Python 面向对象编程(上篇)

zhenguo |  作者

Python与算法社区 |  来源

Python 面向对象编程

面向对象程序设计思想，首先思考的不是程序执行流程，它的核心是抽象出一个对象，然后构思此对象包括的数据，以及操作数据的行为方法。

本专题主要讨论面向对象编程(OOP)的基础和进阶知识，实际开发模型中OOP的主要实践，尽量使用最贴切的例子。

基础专题

1 类定义

动物是自然界一个庞大的群体，以建模动物类为主要案例论述OOP编程。

Python语言创建动物类的基本语法如下，使用class关键字定义一个动物类：

class Animal():
    pass

类里面可包括数据，如下所示的Animal类包括两个数据：self.name和self.speed：

class Animal():
   def __init__(self,name,speed):
       self.name = name # 动物名字
       self.speed = speed # 动物行走或飞行速度

注意到类里面通过系统函数__init__为类的2个数据赋值，数据前使用self保留字。

self的作用是指名这两个数据是实例上的，而非类上的。

同时注意到__init__方法的第一个参数也带有self，所以也表明此方法是实例上的方法。

2 实例

理解什么是实例上的数据或方法，什么是类上的数据，需要先建立实例的概念，类的概念，如下：

# 生成一个名字叫加菲猫、行走速度8km/h的cat对象
cat = Animal('加菲猫',8) 

cat就是Animal的实例，也可以一次创建成千上百个实例，如下创建1000只蜜蜂：

bees = [Animal('bee'+str(i),5) for i in range(1000)]

总结：自始至终只使用一个类Animal，但却可以创建出许多个它的实例，因此是一对多的关系。

实例创建完成后，下一步打印它看看：

In [1]: print(cat)                                                           
<__main__.Animal object at 0x7fce3a596ad0>

结果显示它是Animal对象，其实打印结果显示实例属性信息会更友好，那么怎么实现呢？

3 打印实例

只需重新定义一个系统(又称为魔法)函数__str__ ，就能让打印实例显示的更加友好：

class Animal():
   def __init__(self,name,speed):
       self.name = name # 动物名字
       self.speed = speed # 动物行走或飞行速度
  
   def __str__(self):
        return '''Animal({0.name},{0.speed}) is printed
                name={0.name}
                speed={0.speed}'''.format(self)

使用0.数据名称的格式，这是类专有的打印格式。

现在再打印:

cat = Animal('加菲猫',8)
print(cat)

打印信息如下:

Animal(加菲猫,8) is printed
                name=加菲猫
                speed=8

以上就是想要的打印格式，看到实例的数据值都正确。

4 属性

至此，我们都称类里的name和speed称为数据，其实它们有一个专业名称：属性。

同时，上面还有一个问题我们没有回答完全，什么是类上的属性？

如下，在最新Animal类定义基础上，再添加一个cprop属性，它前面没有self保留字：

class Animal():
   cprop = "我是类上的属性cprop"
   
   def __init__(self,name,speed):
       self.name = name # 动物名字
       self.speed = speed # 动物行走或飞行速度
  
   def __str__(self):
        return '''Animal({0.name},{0.speed}) is printed
                name={0.name}
                speed={0.speed}'''.format(self)

类上的属性直接使用类便可引用：

In [1]: Animal.cprop                                                           
Out[1]: '我是类上的属性cprop'

类上的属性，实例同样可以引用，并且所有的实例都共用此属性值：

In [1]: cat = Animal('加菲猫',8)
In [2]: cat.cprop                                                              
Out[2]: '我是类上的属性cprop'

Python作为一门动态语言，支持属性的动态添加和删除。

如下cat实例原来不存在color属性，但是赋值时不光不会报错，相反会直接将属性添加到cat上：

cat.color = 'grap'

那么，如何验证cat是否有color属性呢？使用内置函数hasattr：

In [24]: hasattr(cat,'color') # cat 已经有`color`属性                          
Out[24]: True

但是注意：以上添加属性方法仅仅为cat实例本身添加，而不会为其他实例添加：

In [26]: monkey = Animal('大猩猩',2)                                            
In [27]: hasattr(monkey,'color')                                             
Out[27]: False

monkey实例并没有color属性，注意与__init__创建属性方法的区别。

5 private,protected,public

像name和speed属性，引用此实例的对象都能访问到它们，如下：

# 模块名称：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（行走速度为:%s） is %.0f'%(self.animal.name,self.animal.speed,self.__t))
    
    def getFeedingTime(self):
        return '%0.f'%(self.__t,) 

使用以上Manager类，创建一个cat实例，xiaoming实例引用cat:

cat = Animal('加菲猫',8)
xiaoming =  Manager(cat) 

xiaoming的recordTime方法引用里，引用了animal的两个属性name和speed:

In[1]: xiaoming.recordTime()

Out[1]: feeding time for 加菲猫（行走速度为:8） is 1595681304

注意看到self.__t属性，它就是一个私有属性，只能被Manager类内的所有方法引用，如被方法getFeedingTime方法引用。但是，不能被其他类引用。

如果我们连speed这个属性也不想被其他类访问，那么只需将self.speed修改为self.__speed:

