Python 面向對象編程(上篇)
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今天是面向對象編程的上篇：基礎專題
Python 面向對象編程
面向對象程序設計思想，首先思考的不是程序執(zhí)行流程，它的核心是抽象出一個對象，然后構思此對象包括的數(shù)據(jù)，以及操作數(shù)據(jù)的行為方法。
本專題主要討論面向對象編程(OOP)的基礎和進階知識，實際開發(fā)模型中OOP的主要實踐，盡量使用最貼切的例子。
基礎專題
1 類定義
動物是自然界一個龐大的群體，以建模動物類為主要案例論述OOP編程。
Python語言創(chuàng)建動物類的基本語法如下，使用class關鍵字定義一個動物類：
class?Animal():
????pass
類里面可包括數(shù)據(jù)，如下所示的Animal類包括兩個數(shù)據(jù)：self.name和self.speed：
class?Animal():
???def?__init__(self,name,speed):
???????self.name?=?name?#?動物名字
???????self.speed?=?speed?#?動物行走或飛行速度
注意到類里面通過系統(tǒng)函數(shù)__init__為類的2個數(shù)據(jù)賦值，數(shù)據(jù)前使用self保留字。
self的作用是指名這兩個數(shù)據(jù)是實例上的，而非類上的。
同時注意到__init__方法的第一個參數(shù)也帶有self，所以也表明此方法是實例上的方法。
2 實例
理解什么是實例上的數(shù)據(jù)或方法，什么是類上的數(shù)據(jù)，需要先建立實例的概念，類的概念，如下：
#?生成一個名字叫加菲貓、行走速度8km/h的cat對象
cat?=?Animal('加菲貓',8)?
cat就是Animal的實例，也可以一次創(chuàng)建成千上百個實例，如下創(chuàng)建1000只蜜蜂：
bees?=?[Animal('bee'+str(i),5)?for?i?in?range(1000)]
總結：自始至終只使用一個類Animal，但卻可以創(chuàng)建出許多個它的實例，因此是一對多的關系。
實例創(chuàng)建完成后，下一步打印它看看：
In?[1]:?print(cat)???????????????????????????????????????????????????????????
<__main__.Animal?object?at?0x7fce3a596ad0>
結果顯示它是Animal對象，其實打印結果顯示實例屬性信息會更友好，那么怎么實現(xiàn)呢？
3 打印實例
只需重新定義一個系統(tǒng)(又稱為魔法)函數(shù)__str__ ，就能讓打印實例顯示的更加友好：
class?Animal():
???def?__init__(self,name,speed):
???????self.name?=?name?#?動物名字
???????self.speed?=?speed?#?動物行走或飛行速度
??
???def?__str__(self):
????????return?'''Animal({0.name},{0.speed})?is?printed
????????????????name={0.name}
????????????????speed={0.speed}'''.format(self)
使用0.數(shù)據(jù)名稱的格式，這是類專有的打印格式。
現(xiàn)在再打印:
cat?=?Animal('加菲貓',8)
print(cat)
打印信息如下:
Animal(加菲貓,8)?is?printed
????????????????name=加菲貓
????????????????speed=8
以上就是想要的打印格式，看到實例的數(shù)據(jù)值都正確。
4 屬性
至此，我們都稱類里的name和speed稱為數(shù)據(jù)，其實它們有一個專業(yè)名稱：屬性。
同時，上面還有一個問題我們沒有回答完全，什么是類上的屬性？
如下，在最新Animal類定義基礎上，再添加一個cprop屬性，它前面沒有self保留字：
class?Animal():
???cprop?=?"我是類上的屬性cprop"
???
???def?__init__(self,name,speed):
???????self.name?=?name?#?動物名字
???????self.speed?=?speed?#?動物行走或飛行速度
??
???def?__str__(self):
????????return?'''Animal({0.name},{0.speed})?is?printed
????????????????name={0.name}
????????????????speed={0.speed}'''.format(self)
類上的屬性直接使用類便可引用：
In?[1]:?Animal.cprop???????????????????????????????????????????????????????????
Out[1]:?'我是類上的屬性cprop'
類上的屬性，實例同樣可以引用，并且所有的實例都共用此屬性值：
In?[1]:?cat?=?Animal('加菲貓',8)
In?[2]:?cat.cprop??????????????????????????????????????????????????????????????
Out[2]:?'我是類上的屬性cprop'
Python作為一門動態(tài)語言，支持屬性的動態(tài)添加和刪除。
如下cat實例原來不存在color屬性，但是賦值時不光不會報錯，相反會直接將屬性添加到cat上：
cat.color?=?'grap'
那么，如何驗證cat是否有color屬性呢？使用內置函數(shù)hasattr：
In?[24]:?hasattr(cat,'color')?#?cat?已經(jīng)有`color`屬性??????????????????????????
