Python之面向对象编程三大特性（封装、继承、多态）

一、基本概念

• 面向对象编程是按人们认识客观世界的系统思维方式，把构成问题事务分解成各个对象，建立对象的目的不是为了完成一个步骤，而是为了描叙某个事物在整个解决问题的步骤中的行为。

• 特性： 抽象 封装 继承 多态。

• 优点： 易维护、易复用、易扩展，由于面向对象有封装、继承、多态性的特性，可以设计出低耦合 的系统，使系统更加灵活、更加易于维护。

• 缺点： 性能比面向过程低。

二、对象和类

- 类（Class）是现实或思维世界中的实体在计算机中的反映，它将数据以及这些数据上的操作封装在一起。
- 对象(Object)是具有类类型的变量。类和对象是面向对象编程技术中的最基本的概念。
- 类和对象 的区别就是 鱼和三文鱼 的区别; 就是 猫和蓝猫 的区别。

- 实例化是指在面向对象的编程中，把用类创建对象的过程称为实例化。是将一个抽象的概念类，具体到该类实物的过程。实例化过程中一般由类名 对象名 = 类名（参数1，参数2…参数n）构成。
- 类（Class）是创建实例的模板
- 对象(Object)是一个一个具体的实例。

# 类(Class)
class Cat:
    # 属性：一般是名词，eg: name, age, gender.....
    name = 'name'
    kind = 'kind'
    # 方法: 一般情况是动词, eg: create, delete, eating, run......
    def eat(self):
        print('cat like eating fish.....')

# 对象(Object):对类的实例化(具体化)
fentiao = Cat()

print(Cat)  # <class '__main__.Cat'>  cat是当前python文件中定义的一个类
print(fentiao) # <__main__.Cat object at 0x00E9FD70>  feintiao是当前python文件中定义的类所实例化的一个对象，它的内存空间为0x00E9FD70

执行结果如下：

三、面向对象的三大特性

1. 封装特性

1.1 介绍

封装，顾名思义就是将内容封装到某个地方，以后再去调用被封装在某处的内容。所以，在使用面向对象的封装特性时，需要：
1). 将内容封装到某处
2). 从某处调用被封装的内容
	1). 通过对象直接调用被封装的内容： 对象.属性名
	2). 通过self间接调用被封装的内容：  self.属性名
	3). 通过self间接调用被封装的内容:    self.方法名()
	
- 构造方法__init__与其他普通方法不同的地方在于，当一个对象被创建后，会立即调用构造方法。自动执行构造方法里面的内容。 
- 对于面向对象的封装来说，其实就是使用构造方法将内容封装到 对象 中，然后通过对象直接或者self间接获取被封装的内容。

# 类(Class)
class Cat:
    def __init__(self, name, kind):  # 形参
        """
        1. 构造方法，实例化对象时自动执行的方法
        2. self是什么? self实质上是实例化的对象
        3. 类方法中, python解释器会自动把对象作为参数传给self
        """
        print('正在执行__init__构造方法')
        print('self:', self)
        # 属性：一般是名词，eg: name, age, gender.....
        # 封装: self.name将对象和name属性封装/绑定
        self.name = name
        self.kind = kind
    # 方法: 一般情况是动词, eg: create, delete, eating, run......
    def eat(self):
        print('cat %s like eating fish.....' %(self.name))

# 对象(Object):对类的实例化(具体化)
fentiao = Cat("粉条", "美短虎斑")
print(fentiao.name)
print(fentiao.kind)
fentiao.eat()

执行结果如下：

1.2 封装示例

"""
创建一个类People,
拥有的属性为姓名， 性别和年龄，
拥有的方法为购物,玩游戏,学习;

实例化 对象,执行相应的方法。

显示如下:
小明,18岁,男,去西安赛格购物广场购物
小王,22岁,男,去西安赛格购物广场购物
小红,10岁,女,在西部开源学习

提示:
属性:name,age,gender
方法:shopping(), playGame(), learning()

"""

class People:
    def __init__(self, name, age, gender):
        self.name = name
        self.age = age
        self.gender = gender

    def shopping(self):
        print(f'{self.name},{self.age}岁,{self.gender},去西安赛格购物广场购物 ')

    def learning(self):
        print(f'{self.name},{self.age}岁,{self.gender},在西部开源学习')

p1 = People('小明', 18, '男')
p2 = People('小王', 22, '男')
p3 = People('小红', 10, '女')

p1.shopping()
p2.shopping()
p3.learning()

