Python复习笔记2——面向对象编程

面向对象编程——Object Oriented Programming，简称OOP，是一种程序设计思想。OOP把对象作为程序的基本单元，一个对象包含了数据和操作数据的函数。

面向过程的程序设计把计算机程序视为一系列的命令集合，即一组函数的顺序执行。为了简化程序设计，面向过程把函数继续切分为子函数，即把大块函数通过切割成小块函数来降低系统的复杂度。

而面向对象的程序设计把计算机程序视为一组对象的集合，而每个对象都可以接收其他对象发过来的消息，并处理这些消息，计算机程序的执行就是一系列消息在各个对象之间传递。

一、类Class和实例Instance

面向对象最重要的概念就是类和实例。

• 类是抽象的模板
• 实例是根据类创建出来的一个个具体的“对象”

在Python中，定义类是通过class关键字：

class Student(object):
    pass

class后面紧接着是类名，即Student，类名通常是大写开头的单词，紧接着是(object)，表示该类是从哪个类继承下来的，继承的概念我们后面再讲，通常，如果没有合适的继承类，就使用object类，这是所有类最终都会继承的类。

创建实例是通过类名+()实现：

huffie = Student()

变量bart指向的就是一个Student的实例

二、面向对象的三大特性：封装、继承、多态

2.1 封装

（1）__init__方法

通过定义一个特殊的__init__方法，在创建实例的时候，就把name，score等属性绑上去：

class Student(object):

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

__init__方法的第一个参数永远是self，表示创建的实例本身，因此，在__init__方法内部，就可以把各种属性绑定到self，因为self就指向创建的实例本身。

有了__init__方法，在创建实例的时候，就不能传入空的参数了，必须传入与__init__方法匹配的参数，但self不需要传，Python解释器自己会把实例变量传进去：

huffie = Student('huffie', 22)

（2）类的方法

Student实例本身就拥有这些数据，要访问这些数据，就没有必要从外面的函数去访问，可以直接在类的内部定义访问数据的函数，这样，就把“数据”给封装起来了。这些封装数据的函数是和Student类本身是关联起来的，我们称之为类的方法。

要定义一个方法，除了第一个参数是self外，其他和普通函数一样。

class Student(object):

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

    def print_score(self):
        print('%s: %s' % (self.name, self.score))

要调用一个方法，只需要在实例变量上直接调用，除了self不用传递，其他参数正常传入：

bart.print_score()

（3）访问限制

类的内部可以有属性和方法，外部代码通过实例变量的方法来操作数据，这样就隐藏了内部的复杂逻辑。

但外部代码还是可以自由的修改实例的属性。

要让内部属性不被外部访问，可以把属性的名称前加上两个下划线__。在Python中，实例的变量名如果以__开头，就变成了一个私有变量（private），只有内部可以访问，外部不能访问

class Student(object):

    def __init__(self, name, score):
        self.__name = name
        self.__score = score

    def print_score(self):
        print('%s: %s' % (self.__name, self.__score))

这样就确保了外部代码不能随意修改对象的属性，使代码更稳定可靠。

如果外部代码要获取name和score，或者要修改score，可以给Student类增加get_name和get_score这样的方法：

class Student(object):
    ...

    def get_name(self):
        return self.__name

    def get_score(self):
        return self.__score

    def set_score(self, score):
        self.__score = score

（4）类属性和实例属性

给实例绑定属性的方法是通过实例变量，或者通过self变量：

class Student(object):
    def __init__(self, name):
        self.name = name

s = Student('Bob')
s.score = 90

给类绑定属性可以直接在class中定义属性。

class Student(object):
    name = 'Student'

类属性的特性参考以下测试：

>>> class Student(object):
...     name = 'Student'
...
>>> s = Student() # 创建实例s
>>> print(s.name) # 打印name属性，因为实例并没有name属性，所以会继续查找class的name属性
Student
>>> print(Student.name) # 打印类的name属性
Student
>>> s.name = 'Michael' # 给实例绑定name属性
>>> print(s.name) # 由于实例属性优先级比类属性高，因此，它会屏蔽掉类的name属性
Michael
>>> print(Student.name) # 但是类属性并未消失，用Student.name仍然可以访问
Student
>>> del s.name # 如果删除实例的name属性
>>> print(s.name) # 再次调用s.name，由于实例的name属性没有找到，类的name属性就显示出来了
Student

