)**0.5

p1 = Point()
p2 = Point()
p1.x = 1
p1.y = 2
p2.x = 3
p2.y = 4
res = distance(p1,p2)
print(res)

2.8284271247461903
观察上面的两个函数，发现它们都接收一个或多个Point的对象作为参数。为了显式的加强这样的联系，我们可以将它们定义在Point的类中。

class Point:
    """
    表示平面坐标系中的一个点
    """
    name = '点'

    def my_print(point):
        print('({},{})'.format(point.x, point.y))

    def distance(p1, p2):
        return ((p1.x-p2.x)**2 + (p1.y-p2.y)**2)**0.5

4.1.2 对象方法的调用

对象方法向属性一样，可以通过句点法进行调用。

类名.方法名(参数)
对象.方法名(参数)

通过类名调用方法时，和普通函数没有区别

# 更新了类，再次实例化对象
point = Point()
point.x = 1
point.y = 2
p1 = Point()
p2 = Point()
p1.x = 1
p1.y = 2
p2.x = 3
p2.y = 4

Point.my_print(point)
res = Point.distance(p1, p2)
print(res)

(1,2)
2.8284271247461903
通过对象调用方法时，对象本身会被隐式的传给方法的第一个参数

point.my_print()
res = p1.distance(p2)
print(res)

(1,2)
2.8284271247461903
因此，定义对象方法会习惯性的把第一个形参定义为self，表示调用对象本身

class Point:
    """
    表示平面坐标系中的一个点
    """
    name = '点'

    def my_print(self):
        print('({},{})'.format(self.x, self.y))

    def distance(self, p2):
        return ((self.x-p2.x)**2 + (self.y-p2.y)**2)**0.5

4.2 类方法

在类中通过装饰器classmethod可以把一个方法变成类方法。

一个类方法把类自己作为第一个实参，就像一个实例方法把实例自己作为第一个实参。

案例

定义一个类方法base_point用来返回坐标原点。

class Point:
    """
    表示平面坐标系中的一个点
    """
    name = '点'

    def my_print(self):
        print('({},{})'.format(self.x, self.y))

    def distance(self, p2):
        return ((self.x-p2.x)**2 + (self.y-p2.y)**2)**0.5
    @classmethod
    def base_point(cls):
        bp = cls()
        bp.x = 0
        bp.y = 0
        return bp

通过类本身或者是该类的实例都可以调用类方法。

p = Point()
bp1 = p.base_point()
bp1.my_print()
bp2 = Point.base_point()
bp2.my_print()

(0,0)
(0,0)
类方法一般都用来生成特殊对象。

4.3 特殊方法（魔术方法）

在类中可以定义一些特殊的方法用来实现特殊的功能，也称为魔术方法。这些方法一般都以双下划线__开头

__init__

__init__又叫构造方法，初始化方法，在调用类名实例化对象时，构造方法会被调用，类名括号()后的参数会传递给构造方法，对象属性一般在这个方法中定义。

案例：

上面案例中的Point类实例化后，需要手动创建对象属性x和y，这显然容易出错和不规范，正确的做法应该是在构造方法中定义属性x和y

class Point:
    """
    表示平面坐标系中的一个点
    """
    name = '点'
  
    def __init__(self, x, y):
        self.x = x
        self.y = y
  
    def my_print(self):
        print('({},{})'.format(self.x, self.y))

    def distance(self, p2):
        return ((self.x-p2.x)**2 + (self.y-p2.y)**2)**0.5
  
    @classmethod
    def base_point(cls):
        return cls(0,0)

# 实例化
p1 = Point(1, 2)
p2 = Point(x=3, y=4)

p1.my_print()
p2.my_print()

(1,2)
(3,4)