执行结果如下：

2. 继承特性

2.1 介绍

- 面向对象的三大特性是指：封装、继承和多态
	1. 继承
	2. 多继承
	3. 私有属性与私有方法
继承描述的是事物之间的所属关系,当我们定义一个class的时候,可以从某个现有的class继承,新的class称为子类、扩展类(Subclass),而被继承的class称为基类、父类或超类(Baseclass、Superclass)。

如何让实现继承?  
	子类在继承的时候,在定义类时,小括号()中为父类的名字
继承的工作机制是什么?  
	父类的属性、方法,会被继承给子类。 举例如下: 如果子类没有定义__init__方法,父类有,那么在子类继承父类的时候这个方法就被继承了,所以只要创建对象,就默认执行了那个继承过来的__init__方法

2.2 继承示例

class Student:
    """父类Student"""
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age
    def learning(self):
        print(f'{self.name}正在学习')

class MathStudent(Student):
    """MathStudent的父类是Student"""
    pass

# 实例化
m1 = MathStudent("粉条博士", 8)
print(m1.name)
print(m1.age)
m1.learning()           # 不报错，子类里没有，但父类有该方法
# m1.choice_course()   # 报错, 子类里没有，父类也没有的方法

2.2 重写父类方法

重写父类方法: 就是子类中,有一个和父类相同名字的方法,在子类中的方法会覆盖掉父类中同名的方法。

class Student:
    """父类Student"""
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age
    def learning(self):
        print(f'{self.name}正在学习')

    def choice_course(self):
        print('正在选课中'.center(50, '*'))

class MathStudent(Student):
    """MathStudent的父类是Student"""
    def choice_course(self):
        # 需求: 先执行父类的choice_course方法， 在个性化执行自己的方法。
        # Student.choice_course(self)  # 解决方法1: 直接执行父类的方法，但不建议
        # 解决方法2： 通过super找到父类，再执行方法(建议且生产环境代码常用的方式)
        super(MathStudent, self).choice_course()
        info = """
                    课程表
            1. 高等数学
            2. 线性代数
            3. 概率论
        """
        print(info)

# 实例化
m1 = MathStudent("粉条博士", 8)
m1.choice_course()

s1 = Student("粉条博士", 8)
s1.choice_course()

2.3 多继承

• 多继承,即子类有多个父类,并且具有它们的特征.
• 新式类与经典类
  经典类多继承搜索顺序(深度优先算法):先深入继承树左侧查找，然后再返回，开始查找右侧。
  新式类多继承搜索顺序(广度优先算法):先在水平方向查找，然后再向上查找，
  

"""
新式类: 广度优先算法
经典类： 深度优先算法(py2中的部分类属于经典类)

python3所有的类都属于新式类。新式类的继承算法是广度优先。

# 分析多继承的相关代码
>pip install djangorestframework
from rest_framework import viewsets
viewsets.ModelViewSet
"""

class D(object):
    def hello(self):
        print('D')
class C(D):
    # def hello(self):
    #     print('C')
    pass
class B(D):
    pass
    # def hello(self):
    #     print('B')
class A(B, C):
    pass
    # def hello(self):
    #     print('A')
a = A()
a.hello()

2.4 私有属性与私有方法

在 Python 中,实例的变量名如果以 __ 开头,就变成了一个私有变量/属性(private),实例的函数名如果以 __ 开头,就变成了一个私有函数/方法(private)只有内部可以访问,外部不能访问。

class Student:
    """父类Student"""
    def __init__(self, name, age, score):
        self.name = name
        self.age = age
        # 私有属性，以双下划线开头。
        # 工作机制: 类的外部(包括子类)不能访问和操作，类的内部可以访问和操作。
        self.__score = score

    def learning(self):
        print(f'{self.name}正在学习')

    def get_score(self):
        self.__modify_score()
        return  self.__score

    # 私有方法是以双下划线开头的方法,
    #工作机制: 类的外部(包括子类)不能访问和操作，类的内部可以访问和操作。
    def __modify_score(self):
        self.__score += 20

class MathStudent(Student):
    """MathStudent的父类是Student"""
    def get_score(self):
        self.__modify_score()
        return  self.__score

# 报错原因: 子类无法继承父类的私有属性和私有方法。
s1 = MathStudent('张三', 18, 100)
score = s1.get_score()
print(score)

3. 多态特性

• 多态（Polymorphism）按字面的意思就是“多种状态”。在面向对象语言中，接口的多种不同的实现方式即为多态。通俗来说： 同一操作作用于不同的对象，可以有不同的解释，产生不同的执行结果。

