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5 Python的面向对象编程

概述

        在上一节,我们介绍了Python的函数,包括:函数的定义、函数的调用、参数的传递、lambda函数等内容。在本节中,我们将介绍Python的面向对象编程。面向对象编程(Object-Oriented Programming, 即OOP)是一种编程范型,它以对象为基础,将数据和操作封装在一个类(Class)中。在Python中,类是一种定义对象结构和行为的模板,而对象则是类的实例。类定义了一个新的类型,用于创建具有特定属性和方法的对象。类是面向对象编程的核心,它允许程序员使用对象来组织代码和复用代码。

类的定义

在Python中,类的基本语法如下:

class ClassName:# class attributeclass_variable = "class variable"def __init__(self, arg1, arg2):# instance variableself.instance_variable = arg1 + arg2# instance methoddef instance_method(self):print("I am an instance method")# class method@classmethoddef class_method(cls):print("I am a class method")# static method@staticmethoddef static_method():print("I am a static method")

        下面逐一介绍上面示例代码中的各个元素。

        class ClassName:这是类定义的开始,以class关键字作为开头,ClassName是要定义的类的名称;最后面是冒号,冒号后面的内容需要缩进。

        class_variable = "class variable":这是类变量,它是一个在类中定义的全局变量,所有实例共享同一个变量。

        def __init__(self, arg1, arg2):这是类的构造函数,当一个类实例被创建时会自动调用。在这个例子中,构造函数接受两个参数:arg1和arg2。self是对当前实例的引用,调用时不需要写,由系统自动填入。构造函数可以不带参数,也可以带一个或多个参数。

        self.instance_variable = arg1 + arg2:这是一个实例变量,每个实例都有自己独立的实例变量。在这个例子中,实例变量是arg1和arg2的和。

        def instance_method(self):这是一个实例方法,它需要一个实例作为其第一个参数(通常命名为self,也可以使用其他名称)。self是对当前实例的引用,调用时不需要写,由系统自动填入。

        @classmethod:这是一个类方法装饰器,标识后面是一个类方法。它不需要实例作为其第一个参数,而是使用类名本身作为第一个参数(通常命名为cls,也可以使用其他名称)。cls是对当前类的引用,调用时不需要写,由系统自动填入。

        @staticmethod:这是一个静态方法装饰器,标识后面是一个静态方法。它不需要实例或类作为其参数。

类的使用

        定义好类之后,我们就可以实例化该类的对象,并调用其属性和方法了。

class Person:def __init__(self, name, age):self.name = nameself.age = agedef show_info(self):print(f'name is {self.name}, {self.age} years old')@staticmethoddef show_skill():print('walk, run, swim')# 创建一个Person类的实例
person1 = Person('xiaoxiao', 20)
# 访问实例变量,输出:xiaoxiao 20
print(person1.name, person1.age)
# 访问实例方法,输出:name is xiaoxiao, 20 years old
person1.show_info()
# 访问静态方法,输出:walk, run, swim
person1.show_skill()
Person.show_skill()

        可以看到,访问实例变量和实例方法时,必须使用实例对象。访问静态方法时,既可以使用实例对象,也可以使用类名。

        类的__init__方法是类的构造函数,当一个类实例被创建时会自动调用。同样的,类的__del__方法是类的析构函数,在释放实例对象时,也会被自动调用。

class Animal:def __init__(self, name):self.name = nameprint(f'animal {name} constructed')def __del__(self):print(f'animal {self.name} destructed')def show(self):print(f'{self.name} is preset')def test():animal = Animal('seagull')animal.show()''' test作用域结束时,animal会销毁,故依次输出:
animal seagull constructed
seagull is preset
animal seagull destructed
'''
test()

类变量和实例变量

        类变量是在类的所有实例中共享的变量,这就意味着,如果你改变了一个类变量的值,那么这个改变将影响到类的所有实例。类变量在类定义时声明,通常在类的方法中使用。

class MyClass:  # 类变量  class_variable = 0  def __init__(self, instance_variable):  self.instance_variable = instance_variable  MyClass.class_variable = self.instance_variable + 100  instance1 = MyClass(66)
# 输出:166
print(MyClass.class_variable)instance2 = MyClass(88)
# 均输出:188
print(MyClass.class_variable)
print(instance1.class_variable)
print(instance2.class_variable)

        在上面的示例代码中,class_variable是一个类变量,它被所有实例共享。每次创建一个新的实例时,都会改变class_variable的值。因此,当创建了instance2并给它一个值为88的参数时,class_variable的值就从166变成了188。

        实例变量是在类的每个实例中单独存储的变量,这就意味着,如果你改变了一个实例的状态,那么这个改变只影响那个特定的实例。实例变量在类的__init__方法中声明,通常在实例的方法中使用。

class MyClass:def __init__(self, instance_variable):# 实例变量self.instance_variable = instance_variable  instance1 = MyClass(66)
# 输出:66
print(instance1.instance_variable)# 创建实例2
instance2 = MyClass(88)
# 输出:88
print(instance2.instance_variable)
# 输出:66
print(instance1.instance_variable)# 改变实例1的实例变量值
instance1.instance_variable = 100
# 输出:100
print(instance1.instance_variable)
# 输出:88
print(instance2.instance_variable)

        在上面的示例代码中,instance_variable是一个实例变量,每个实例都有它自己的副本。当你改变instance1的 instance_variable值时,instance2的值不会受到影响。

