Python学习入门基础 -- 第七章 面向对象三大特性、单例设计模式

Python基础入门知识点总结传送门

第一章 认识Python、Python常用集成开发环境PyCharm

第二章 注释、变量基本使用、变量的命名

第三章 运算符、判断if语句、while和for循环

第四章 列表、元组、字典、字符串变量使用、变量进阶

第五章 函数基础、函数进阶

第六章 面向对象基础

第七章 面向对象三大特性、单例设计模式

第八章 文件读写操作、模块和包、异常

一、封装性

01. 封装特点

1. 封装 是面向对象编程的一大特点
2. 面向对象编程的 第一步 —— 将 属性 和 方法 封装 到一个抽象的 类 中
3. 外界 使用 类 创建 对象，然后 让对象调用方法
4. 对象方法的细节 都被 封装 在 类的内部

一个对象的 属性 可以是 另外一个类创建的对象

02. 摆放家具案例

需求

1. 房子(House) 有 户型、总面积 和 家具名称列表
   • 新房子没有任何的家具
2. 家具(HouseItem) 有 名字 和 占地面积，其中
   • 席梦思(bed) 占地 4 平米
   • 衣柜(chest) 占地 2 平米
   • 餐桌(table) 占地 1.5 平米
3. 将以上三件 家具 添加 到 房子 中
4. 打印房子时，要求输出：户型、总面积、剩余面积、家具名称列表

剩余面积

1. 在创建房子对象时，定义一个 剩余面积的属性，初始值和总面积相等
2. 当调用 add_item 方法，向房间 添加家具 时，让 剩余面积 -= 家具面积

思考：应该先开发哪一个类？

答案 —— 家具类

1. 家具简单
2. 房子要使用到家具，被使用的类，通常应该先开发

2.1 创建家具

class HouseItem:

    def __init__(self, name, area):
        """

        :param name: 家具名称
        :param area: 占地面积
        """
        self.name = name
        self.area = area

    def __str__(self):
        return "[%s] 占地面积 %.2f" % (self.name, self.area)


# 1. 创建家具
bed = HouseItem("席梦思", 4)
chest = HouseItem("衣柜", 2)
table = HouseItem("餐桌", 1.5)

print(bed)
print(chest)
print(table)

小结

1. 创建了一个 家具类，使用到 __init__ 和 __str__ 两个内置方法
2. 使用 家具类 创建了 三个家具对象，并且 输出家具信息

2.2 创建房间

class House:

    def __init__(self, house_type, area):
        """

        :param house_type: 户型
        :param area: 总面积
        """
        self.house_type = house_type
        self.area = area
        
        # 剩余面积默认和总面积一致
        self.free_area = area
        # 默认没有任何的家具
        self.item_list = []

    def __str__(self):

        # Python 能够自动的将一对括号内部的代码连接在一起
        return ("户型：%s\n总面积：%.2f[剩余：%.2f]\n家具：%s"
                % (self.house_type, self.area,
                   self.free_area, self.item_list))

    def add_item(self, item):

        print("要添加 %s" % item)

...

# 2. 创建房子对象
my_home = House("两室一厅", 60)

my_home.add_item(bed)
my_home.add_item(chest)
my_home.add_item(table)

print(my_home)

小结

1. 创建了一个 房子类，使用到 __init__ 和 __str__ 两个内置方法
2. 准备了一个 add_item 方法 准备添加家具
3. 使用 房子类 创建了 一个房子对象
4. 让 房子对象 调用了三次 add_item 方法，将 三件家具 以实参传递到 add_item 内部