同时Manager类的self.animal.speed修改为self.animal.__speed，再次调用下面方法时：

xiaoming.recordTime()

就会报没有__speed属性的异常，从而验证了__speed属性已经变为类内私有，不会暴露在外面。

总结：name属性相当于java的public属性，而__speed相当于java的private属性。

下面在说继承时，讲解protected属性，实际上它就是带有1个_的属性，它只能被继承的类所引用。

6 继承

上面已经讲完了OOP三大特性中的封装性，而继承是它的第二大特性。子类继承父类的所有public和protected数据和方法，极大提高了代码的重用性。

如上创建的Animal类最新版本为：

class Animal():
   cprop = "我是类上的属性cprop"
   
   def __init__(self,name,speed):
       self.name = name # 动物名字
       self.__speed = speed # 动物行走或飞行速度
  
   def __str__(self):
        return '''Animal({0.name},{0.__speed}) is printed
                name={0.name}
                speed={0.__speed}'''.format(self)

现在有个新的需求，要重新定义一个Cat猫类，它也有name和speed两个属性，同时还有color和genre两个属性，打印时只需要打印name和speed两个属性就行。

因此，基本可以复用基类Animal，但需要修改__speed属性为受保护(protected)的_speed属性，这样子类都可以使用此属性，而外部还是访问不到它。

综合以上，Cat类的定义如下：

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的基类Animal，然后引用基类的__init__方法，这样复用基类的方法。

使用Cat类，打印时，又复用了基类的 __str__方法：

jiafeimao = Cat('加菲猫',8,'gray','CatGenre')
print(jiafeimao)

打印结果：

Animal(加菲猫,8) is printed
                name=加菲猫
                speed=8

以上就是基本的继承使用案例，继承要求基类定义的数据和行为尽量标准、尽量精简，以此提高代码复用性。

7 多态

如果说OOP的封装和继承使用起来更加直观易用，那么作为第三大特性的多态，在实践中真正运用起来就不那么容易。有的读者OOP编程初期，可能对多态的价值体会不深刻，甚至都已经淡忘它的存在。

那么问题就在：多态到底真的有用吗？到底使用在哪些场景？

多态价值很大，使用场景很多，几乎所有的系统或软件，都能看到它的应用。这篇文章尽可能通过一个精简的例子说明它的价值和使用方法。如果不用多态，方法怎么写；使用多态，又是怎么写。

为了一脉相承，做到一致性，仍然基于上面的案例，已经创建好的Cat类要有一个方法打印和返回它的爬行速度。同时需要再创建一个类Bird，要有一个方法打印和返回它的飞行速度；

如果不使用多态，为Cat类新增一个方法：

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

重新创建一个Bird类：

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，上面创建的Manager类会引用Cat和Bird类，但是需要修改recordTime方法，因为Cat它是爬行的，Bird它是飞行的，所以要根据对象类型的不同做逻辑区分，如下所示：

# 模块名称：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,) 

如果再来一个类，我们又得需要修改recordTime，再增加一个if分支，从软件设计角度讲，这种不断破坏封装的行为不可取。

但是，使用多态，就可以保证recordTime不被修改，不必写很多if分支。怎么来实现呢？

首先，在基类Animal中创建一个基类方法，然后Cat和Bird分别重写此方法，最后传入到Manager类的animal参数是什么类型，在recordTime方法中就会对应调用这个animal实例的方法，这就是多态。

代码如下：

animal2.py 模块如下：

# animal2.py 模块

class Animal():
   cprop = "我是类上的属性cprop"
   
   def __init__(self,name,speed):
       self.name = name # 动物名字
       self._speed = speed # 动物行走或飞行速度
  
   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
        
    # 重写方法
    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

    # 重写方法
    def getSpeedBehavior(self):
        print('flying speed of %s is %s' %(self.name, self._speed))
        return self._speed

manager2.py 模块如下：

# manager2.py 模块

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逻辑，只需要调用我们定义的Animal类的基方法getSpeedBehavior即可。

在使用上面所有类时，Manager(jiafeimao)传入Cat类实例时，recordTime方法调用就被自动指向Cat实例的getSpeedBehavior方法；

Manager(haiying)传入Bird类实例时，自动指向Bird实例的getSpeedBehavior方法，这就是多态和它的价值，Manager类的方法不必每次都修改，保证了类的封装性。

if __name__ == "__main__":
    jiafeimao = Cat('jiafeimao',2,'gray','CatGenre')
    haiying = Bird('haiying',40,'blue','BirdGenre')

    Manager(jiafeimao).recordTime()
    print('#'*30)
    Manager(haiying).recordTime()  

总结

以上就是面向对象编程专题的基础部分，大纲如下：

• Python 面向对象编程

• 基础专题

• 1 类定义

• 2 实例

• 3 打印实例

• 4 属性

• 5 private,protected,public

• 6 继承

• 7 多态

• 总结

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