__str__

__str__方法在对象被print函数打印时被调用，print输出__str__方法返回的字符串。

案例：

上面案例中Point类里的my_print方法可以去掉，定义一个__str__方法

class Point:
    """
    表示平面坐标系中的一个点
    """
    name = '点'
  
    def __init__(self, x, y):
        self.x = x
        self.y = y
  
    def __str__(self):
        return '({},{})'.format(self.x, self.y)

    def distance(self, p2):
        return ((self.x-p2.x)**2 + (self.y-p2.y)**2)**0.5
  
    @classmethod
    def base_point(cls):
        return cls(0,0)

p = Point(2,2)
print(p)

(2,2)
更多的特殊方法详见官方文档

4.4 静态方法

在类中通过装饰器staticmethod可以把一个方法变静态方法。

静态方法不会接收隐式的第一个参数，它和普通的函数一样，只是被封装到类中。

通过类和对象都可以调用。

案例：

在Point类中定义一个静态方法，用来计算两个数的和。

class Point:
    """
    表示平面坐标系中的一个点
    """
    name = '点'
  
    def __init__(self, x, y):
        self.x = x
        self.y = y
  
    def __str__(self):
        return '({},{})'.format(self.x, self.y)

    def distance(self, p2):
        return ((self.x-p2.x)**2 + (self.y-p2.y)**2)**0.5
  
    @classmethod
    def base_point(cls):
        return cls(0,0)
  
    @staticmethod
    def sum(x,y):
        return x+y

Point.sum(1,2)

3

p = Point(1,2)
p.sum(3,4)

7

5. 类的继承

类还有一个重要的特性是继承。

5.1 继承

当定义一个类时，可以从现有的类继承，新的类称为子类(Subclass),被继承的类称为基类，父类或超类(Base class,Super class).

子类可以继承父类的属性和方法。

案例：

创建一个类用来表示三维的点。

class Point:
    """
    表示平面坐标系中的一个点
    """
    name = '点'
  
    def __init__(self, x, y):
        self.x = x
        self.y = y
  
    def __str__(self):
        return '({},{})'.format(self.x, self.y)

    def distance(self, p2):
        return ((self.x-p2.x)**2 + (self.y-p2.y)**2)**0.5
  
    @classmethod
    def base_point(cls):
        return cls(0,0)
  
    @staticmethod
    def sum(x,y):
        return x+y
  
class TdPoint(Point):
    """
    表示三维的点
    """

在上面的案例中TdPoint类继承了Point类。对于TdPoint来说Point是它的父类，对于Point类来说TdPoint是他的子类。

print(dir(TdPoint))

['class', 'delattr', 'dict', 'dir', 'doc', 'eq', 'format', 'ge', 'getattribute', 'gt', 'hash', 'init', 'init_subclass', 'le', 'lt', 'module', 'ne', 'new', 'reduce', 'reduce_ex', 'repr', 'setattr', 'sizeof', 'str', 'subclasshook', 'weakref', 'base_point', 'distance', 'name', 'sum']
虽然在TdPoint类中没有定义任何的属性和方法，但它自动继承了父类Point的属性和方法。

5.2 重写

在上面的案例中，虽然TdPoint类继承了Point的属性和方法，但是三维的点比二维的点多了一个纬度，所以大部分方法和属性不合适，需要重写。

在子类中定义同名的方法和属性会覆盖父类的方法和属性。

class Point:
    """
    表示平面坐标系中的一个点
    """
    name = '点'
  
    def __init__(self, x, y):
        self.x = x
        self.y = y
  
    def __str__(self):
        return '({},{})'.format(self.x, self.y)

    def distance(self, p2):
        return ((self.x-p2.x)**2 + (self.y-p2.y)**2)**0.5
  
    @classmethod
    def base_point(cls):
        return cls(0,0)
  
    @staticmethod
    def sum(x,y):
        return x+y
  
class TdPoint(Point):
    """
    表示三维的点
    """
    def __init__(self, x, y, z):
        self.x = x
        self.y = y
        self.z = z
      
    def __str__(self):
        return '({},{},{})'.format(self.x, self.y, self.z)
  
    def distance(self, p2):
        return ((self.x-p2.x)**2 + (self.y-p2.y)**2 + (self.z-p2.z)**2)**0.5
  