从上面的例子可以看出，在编写程序的时候，千万不要对实例属性和类属性使用相同的名字，因为相同名称的实例属性将屏蔽掉类属性，但是当你删除实例属性后，再使用相同的名称，访问到的将是类属性。

2.2 继承

定义一个class的时候，可以从某个现有的class继承，新的class称为子类（Subclass），而被继承的class称为基类、父类或超类（Base class、Super class）。

（1）继承的优点1：子类拥有父类的属性和方法

继承最大的好处是子类获得了父类的全部功能。即子类自动拥有父类的所有共有属性和方法。

举例如下，对于Dog来说，Animal就是它的父类，对于Animal来说，Dog就是它的子类。Cat和Dog类似。

class Animal(object):
    def run(self):
        print('Animal is running...')

class Dog(Animal):
    pass

class Cat(Animal):
    pass

（2）继承的优点2：子类可以修改父类的方法

当子类和父类都存在相同的run()方法时，我们说，子类的run()覆盖了父类的run()，在代码运行的时候，总是会调用子类的run()。这样，我们就获得了继承的另一个好处：多态。

class Dog(Animal):

    def run(self):
        print('Dog is running...')

class Cat(Animal):

    def run(self):
        print('Cat is running...')

2.3 多态

首先说明，当我们定义一个class的时候，我们实际上就定义了一种数据类型。我们定义的数据类型和Python自带的数据类型，比如str、list、dict没什么两样。

在继承关系中，如果一个实例的数据类型是某个子类，那它的数据类型也可以被看做是父类。

（1）多态的优点

当新增子类时，任何依赖父类作为参数的函数或方法都可以不加修改的正常运行。即

• 对扩展开放：允许新增父类的子类；
• 对修改封闭：不需要修改依赖父类类型的函数。（例如def func(父类)）

（2）动态语言

定义一个Animal类：

class Animal(object):
    def run(self):
        print('Animal is running...')

参考如下依赖Animal类的函数，其中调用了Animal类的方法run：

def run_twice(animal):
    animal.run()
    animal.run()

对于Python这样的动态语言来说，则不一定需要传入Animal类型。我们只需要保证传入的对象有一个run()方法就可以了：

class Timer(object):
    def run(self):
        print('Start...')

即使Timer类和Animal类毫无关系，但只要他们都有run方法就可以使用依赖Animal的函数。

这就是动态语言的“鸭子类型”，它并不要求严格的继承体系，一个对象只要“看起来像鸭子，走起路来像鸭子”，那它就可以被看做是鸭子。

animal = Animal()
timer = Timer()

run_twice(animal)
run_twice(timer)

三、面向对象高级编程

3.1 @property

前面介绍了set和get方法用来保证代码的稳定性，但这种调用方式过于复杂。因此…对于追求完美的Python程序员来说，参数的使用必须要简单！

Python内置的@property装饰器就是负责把一个方法变成属性调用的：

class Student(object):

    @property
    def score(self):
        return self._score

    @score.setter
    def score(self, value):
        if not isinstance(value, int):
            raise ValueError('score must be an integer!')
        if value < 0 or value > 100:
            raise ValueError('score must between 0 ~ 100!')
        self._score = value

把一个getter方法变成属性，只需要加上@property就可以了。
把一个setter方法变成属性，只需要加上@func_name.setter就可以了
只定义getter方法，不定义setter方法就是一个只读属性

>>> s = Student()
>>> s.score = 60 # OK，实际转化为s.set_score(60)
>>> s.score # OK，实际转化为s.get_score()
60
>>> s.score = 9999
Traceback (most recent call last):
  ...
ValueError: score must between 0 ~ 100!