2.3 添加家具

需求

• 1> 判断 家具的面积 是否 超过剩余面积，如果超过，提示不能添加这件家具
• 2> 将 家具的名称 追加到 家具名称列表 中
• 3> 用 房子的剩余面积 - 家具面积

    def add_item(self, item):

        print("要添加 %s" % item)
        # 1. 判断家具面积是否大于剩余面积
        if item.area > self.free_area:
            print("%s 的面积太大，不能添加到房子中" % item.name)

            return

        # 2. 将家具的名称追加到名称列表中
        self.item_list.append(item.name)

        # 3. 计算剩余面积
        self.free_area -= item.area

2.4 小结

• 主程序只负责创建 房子 对象和 家具 对象
• 让 房子 对象调用 add_item 方法 将家具添加到房子中
• 面积计算、剩余面积、家具列表 等处理都被 封装 到 房子类的内部

二、继承性

• 单继承
• 多继承

01. 单继承

1.1 继承的概念、语法和特点

继承的概念：子类 拥有 父类 的所有 方法 和 属性

1) 继承的语法

class 类名(父类名):

    pass

• 子类 继承自 父类，可以直接 享受 父类中已经封装好的方法，不需要再次开发
• 子类 中应该根据 职责，封装 子类特有的 属性和方法

2) 专业术语

• Dog 类是 Animal 类的子类，Animal 类是 Dog 类的父类，Dog 类从 Animal 类继承
• Dog 类是 Animal 类的派生类，Animal 类是 Dog 类的基类，Dog 类从 Animal 类派生

3) 继承的传递性

• C 类从 B 类继承，B 类又从 A 类继承
• 那么 C 类就具有 B 类和 A 类的所有属性和方法

子类 拥有 父类 以及 父类的父类 中封装的所有 属性 和 方法

提问

哮天犬 能够调用 Cat 类中定义的 catch 方法吗？

答案

不能，因为 哮天犬 和 Cat 之间没有 继承 关系

1.2 方法的重写

• 子类 拥有 父类 的所有 方法 和 属性
• 子类 继承自 父类，可以直接 享受 父类中已经封装好的方法，不需要再次开发

应用场景

• 当 父类 的方法实现不能满足子类需求时，可以对方法进行 重写(override)

重写 父类方法有两种情况：

1. 覆盖 父类的方法
2. 对父类方法进行 扩展

1) 覆盖父类的方法

• 如果在开发中，父类的方法实现 和 子类的方法实现，完全不同
• 就可以使用 覆盖 的方式，在子类中 重新编写 父类的方法实现

具体的实现方式，就相当于在 子类中 定义了一个 和父类同名的方法并且实现

重写之后，在运行时，只会调用 子类中重写的方法，而不再会调用 父类封装的方法

2) 对父类方法进行 扩展

• 如果在开发中，子类的方法实现 中 包含 父类的方法实现
  • 父类原本封装的方法实现 是 子类方法的一部分
• 就可以使用 扩展 的方式
  1. 在子类中 重写 父类的方法
  2. 在需要的位置使用 super().父类方法 来调用父类方法的执行
  3. 代码其他的位置针对子类的需求，编写 子类特有的代码实现

关于 super

• 在 Python 中 super 是一个 特殊的类
• super() 就是使用 super 类创建出来的对象
• 最常 使用的场景就是在 重写父类方法时，调用 在父类中封装的方法实现

调用父类方法的另外一种方式（知道）

在 Python 2.x 时，如果需要调用父类的方法，还可以使用以下方式：

父类名.方法(self)

• 这种方式，目前在 Python 3.x 还支持这种方式
• 这种方法 不推荐使用，因为一旦 父类发生变化，方法调用位置的 类名 同样需要修改

提示

• 在开发时，父类名 和 super() 两种方式不要混用
• 如果使用 当前子类名 调用方法，会形成递归调用，出现死循环

1.3 父类的 私有属性 和 私有方法

1. 子类对象 不能 在自己的方法内部，直接 访问 父类的 私有属性 或 私有方法
2. 子类对象 可以通过 父类 的 公有方法 间接 访问到 私有属性 或 私有方法