Out[24]:?True
但是注意：以上添加屬性方法僅僅為cat實例本身添加，而不會為其他實例添加：
In?[26]:?monkey?=?Animal('大猩猩',2)????????????????????????????????????????????
In?[27]:?hasattr(monkey,'color')?????????????????????????????????????????????
Out[27]:?False
monkey實例并沒有color屬性，注意與__init__創(chuàng)建屬性方法的區(qū)別。
5 private,protected,public
像name和speed屬性，引用此實例的對象都能訪問到它們，如下：
#?模塊名稱：manager.py
import?time
class?Manager():
????def?__init__(self,animal):
????????self.animal?=?animal
????????
????def?recordTime(self):
????????self.__t?=?time.time()
????????print('feeding?time?for?%s（行走速度為:%s）?is?%.0f'%(self.animal.name,self.animal.speed,self.__t))
????
????def?getFeedingTime(self):
????????return?'%0.f'%(self.__t,)?
使用以上Manager類，創(chuàng)建一個cat實例，xiaoming實例引用cat:
cat?=?Animal('加菲貓',8)
xiaoming?=??Manager(cat)?
xiaoming的recordTime方法引用里，引用了animal的兩個屬性name和speed:
In[1]:?xiaoming.recordTime()
Out[1]:?feeding?time?for?加菲貓（行走速度為:8）?is?1595681304
注意看到self.__t屬性，它就是一個私有屬性，只能被Manager類內的所有方法引用，如被方法getFeedingTime方法引用。但是，不能被其他類引用。
如果我們連speed這個屬性也不想被其他類訪問，那么只需將self.speed修改為self.__speed:
同時Manager類的self.animal.speed修改為self.animal.__speed，再次調用下面方法時：
xiaoming.recordTime()
就會報沒有__speed屬性的異常，從而驗證了__speed屬性已經(jīng)變?yōu)轭悆人接校粫┞对谕饷妗?/p>
總結：name屬性相當于java的public屬性，而__speed相當于java的private屬性。
下面在說繼承時，講解protected屬性，實際上它就是帶有1個_的屬性，它只能被繼承的類所引用。
6 繼承
上面已經(jīng)講完了OOP三大特性中的封裝性，而繼承是它的第二大特性。子類繼承父類的所有public和protected數(shù)據(jù)和方法，極大提高了代碼的重用性。
如上創(chuàng)建的Animal類最新版本為：
class?Animal():
???cprop?=?"我是類上的屬性cprop"
???
???def?__init__(self,name,speed):
???????self.name?=?name?#?動物名字
???????self.__speed?=?speed?#?動物行走或飛行速度
??
???def?__str__(self):
????????return?'''Animal({0.name},{0.__speed})?is?printed
????????????????name={0.name}
????????????????speed={0.__speed}'''.format(self)
現(xiàn)在有個新的需求，要重新定義一個Cat貓類，它也有name和speed兩個屬性，同時還有color和genre兩個屬性，打印時只需要打印name和speed兩個屬性就行。
因此，基本可以復用基類Animal，但需要修改__speed屬性為受保護(protected)的_speed屬性，這樣子類都可以使用此屬性，而外部還是訪問不到它。
綜合以上，Cat類的定義如下：
class?Cat(Animal):
????def?__init__(self,name,speed,color,genre):
????????super().__init__(name,speed)
????????self.color?=?color?
????????self.genre?=?genre
首先使用super()方法找到Cat的基類Animal，然后引用基類的__init__方法，這樣復用基類的方法。
使用Cat類，打印時，又復用了基類的 __str__方法：
jiafeimao?=?Cat('加菲貓',8,'gray','CatGenre')
print(jiafeimao)
打印結果：
Animal(加菲貓,8)?is?printed
????????????????name=加菲貓
????????????????speed=8
以上就是基本的繼承使用案例，繼承要求基類定義的數(shù)據(jù)和行為盡量標準、盡量精簡，以此提高代碼復用性。
7 多態(tài)
如果說OOP的封裝和繼承使用起來更加直觀易用，那么作為第三大特性的多態(tài)，在實踐中真正運用起來就不那么容易。有的讀者OOP編程初期，可能對多態(tài)的價值體會不深刻，甚至都已經(jīng)淡忘它的存在。
那么問題就在：多態(tài)到底真的有用嗎？到底使用在哪些場景？
多態(tài)價值很大，使用場景很多，幾乎所有的系統(tǒng)或軟件，都能看到它的應用。這篇文章盡可能通過一個精簡的例子說明它的價值和使用方法。如果不用多態(tài)，方法怎么寫；使用多態(tài)，又是怎么寫。
為了一脈相承，做到一致性，仍然基于上面的案例，已經(jīng)創(chuàng)建好的Cat類要有一個方法打印和返回它的爬行速度。同時需要再創(chuàng)建一個類Bird，要有一個方法打印和返回它的飛行速度；
如果不使用多態(tài)，為Cat類新增一個方法：
class?Cat(Animal):
????def?__init__(self,name,speed,color,genre):
????????super().__init__(name,speed)
????????self.color?=?color?