3.2 定制类

（1）slot

定义类：

class Student(object):
    pass

为实例绑定属性：

>>> s = Student()
>>> s.name = 'Michael' # 动态给实例绑定一个属性

为实例绑定方法：

>>> def set_age(self, age): # 定义一个函数作为实例方法
...     self.age = age
...
>>> from types import MethodType
>>> s.set_age = MethodType(set_age, s) # 给实例绑定一个方法

为类绑定方法，所有实例均可调用：

>>> def set_score(self, score):
...     self.score = score
...
>>> Student.set_score = set_score

上面可以看到，在定义了实例后可以任意添加实例的属性，但如果我们想要限制实例的属性怎么办。

Python允许在定义class的时候，定义一个特殊的__slots__变量，来限制该class实例能添加的属性：

class Student(object):
    __slots__ = ('name', 'age') # 用tuple定义允许绑定的属性名称

测试：

>>> s = Student() # 创建新的实例
>>> s.name = 'Michael' # 绑定属性'name'
>>> s.age = 25 # 绑定属性'age'
>>> s.score = 99 # 绑定属性'score'
Traceback (most recent call last):
  File "", line 1, in <module>
AttributeError: 'Student' object has no attribute 'score'

使用__slots__要注意，__slots__定义的属性仅对当前类实例起作用，对继承的子类是不起作用的。

（2）str

我们先定义一个Student类，打印一个实例：

>>> class Student(object):
...     def __init__(self, name):
...         self.name = name
...
>>> s = Student('Michael')
>>> print(s)
<__main__.Student object at 0x109afb190>
>>> s
<__main__.Student object at 0x109afb190>

打印出一堆<__main__.Student object at 0x109afb190>，不好看。

怎么才能打印得好看呢？只需要定义好__str__()方法和__repr__方法，返回一个好看的字符串就可以了。

>>> class Student(object):
...     def __init__(self, name):
...         self.name = name
...     def __str__(self):
...         return 'Student object (name: %s) from __str__' % self.name
...     def __repr__(self):
...         return 'Student object (name: %s) from __repr__' % self.name
...
>>> s = Student('Michael')
>>> print(s)
Student object (name: Michael) from __str__
>>> s
Student object (name: Michael) from __repr__

这样打印出来的实例，不但好看，而且容易看出实例内部重要的数据。

简便写法：__repr__ = __str__

（3）getattr

正常情况下，当我们调用类的方法或属性时，如果不存在，就会报错。

要避免这个错误，除了可以加上一个score属性外，Python还有另一个机制，那就是写一个__getattr__()方法，动态返回一个属性。修改如下：

class Student(object):

    def __init__(self):
        self.name = 'Michael'

    def __getattr__(self, attr):
        if attr=='score':
            return 99
        if attr=='age':
            return lambda: 25
        raise AttributeError('\'Student\' object has no attribute \'%s\'' % attr)

当调用不存在的属性或方法时，就会有返回：

>>> s = Student()
>>> s.name
'Michael'
>>> s.score
99
>>> s.age()
25

（4）call

任何类，只需要定义一个__call__()方法，就可以直接对实例进行调用。

class Student(object):
    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def __call__(self):
        print('My name is %s.' % self.name)

调用方式如下：

>>> s = Student('Michael')
>>> s() # self参数不要传入
My name is Michael.

__call__()还可以定义参数。对实例进行直接调用就好比对一个函数进行调用一样，所以你完全可以把对象看成函数，把函数看成对象，因为这两者之间本来就没啥根本的区别。

3.3 枚举类

当我们需要定义常量时，一个办法是用大写变量通过整数来定义，好处是简单，缺点是类型是int，并且仍然是变量。

更好的方法是为这样的枚举类型定义一个class类型，然后，每个常量都是class的一个唯一实例。Python提供了Enum类来实现这个功能：

from enum import Enum

Month = Enum('Month', ('Jan', 'Feb', 'Mar', 'Apr', 'May', 'Jun', 'Jul', 'Aug', 'Sep', 'Oct', 'Nov', 'Dec'))

这样我们就获得了Month类型的枚举类，可以直接使用Month.Jan来引用一个常量。

for name, member in Month.__members__.items():
    print(name, '=>', member, ',', member.value)

value属性则是自动赋给成员的int常量，默认从1开始计数。

如果需要更精确地控制枚举类型，可以从Enum派生出自定义类：

from enum import Enum, unique

@unique
class Weekday(Enum):
    Sun = 0 # Sun的value被设定为0
    Mon = 1
    Tue = 2
    Wed = 3
    Thu = 4
    Fri = 5
    Sat = 6