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Python进阶-面向对象编程

2016-04-26
Dex

面向对象编程

什么是面向对象编程?

面向对象编程是一种程序设计范式

把程序看做不同对象的相互调用

对现实世界建立对象模型

面向对象编程的基本思想

类和实例

类用于定义抽象类型

class Person:
	pass

实例根据类的定义被创建出来

xiaoming = Person()
xiaojun = Person()
xiaohong = Person()

数据封装:

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

p1 = Person('xiaoming')
p2 = Person('xiaojun')
p3 = Person('xiaohong')

print p1.name
print p2.name
print p3.name

输出:

xiaoming
xiaojun
xiaohong

定义类并创建实例

在Python中,类通过 class 关键字定义。以 Person 为例,定义一个Person类如下:

class Person(object):
    pass

按照 Python 的编程习惯,类名以大写字母开头,紧接着是(object),表示该类是从哪个类继承下来的。

有了Person类的定义,就可以创建出具体的xiaoming、xiaohong等实例。创建实例使用 类名+(),类似函数调用的形式创建:

xiaoming = Person()
xiaohong = Person()

代码:

class Person(object):
    pass

xiaoming = Person()
xiaohong = Person()

print xiaoming
print xiaohong
print xiaoming == xiaohong

输出:

<__main__.Person object at 0x7fd94b15a4d0>
<__main__.Person object at 0x7fd94b16f850>
False

创建实例属性

虽然可以通过Person类创建出xiaoming、xiaohong等实例,但是这些实例看上除了地址不同外,没有什么其他不同。在现实世界中,区分xiaoming、xiaohong要依靠他们各自的名字、性别、生日等属性。

如何让每个实例拥有各自不同的属性?由于Python是动态语言,对每一个实例,都可以直接给他们的属性赋值,例如,给xiaoming这个实例加上name、gender和birth属性:

xiaoming = Person()
xiaoming.name = 'Xiao Ming'
xiaoming.gender = 'Male'
xiaoming.birth = '1990-1-1'

给xiaohong加上的属性不一定要和xiaoming相同:

xiaohong = Person()
xiaohong.name = 'Xiao Hong'
xiaohong.school = 'No. 1 High School'
xiaohong.grade = 2

实例的属性可以像普通变量一样进行操作:

xiaohong.grade = xiaohong.grade + 1

代码:

class Person(object):
    pass

p1 = Person()
p1.name = 'Bart'

p2 = Person()
p2.name = 'Adam'

p3 = Person()
p3.name = 'Lisa'

L1 = [p1, p2, p3]
L2 = sorted(L1, lambda p1, p2: cmp(p1.name, p2.name))

print L2[0].name
print L2[1].name
print L2[2].name

输出:

Adam
Bart
Lisa

初始化实例属性

虽然我们可以自由地给一个实例绑定各种属性,但是,现实世界中,一种类型的实例应该拥有相同名字的属性。例如,Person类应该在创建的时候就拥有 name、gender 和 birth 属性,怎么办?

在定义 Person 类时,可以为Person类添加一个特殊的__init__()方法,当创建实例时,init()方法被自动调用,我们就能在此为每个实例都统一加上以下属性:

class Person(object):
    def __init__(self, name, gender, birth):
        self.name = name
        self.gender = gender
        self.birth = birth

init() 方法的第一个参数必须是 self(也可以用别的名字,但建议使用习惯用法),后续参数则可以自由指定,和定义函数没有任何区别。

相应地,创建实例时,就必须要提供除 self 以外的参数:

xiaoming = Person('Xiao Ming', 'Male', '1991-1-1')
xiaohong = Person('Xiao Hong', 'Female', '1992-2-2')

有了__init__()方法,每个Person实例在创建时,都会有 name、gender 和 birth 这3个属性,并且,被赋予不同的属性值,访问属性使用.操作符:

print xiaoming.name
# 输出 'Xiao Ming'
print xiaohong.birth
# 输出 '1992-2-2'

要特别注意的是,初学者定义__init__()方法常常忘记了 self 参数:

>>> class Person(object):
...     def __init__(name, gender, birth):
...         pass
... 
>>> xiaoming = Person('Xiao Ming', 'Male', '1990-1-1')
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
TypeError: __init__() takes exactly 3 arguments (4 given)

这会导致创建失败或运行不正常,因为第一个参数name被Python解释器传入了实例的引用,从而导致整个方法的调用参数位置全部没有对上。

任务:

请定义Person类的__init__方法,除了接受 name、gender 和 birth 外,还可接受任意关键字参数,并把他们都作为属性赋值给实例。

代码:

class Person(object):
    def __init__(self, name, gender, birth, **kw):
        self.name = name
        self.gender = gender
        self.birth = birth
        for k, v in kw.iteritems():
            setattr(self, k, v)

xiaoming = Person('Xiao Ming', 'Male', '1990-1-1', job='Student')

print xiaoming.name
print xiaoming.job

输出:

Xiao Ming
Student

访问限制

我们可以给一个实例绑定很多属性,如果有些属性不希望被外部访问到怎么办?