    @classmethod
    def base_point(cls):
        return cls(0,0,0)

上面的代码中TdPoint类重写了父类中的__init__,str,distance,base_point三个方法

p1 = TdPoint(1,2,3)
p2 = TdPoint(2,3,4)

print(p1)

(1,2,3)

p1.distance(p2)

1.7320508075688772

print(TdPoint.base_point())

(0,0,0)

5.3 super方法

重写了父类方法后如果又要调用父类的方法怎么解决呢？

例如，三维点在计算点与点的距离时，要求同时返回投射到二维平面的点的距离。

class TdPoint(Point):
    """
    表示三维的点
    """
    def __init__(self, x, y, z):
        self.x = x
        self.y = y
        self.z = z
      
    def __str__(self):
        return '({},{},{})'.format(self.x, self.y, self.z)
  
    def distance(self, p2):
        d2 = Point.distance(self, p2)
        d3 = ((self.x-p2.x)**2 + (self.y-p2.y)**2 + (self.z-p2.z)**2)**0.5
        return d2, d3
  
    @classmethod
    def base_point(cls):
        return cls(0,0,0)

p1 = TdPoint(1,2,3)
p2 = TdPoint(2,3,4)
p1.distance(p2)

(1.4142135623730951, 1.7320508075688772)
可以直接通过类名的方式调用对应的方法。但是这种方法的耦合性太大，官方推荐使用super函数。

class TdPoint(Point):
    """
    表示三维的点
    """
    def __init__(self, x, y, z):
        self.x = x
        self.y = y
        self.z = z
      
    def __str__(self):
        return '({},{},{})'.format(self.x, self.y, self.z)
  
    def distance(self, p2):
        d2 = super().distance(p2)
        d3 = ((self.x-p2.x)**2 + (self.y-p2.y)**2 + (self.z-p2.z)**2)**0.5
        return d2, d3
  
    @classmethod
    def base_point(cls):
        return cls(0,0,0)

p1 = TdPoint(1,2,3)
p2 = TdPoint(2,3,4)
p1.distance(p2)

<super: <class 'TdPoint'>, >

(1.4142135623730951, 1.7320508075688772)
在具有单继承的类层级结构中，super 可用来引用父类而不必显式地指定它们的名称，从而令代码更易维护。

super()会返回一个代理对象，它会将方法调用委托给父类，这对于访问已在类中被重载的父类方法很有用。

5.4 多态

python是一门动态语言，严格的来说python不存在多态。

def bark(animal):
    animal.bark()

上面的函数bark接收一个对象，并调用了对象的bark方法。对于python来说只要传入的对象有bark方法这个函数就可以执行，而不必去检查这个对象的类型。

class Animal:
    def bark(self):
        print('嗷嗷叫！')

class Dog(Animal):
    def bark(self):
        print('汪汪叫！')

class Cat(Animal):
    def bark(self):
        print('喵喵叫！')

class Duck(Animal):
    def bark(self):
        print('嘎嘎叫！')

dog = Dog()
cat = Cat()
duck = Duck()

bark(dog)
bark(cat)
bark(duck)

汪汪叫！
喵喵叫！
嘎嘎叫！
上面的案例中dog是Dog类型的一个实例，同时它也是Animal的一个实例。但是反过来不成立。

对于静态语言来说函数bark如果需要传入Animal类型，则传入的对象必须是Animal类型或者它的子类，否则，不能调用bark。

dog，cat，duck都是Animal类型，但是它们执行bark后的输出又各不相同。一个类型多种形态，这就是多态。

对于python这样的动态语言来说，则不需要传入的一定是Animal类型，只要它具有一个bark方法就可以了。

class SomeClass:
    def bark(self):
        print('随便叫！')

sc = SomeClass()
bark(sc)