• 私有属性、方法 是对象的隐私，不对外公开，外界 以及 子类 都不能直接访问
• 私有属性、方法 通常用于做一些内部的事情

示例

• B 的对象不能直接访问 __num2 属性
• B 的对象不能在 demo 方法内访问 __num2 属性
• B 的对象可以在 demo 方法内，调用父类的 test 方法
• 父类的 test 方法内部，能够访问 __num2 属性和 __test 方法

02. 多继承

概念

• 子类 可以拥有 多个父类，并且具有 所有父类 的 属性 和 方法
• 例如：孩子 会继承自己 父亲 和 母亲 的 特性

语法

class 子类名(父类名1, 父类名2...)
    pass

2.1 多继承的使用注意事项

问题的提出

• 如果 不同的父类 中存在 同名的方法，子类对象 在调用方法时，会调用 哪一个父类中的方法呢？

提示：开发时，应该尽量避免这种容易产生混淆的情况！ —— 如果 父类之间 存在 同名的属性或者方法，应该 尽量避免 使用多继承

Python 中的 MRO —— 方法搜索顺序

• Python 中针对 类 提供了一个 内置属性 __mro__ 可以查看 方法 搜索顺序
• MRO 是 method resolution order，主要用于 在多继承时判断 方法、属性 的调用 路径

print(C.__mro__)

输出结果

(, , , )

• 在搜索方法时，是按照 __mro__ 的输出结果 从左至右 的顺序查找的
• 如果在当前类中 找到方法，就直接执行，不再搜索
• 如果 没有找到，就查找下一个类 中是否有对应的方法，如果找到，就直接执行，不再搜索
• 如果找到最后一个类，还没有找到方法，程序报错

2.2 新式类与旧式（经典）类

object 是 Python 为所有对象提供的 基类，提供有一些内置的属性和方法，可以使用 dir 函数查看

• 新式类：以 object 为基类的类，推荐使用

• 经典类：不以 object 为基类的类，不推荐使用

• 在 Python 3.x 中定义类时，如果没有指定父类，会 默认使用 object 作为该类的 基类 —— Python 3.x 中定义的类都是 新式类

• 在 Python 2.x 中定义类时，如果没有指定父类，则不会以 object 作为 基类

新式类 和 经典类 在多继承时 —— 会影响到方法的搜索顺序

为了保证编写的代码能够同时在 Python 2.x 和 Python 3.x 运行！
今后在定义类时，如果没有父类，建议统一继承自 object

class 类名(object):
    pass

三、多态性

01. 多态的特点

1. 多态 不同的 子类对象 调用相同的 父类方法，产生不同的执行结果
2. 多态 可以 增加代码的灵活度
3. 以 继承 和 重写父类方法 为前提
4. 是调用方法的技巧，不会影响到类的内部设计

02. 多态案例演练

需求

1. 在 Dog 类中封装方法 game
   • 普通狗只是简单的玩耍
2. 定义 XiaoTianDog 继承自 Dog，并且重写 game 方法
   • 哮天犬需要在天上玩耍
3. 定义 Person 类，并且封装一个 和狗玩 的方法
   • 在方法内部，直接让 狗对象 调用 game 方法

案例小结

• Person 类中只需要让 狗对象 调用 game 方法，而不关心具体是 什么狗
  • game 方法是在 Dog 父类中定义的
• 在程序执行时，传入不同的 狗对象 实参，就会产生不同的执行效果

多态 更容易编写出出通用的代码，做出通用的编程，以适应需求的不断变化！

class Dog(object):

    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def game(self):
        print("%s 蹦蹦跳跳的玩耍..." % self.name)


class XiaoTianDog(Dog):

    def game(self):
        print("%s 飞到天上去玩耍..." % self.name)


class Person(object):

    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def game_with_dog(self, dog):

        print("%s 和 %s 快乐的玩耍..." % (self.name, dog.name))