Python对属性权限的控制是通过属性名来实现的,如果一个属性由双下划线开头(__),该属性就无法被外部访问。看例子:

class Person(object):
    def __init__(self, name):
        self.name = name
        self._title = 'Mr'
        self.__job = 'Student'
p = Person('Bob')
print p.name
# => Bob
print p._title
# => Mr
print p.__job
# => Error
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
AttributeError: 'Person' object has no attribute '__job'

可见,只有以双下划线开头的”__job”不能直接被外部访问。

但是,如果一个属性以”xxx“的形式定义,那它又可以被外部访问了,以”xxx“定义的属性在Python的类中被称为特殊属性,有很多预定义的特殊属性可以使用,通常我们不要把普通属性用”xxx“定义。

以单下划线开头的属性”_xxx”虽然也可以被外部访问,但是,按照习惯,他们不应该被外部访问。

任务:

请给Person类的__init__方法中添加name和score参数,并把score绑定到__score属性上,看看外部是否能访问到。

代码:

class Person(object):
    def __init__(self, name, score):
        self.name = name
        self.__score = score

p = Person('Bob', 59)

print p.name
try:
    print p.__score
except AttributeError:
    print 'AttributeError'

输出:

Bob
AttributeError

创建类属性

类是模板,而实例则是根据类创建的对象。

绑定在一个实例上的属性不会影响其他实例,但是,类本身也是一个对象,如果在类上绑定一个属性,则所有实例都可以访问类的属性,并且,所有实例访问的类属性都是同一个!也就是说,实例属性每个实例各自拥有,互相独立,而类属性有且只有一份。

定义类属性可以直接在 class 中定义:

class Person(object):
    address = 'Earth'
    def __init__(self, name):
        self.name = name

因为类属性是直接绑定在类上的,所以,访问类属性不需要创建实例,就可以直接访问:

print Person.address
# => Earth

对一个实例调用类的属性也是可以访问的,所有实例都可以访问到它所属的类的属性:

p1 = Person('Bob')
p2 = Person('Alice')
print p1.address
# => Earth
print p2.address
# => Earth

由于Python是动态语言,类属性也是可以动态添加和修改的:

Person.address = 'China'
print p1.address
# => 'China'
print p2.address
# => 'China'

因为类属性只有一份,所以,当Person类的address改变时,所有实例访问到的类属性都改变了。

任务:

请给 Person 类添加一个类属性 count,每创建一个实例,count 属性就加 1,这样就可以统计出一共创建了多少个 Person 的实例。

代码:

class Person(object):
    count = 0
    def __init__(self, name):
        Person.count = Person.count + 1
        self.name = name

p1 = Person('Bob')
print Person.count

p2 = Person('Alice')
print Person.count

p3 = Person('Tim')
print Person.count

输出:

1
2
3

类属性和实例属性名字冲突怎么办

修改类属性会导致所有实例访问到的类属性全部都受影响,但是,如果在实例变量上修改类属性会发生什么问题呢?

class Person(object):
    address = 'Earth'
    def __init__(self, name):
        self.name = name

p1 = Person('Bob')
p2 = Person('Alice')

print 'Person.address = ' + Person.address

p1.address = 'China'
print 'p1.address = ' + p1.address

print 'Person.address = ' + Person.address
print 'p2.address = ' + p2.address

结果如下:

Person.address = Earth
p1.address = China
Person.address = Earth
p2.address = Earth

我们发现,在设置了 p1.address = ‘China’ 后,p1访问 address 确实变成了 ‘China’,但是,Person.address和p2.address仍然是’Earch’,怎么回事?