????????self.genre?=?genre
????#?添加方法
????def?getRunningSpeed(self):
????????print('running?speed?of?%s?is?%s'?%(self.name,?self._speed))
????????return?self._speed
重新創(chuàng)建一個Bird類：
class?Bird(Animal):
????def?__init__(self,name,speed,color,genre):
????????super().__init__(name,speed)
????????self.color?=?color?
????????self.genre?=?genre
????#?添加方法
????def?getFlyingSpeed(self):
????????print('flying?speed?of?%s?is?%s'?%(self.name,?self._speed))
????????return?self._speed
最后，上面創(chuàng)建的Manager類會引用Cat和Bird類，但是需要修改recordTime方法，因為Cat它是爬行的，Bird它是飛行的，所以要根據(jù)對象類型的不同做邏輯區(qū)分，如下所示：
#?模塊名稱：manager.py
import?time
from?animal?import?(Animal,Cat,Bird)
class?Manager():
????def?__init__(self,animal):
????????self.animal?=?animal
????????
????def?recordTime(self):
????????self.__t?=?time.time()
????????if?isinstance(self.animal,?Cat):
????????????print('feeding?time?for?%s?is?%.0f'%(self.animal.name,self.__t))
????????????self.animal.getRunningSpeed()
????????if?isinstance(self.animal,Bird):
????????????print('feeding?time?for?%s?is?%.0f'%(self.animal.name,self.__t))
????????????self.animal.getFlyingSpeed()
????def?getFeedingTime(self):
????????return?'%0.f'%(self.__t,)?
如果再來一個類，我們又得需要修改recordTime，再增加一個if分支，從軟件設計角度講，這種不斷破壞封裝的行為不可取。
但是，使用多態(tài)，就可以保證recordTime不被修改，不必寫很多if分支。怎么來實現(xiàn)呢？
首先，在基類Animal中創(chuàng)建一個基類方法，然后Cat和Bird分別重寫此方法，最后傳入到Manager類的animal參數(shù)是什么類型，在recordTime方法中就會對應調用這個animal實例的方法，這就是多態(tài)。
代碼如下：
animal2.py 模塊如下：
#?animal2.py?模塊
class?Animal():
???cprop?=?"我是類上的屬性cprop"
???
???def?__init__(self,name,speed):
???????self.name?=?name?#?動物名字
???????self._speed?=?speed?#?動物行走或飛行速度
??
???def?__str__(self):
????????return?'''Animal({0.name},{0._speed})?is?printed
????????????????name={0.name}
????????????????speed={0._speed}'''.format(self)
???def?getSpeedBehavior(self):
???????pass?
class?Cat(Animal):
????def?__init__(self,name,speed,color,genre):
????????super().__init__(name,speed)
????????self.color?=?color?
????????self.genre?=?genre
????????
????#?重寫方法
????def?getSpeedBehavior(self):
????????print('running?speed?of?%s?is?%s'?%(self.name,?self._speed))
????????return?self._speed
????????
class?Bird(Animal):
????def?__init__(self,name,speed,color,genre):
????????super().__init__(name,speed)
????????self.color?=?color?
????????self.genre?=?genre
????#?重寫方法
????def?getSpeedBehavior(self):
????????print('flying?speed?of?%s?is?%s'?%(self.name,?self._speed))
????????return?self._speed
manager2.py 模塊如下：
#?manager2.py?模塊
import?time
from?animal2?import?(Animal,Cat,Bird)
class?Manager():
????def?__init__(self,animal):
????????self.animal?=?animal
????????
????def?recordTime(self):
????????self.__t?=?time.time()
????????print('feeding?time?for?%s?is?%.0f'%(self.animal.name,self.__t))
????????self.animal.getSpeedBehavior()
????def?getFeedingTime(self):
????????return?'%0.f'%(self.__t,)??
recordTime方法非常清爽，不需要任何if邏輯，只需要調用我們定義的Animal類的基方法getSpeedBehavior即可。
在使用上面所有類時，Manager(jiafeimao)傳入Cat類實例時，recordTime方法調用就被自動指向Cat實例的getSpeedBehavior方法；
Manager(haiying)傳入Bird類實例時，自動指向Bird實例的getSpeedBehavior方法，這就是多態(tài)和它的價值，Manager類的方法不必每次都修改，保證了類的封裝性。
if?__name__?==?"__main__":
????jiafeimao?=?Cat('jiafeimao',2,'gray','CatGenre')
????haiying?=?Bird('haiying',40,'blue','BirdGenre')
????Manager(jiafeimao).recordTime()
????print('#'*30)
????Manager(haiying).recordTime()??
總結
以上就是面向對象編程專題的基礎部分，大綱如下：
Python 面向對象編程
基礎專題
1 類定義
2 實例
3 打印實例
4 屬性
5 private,protected,public
6 繼承
7 多態(tài)
總結
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