        # 让狗玩耍
        dog.game()


# 1. 创建一个狗对象
# wangcai = Dog("旺财")
wangcai = XiaoTianDog("飞天旺财")

# 2. 创建一个小明对象
xiaoming = Person("小明")

# 3. 让小明调用和狗玩的方法
xiaoming.game_with_dog(wangcai)
        

四、单例模式

• 单例设计模式
• __new__ 方法
• Python 中的单例

01. 单例设计模式

• 设计模式

  • 设计模式 是 前人工作的总结和提炼，通常，被人们广泛流传的设计模式都是针对 某一特定问题 的成熟的解决方案
  • 使用 设计模式 是为了可重用代码、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性

• 单例设计模式

  • 目的 —— 让 类 创建的对象，在系统中 只有 唯一的一个实例
  • 每一次执行 类名() 返回的对象，内存地址是相同的

单例设计模式的应用场景

• 音乐播放 对象
• 回收站 对象
• 打印机 对象
• ……

02. __new__ 方法

• 使用 类名() 创建对象时，Python 的解释器 首先 会 调用 __new__ 方法为对象 分配空间
• __new__ 是一个 由 object 基类提供的 内置的静态方法，主要作用有两个：
  1. 在内存中为对象 分配空间
  2. 返回 对象的引用
• Python 的解释器获得对象的 引用 后，将引用作为 第一个参数，传递给 __init__ 方法

重写 __new__ 方法 的代码非常固定！

• 重写 __new__ 方法 一定要 return super().__new__(cls)
• 否则 Python 的解释器 得不到 分配了空间的 对象引用，就不会调用对象的初始化方法
• 注意：__new__ 是一个静态方法，在调用时需要 主动传递 cls 参数

示例代码

class MusicPlayer(object):

    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        # 如果不返回任何结果，
        return super().__new__(cls)

    def __init__(self):
        print("初始化音乐播放对象")

player = MusicPlayer()

print(player)

03. Python 中的单例

• 单例 —— 让 类 创建的对象，在系统中 只有 唯一的一个实例
  1. 定义一个 类属性，初始值是 None，用于记录 单例对象的引用
  2. 重写 __new__ 方法
  3. 如果 类属性 is None，调用父类方法分配空间，并在类属性中记录结果
  4. 返回 类属性 中记录的 对象引用

class MusicPlayer(object):

    # 定义类属性记录单例对象引用
    instance = None

    def __new__(cls, *args, **kwargs):

        # 1. 判断类属性是否已经被赋值
        if cls.instance is None:
            cls.instance = super().__new__(cls)

        # 2. 返回类属性的单例引用
        return cls.instance

只执行一次初始化工作

• 在每次使用 类名() 创建对象时，Python 的解释器都会自动调用两个方法：
  • __new__ 分配空间
  • __init__ 对象初始化
• 在上一小节对 __new__ 方法改造之后，每次都会得到 第一次被创建对象的引用
• 但是：初始化方法还会被再次调用

需求

• 让 初始化动作 只被 执行一次

解决办法

1. 定义一个类属性 init_flag 标记是否 执行过初始化动作，初始值为 False
2. 在 __init__ 方法中，判断 init_flag，如果为 False 就执行初始化动作
3. 然后将 init_flag 设置为 True
4. 这样，再次 自动 调用 __init__ 方法时，初始化动作就不会被再次执行 了

class MusicPlayer(object):

    # 记录第一个被创建对象的引用
    instance = None
    # 记录是否执行过初始化动作
    init_flag = False

    def __new__(cls, *args, **kwargs):

        # 1. 判断类属性是否是空对象
        if cls.instance is None:
            # 2. 调用父类的方法，为第一个对象分配空间
            cls.instance = super().__new__(cls)

        # 3. 返回类属性保存的对象引用
        return cls.instance

    def __init__(self):

        if not MusicPlayer.init_flag:
            print("初始化音乐播放器")

            MusicPlayer.init_flag = True


# 创建多个对象
player1 = MusicPlayer()
print(player1)

player2 = MusicPlayer()
print(player2)

创作不易，白嫖不好，各位的支持和认可，就是我创作的最大动力，我们下篇文章见！

Dragon少年 | 文

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