原因是 p1.address = ‘China’并没有改变 Person 的 address,而是给 p1这个实例绑定了实例属性address ,对p1来说,它有一个实例属性address(值是’China’),而它所属的类Person也有一个类属性address,所以:

访问 p1.address 时,优先查找实例属性,返回’China’。

访问 p2.address 时,p2没有实例属性address,但是有类属性address,因此返回’Earth’。

可见,当实例属性和类属性重名时,实例属性优先级高,它将屏蔽掉对类属性的访问。

当我们把 p1 的 address 实例属性删除后,访问 p1.address 就又返回类属性的值 ‘Earth’了:

del p1.address
print p1.address
# => Earth

可见,千万不要在实例上修改类属性,它实际上并没有修改类属性,而是给实例绑定了一个实例属性。

任务:

请把上节的 Person 类属性 count 改为 __count,再试试能否从实例和类访问该属性。

代码:

class Person(object):
    __count = 0
    def __init__(self, name):
        Person.__count = Person.__count + 1
        self.name = name
        print Person.__count

p1 = Person('Bob')
p2 = Person('Alice')

try:
    print Person.__count
except :
    print 'AttributeError'

输出:

1
2
AttributeError

定义实例方法

一个实例的私有属性就是以__开头的属性,无法被外部访问,那这些属性定义有什么用?

虽然私有属性无法从外部访问,但是,从类的内部是可以访问的。除了可以定义实例的属性外,还可以定义实例的方法。

实例的方法就是在类中定义的函数,它的第一个参数永远是 self,指向调用该方法的实例本身,其他参数和一个普通函数是完全一样的:

class Person(object):

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

    def get_name(self):
        return self.__name

get_name(self) 就是一个实例方法,它的第一个参数是self。init(self, name)其实也可看做是一个特殊的实例方法。

调用实例方法必须在实例上调用:

p1 = Person('Bob')
print p1.get_name()  # self不需要显式传入
# => Bob

在实例方法内部,可以访问所有实例属性,这样,如果外部需要访问私有属性,可以通过方法调用获得,这种数据封装的形式除了能保护内部数据一致性外,还可以简化外部调用的难度。

任务:

请给 Person 类增加一个私有属性 __score,表示分数,再增加一个实例方法 get_grade(),能根据 __score 的值分别返回 A-优秀, B-及格, C-不及格三档。

代码:

class Person(object):

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

    def get_grade(self):
        if self.__score >= 80:
            return 'A'
        if self.__score >= 60:
            return 'B'
        return 'C'

p1 = Person('Bob', 90)
p2 = Person('Alice', 65)
p3 = Person('Tim', 48)

print p1.get_grade()
print p2.get_grade()
print p3.get_grade()

输出:

A
B
C

方法也是属性

我们在 class 中定义的实例方法其实也是属性,它实际上是一个函数对象:

class Person(object):
    def __init__(self, name, score):
        self.name = name
        self.score = score
    def get_grade(self):
        return 'A'

p1 = Person('Bob', 90)
print p1.get_grade
# => <bound method Person.get_grade of <__main__.Person object at 0x109e58510>>
print p1.get_grade()
# => A

也就是说, p1.get_grade 返回的是一个函数对象,但这个函数是一个绑定到实例的函数,p1.get_grade() 才是方法调用。

因为方法也是一个属性,所以,它也可以动态地添加到实例上,只是需要用 types.MethodType() 把一个函数变为一个方法:

import types
def fn_get_grade(self):
    if self.score >= 80:
        return 'A'
    if self.score >= 60:
        return 'B'
    return 'C'

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

p1 = Person('Bob', 90)
p1.get_grade = types.MethodType(fn_get_grade, p1, Person)
print p1.get_grade()
# => A
p2 = Person('Alice', 65)
print p2.get_grade()
# ERROR: AttributeError: 'Person' object has no attribute 'get_grade'
# 因为p2实例并没有绑定get_grade

给一个实例动态添加方法并不常见,直接在class中定义要更直观。

定义类方法

和属性类似,方法也分实例方法和类方法。

在class中定义的全部是实例方法,实例方法第一个参数 self 是实例本身。

要在class中定义类方法,需要这么写:

class Person(object):
    count = 0
    @classmethod
    def how_many(cls):
        return cls.count
    def __init__(self, name):
        self.name = name
        Person.count = Person.count + 1

print Person.how_many()
p1 = Person('Bob')
print Person.how_many()

通过标记一个 @classmethod,该方法将绑定到 Person 类上,而非类的实例。类方法的第一个参数将传入类本身,通常将参数名命名为 cls,上面的 cls.count 实际上相当于 Person.count。

因为是在类上调用,而非实例上调用,因此类方法无法获得任何实例变量,只能获得类的引用。

任务:

如果将类属性 count 改为私有属性__count,则外部无法读取 __score,但可以通过一个类方法获取,请编写类方法获得 __count值。

代码:

class Person(object):
    __count = 0
    @classmethod
    def how_many(cls):
        return cls.__count
    def __init__(self, name):
        self.name = name
        Person.__count = Person.__count + 1

print Person.how_many()
p1 = Person('Bob')
print Person.how_many()

输出:

0
1

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