随便叫！

5.5 私有化

python中不存在那种只能在仅限从一个对象内部访问的私有变量。

但是，大多数 Python 代码都遵循这样一个约定：以一个下划线开头的名称 (例如 _spam) 应该被当作是 API 的非公有部分 (无论它是函数、方法或是数据成员)。 这应当被视为一个实现细节，可能不经通知即加以改变。

class A:
    _arg1 = 'A'
  
    def _method1(self):
        print('我是私有方法')
  

a = A()
a._arg1

'A'

a._method1()

我是私有方法
这种以一个下划线开头的属性可以被类和实例调用。

只是在from xxx import * 时不会被导入。

还有一种定义私有属性的方法是以两个下划线开头的名称（例如__spam),这种方式定义的私有变量只能在类的内部访问。

class A:
    __arg1 = 'A'
  
    def __method1(self):
        print('我是私有方法')

a = A()
a.__arg1

AttributeError Traceback (most recent call last)

in
1 a = A()
----> 2 a.__arg1

AttributeError: 'A' object has no attribute '__arg1'
这种限制访问的原理是，以双下划线开头的属性名(至少带有两个前缀下划线，至多一个后缀下划线)会被改写成_classname__spam,所以在类外部通过原名称反问不到，但在类的内部使用原名称可以访问。

a._A__arg1

'A'

6.自省与反射机制

6.1 自省

在日常生活中，自省（introspection）是一种自我检查行为。

在计算机编程中，自省是指这种能力：检查对象以确定它是什么类型、它有哪些属性和哪些方法。自省向程序员提供了极大的灵活性和控制力。

type

type函数可以返回一个对象的类型

type(1)

int

isinstance

检查一个对象是否是某个或某些类型的实例

isinstance(1,int)

True

issubclass

检查一个类是否是某个或某些类的子类

issubclass(bool, int)

True

dir

返回一个传入对象的属性名和方法名的字符串列表

print(dir(1))

['abs', 'add', 'and', 'bool', 'ceil', 'class', 'delattr', 'dir', 'divmod', 'doc', 'eq', 'float', 'floor', 'floordiv', 'format', 'ge', 'getattribute', 'getnewargs', 'gt', 'hash', 'index', 'init', 'init_subclass', 'int', 'invert', 'le', 'lshift', 'lt', 'mod', 'mul', 'ne', 'neg', 'new', 'or', 'pos', 'pow', 'radd', 'rand', 'rdivmod', 'reduce', 'reduce_ex', 'repr', 'rfloordiv', 'rlshift', 'rmod', 'rmul', 'ror', 'round', 'rpow', 'rrshift', 'rshift', 'rsub', 'rtruediv', 'rxor', 'setattr', 'sizeof', 'str', 'sub', 'subclasshook', 'truediv', 'trunc', 'xor', 'as_integer_ratio', 'bit_length', 'conjugate', 'denominator', 'from_bytes', 'imag', 'numerator', 'real', 'to_bytes']
python中的自省函数有很多，凡是可以检查对象状态的函数都可以称为自省函数。

6.2 反射

反射就是动态的操作对象。

简单的讲就是根据字符串形式的属性名方法名操作对应的对象。

hasattr

检查一个对象是否有给定名称的属性

hasattr([1,2,3],'append')

True

getattr

返回一个对象给定名称的属性

getattr(x,'y') 等价于 x.y

class Point:
    name = '点'

getattr(Point,'name')

'点'

setattr

给一个对象添加一个给定名称的属性

setattr(x, 'y', v) 等价于 x.y = v

setattr(Point,'x',1)

Point.x

1

delattr

删除对象的一个给定名称的属性

delattr(x, 'y') 等价与 del x.y

delattr(Point, 'x')

Point.x

AttributeError Traceback (most recent call last)

in
----> 1 Point.x

AttributeError: type object 'Point' has no attribute 'x'
自省和反射机制的理解需要大量的阅读源码。

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