        在Python中,两个下划线开头的属性被声明为私有属性,不能在类的外部被使用或直接访问。否则,运行时会报AttributeError的错误信息。

class MyNumber:def __init__(self, value):self.__value = valuenum = MyNumber(66)
# 访问私有属性,运行时报错:'MyNumber' object has no attribute '__value'
print(num.__value)

实例方法、类方法和静态方法

        实例方法是定义在类中的普通函数,它需要一个实例作为第一个参数(通常命名为self)。实例方法只能通过类的实例来调用,可以访问类变量和实例变量。

        类方法是定义在类中的普通函数,它需要一个类作为第一个参数(通常命名为cls)。类方法可以通过类和类的实例来调用,只能访问类变量,不能访问实例变量。在定义类方法时,可以使用@classmethod装饰器进行声明。

        静态方法是定义在类中的普通函数,它不需要任何参数(包括 self)。静态方法可以通过类和类的实例来调用,不可以访问类变量和实例变量。在定义静态方法时,可以使用@staticmethod装饰器进行声明。

class Person:# 类变量skills: ['walk', 'run', 'swim']def __init__(self, name, age):# 示例变量self.name = nameself.age = age# 实例方法,可以访问类变量和实例变量def show_info(self):print(f'name is {self.name}, {self.age} years old')print(self.skills)# 类方法,可以访问类变量@classmethoddef show_skill(cls):print(cls.skills)# 静态方法,不可以访问类变量和实例变量@staticmethoddef show_basic():print('a person here')

        在Python中,两个下划线开头的方法被声明为私有方法,不能在类的外部被使用或直接访问。否则,运行时会报AttributeError的错误信息。

class MyNumber:def __init__(self, value):self.__value = valuedef __show(self):print(self.__value)num = MyNumber(66)
# 访问私有属性,运行时报错:'MyNumber' object has no attribute '__show'
num.__show()

        与C++、Java等语言不同,Python不支持函数重载。当类的定义中有多个同名的函数时,将以最后一个声明的函数为准。

class MyNumber:def __init__(self, value):self.__value = valuedef show(self):print(self.__value)def show(self, a):print(self.__value, a)num = MyNumber(100)
num.show(66)
# 运行时报错:MyNumber.show() missing 1 required positional argument: 'a'
num.show()

类的运算符重载

        可以通过定义特定方法来重载类对象的运算符,以下是一些常见的运算符重载方法。

        __add__(self, other):重载加法运算符 +,用于实现两个对象的相加。

        __sub__(self, other):重载减法运算符 -,用于实现两个对象的相减。

        __mul__(self, other):重载乘法运算符 *,用于实现两个对象的相乘。

        __truediv__(self, other):重载除法运算符 /,用于实现两个对象的相除。

        __floordiv__(self, other):重载整数除法运算符 //,用于实现两个对象的整数相除。

        __mod__(self, other):重载取模运算符 %,用于实现两个对象的取模运算。

        __pow__(self, other):重载幂运算运算符 **,用于实现两个对象的幂运算。

        __eq__(self, other):重载相等运算符 ==,用于判断两个对象是否相等。

        __ne__(self, other):重载不等运算符 !=,用于判断两个对象是否不相等。

        __lt__(self, other):重载小于运算符 <,用于判断两个对象是否小于。

        __le__(self, other):重载小于等于运算符 <=,用于判断两个对象是否小于等于。

        __gt__(self, other):重载大于运算符 >,用于判断两个对象是否大于。

        __ge__(self, other):重载大于等于运算符 >=,用于判断两个对象是否大于等于。

        假如我们定义了一个名为MyNumber的类,可以按照以下方式重载加法运算符。

class MyNumber:def __init__(self, value):self.value = valuedef __add__(self, other):if isinstance(other, MyNumber):return MyNumber(self.value + other.value)return MyNumber(self.value + other)num1 = MyNumber(100)
num2 = MyNumber(200)
num = num1 + num2
# 输出:300
print(num.value)

继承

        继承是一种实现面向对象编程的重要机制,它允许我们基于已有的类创建新的类,从而继承已有类的属性和方法。在Python中,使用class语句定义一个类时,可以在类名后面使用(base_classes)的形式指定该类要继承的父类。base_classes可以为一个类,也可以为多个类。多个类时,各个类之间用逗号进行分隔,属于多重继承的内容。

class Animal:def __init__(self, name):self.name = namedef eat(self):print(self.name + " is eating...")class Dog(Animal):def __init__(self, name, breed):super().__init__(name)self.breed = breeddog = Dog('Sky', 'Corgi')
# 输出:Sky is eating...
dog.eat()
# 输出:Corgi
print(dog.breed)

        在上面的示例代码中,Dog类继承了Animal类,因此Dog类具有了Animal类的属性和方法。在Dog类的定义中,我们可以通过调用super().__init__(name)来调用父类的构造函数,从而初始化Dog类实例的name属性。

        除了继承父类的属性和方法,子类还可以重写父类的方法,从而实现对父类行为的修改。

class Animal:def __init__(self, name):self.name = namedef eat(self):print(self.name + " is eating...")class Dog(Animal):def __init__(self, name, breed):super().__init__(name)self.breed = breeddef eat(self):print(self.breed + " eats more")dog = Dog('Sky', 'Corgi')
# 覆盖父类方法,输出:Corgi eats more
dog.eat()
# 强制调用父类方法,输出:Sky is eating...
super(Dog, dog).eat()

        在上面的示例代码中,我们直接在Dog类中定义了一个与父类同名的eat方法,从而完全覆盖了父类的行为。如果想强制调用父类的方法,可以使用类似super(Dog, dog)的方式获得父类的实例,再调用父类的方法。

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