• 多态的好处就是，当我们需要传入更多的子类，只需要继承父类就可以了，而方法既可以直接不重写（即使用父类的），也可以重写一个特有的。这就是多态的意思。调用方只管调用，不管细节，而当我们新增一种的子类时，只要确保新方法编写正确，而不用管原来的代码。

四、项目案例

1. 链表的封装（两数相加）

"""
参考链接 https://www.cnblogs.com/klyjb/p/11237361.html
数组: 需要连续的内存空间
链表: 不需要连续的内存空间
                数组              链表
增加元素        O(n)                O(1)
删除元素        O(n)                O(1)
修改元素        O(1)                O(n)
查看元素        O(1)                O(n)
"""

# 封装节点类
class ListNode:
    def __init__(self, val=0, next=None):
        self.val = val
        self.next = next

    def travel(self, head):
        """遍历链表里面的每一个元素"""
        while head:
            print(head.val, end=',')
            head = head.next

def create_l1():
    # l1 = 2,4,3
    # l2 = 5, 6, 4
    l1 = ListNode()
    node1 = ListNode(val=2)
    node2 = ListNode(val=4)
    node3 = ListNode(val=3)
    l1.next = node1
    node1.next = node2
    node2.next = node3
    return  l1.next

def create_l2():
    # l1 = 2,4,3
    # l2 = 5, 6, 4
    l2 = ListNode()
    node1 = ListNode(val=5)
    node2 = ListNode(val=6)
    node3 = ListNode(val=4)
    l2.next = node1
    node1.next = node2
    node2.next = node3
    return  l2.next

def addTwoNumbers(l1: ListNode, l2: ListNode) -> ListNode:
    res = 0
    l3 = ListNode()
    cur = l3
    while(l1 or l2):
        if(l1):
            res += l1.val  # res=2
            l1 = l1.next
        if(l2):
            res += l2.val # res=2+5=7
            l2 = l2.next
        # res=10, val=0, res=>val val=res%10
        # res=14, val=4, 14%10=4
        l3.next = ListNode(res%10)
        l3 = l3.next
        # res=10, 进位为1， 10//10=1
        # res=14, 进位为1， 14//10=1
        res  //= 10
    if res == 1:
        l3.next = ListNode(1)
    return cur.next

执行结果如下：

2. 栈的封装

class Stack(object):
    """栈的封装[1, 2, 3, 4]"""

    def __init__(self):
        self.stack = []

    def push(self, value):
        """入栈"""
        self.stack.append(value)
        print(f"入栈元素为{value}")

    def pop(self):
        """出栈"""
        if self.is_empty():
            raise  Exception("栈为空")
        item = self.stack.pop()
        print(f"出栈元素为{item}")
        return  item

    def is_empty(self):
        """判断栈是否为空"""
        return  len(self.stack) == 0

    def top(self):
        """返回栈顶元素"""
        if self.is_empty():
            raise  Exception("栈为空")
        return  self.stack[-1]

    def __len__(self):
        """魔术方法, len(object)自动执行的方法"""
        return  len(self.stack)

if __name__ == '__main__':
    stack = Stack()
    stack.push(1)
    stack.push(2)
    stack.push(3)
    print(len(stack))  # 3
    stack.pop()
    print(stack.is_empty()) # False
    print(stack.top())  # 2

执行结果如下：

3. 队列的封装

class Queue(object):
    """
    队列的封装
    1. 列表的左侧队尾
    2. 列表的右侧队头
    """
    def __init__(self):
        self.queue = []

    def enqueue(self, value):
        """入队"""
        self.queue.insert(0, value)
        print("入队元素为:", value)

    def dequeue(self):
        """出队"""
        if self.is_empty():
            raise  Exception("队列为空")
        item = self.queue.pop()
        print("出队元素:", item)
        return  item

    def __len__(self):
        """获取队列的长度"""
        return  len(self.queue)

    def first(self):
        """获取队头元素"""
        if self.is_empty():
            raise Exception("队列为空")
        return  self.queue[-1]

    def last(self):
        """获取队尾元素"""
        if self.is_empty():
            raise Exception("队列为空")
        return  self.queue[0]

    def is_empty(self):
        """判断队列是否为空"""
        return  len(self.queue) == 0

if __name__ == '__main__':
    queue = Queue()
    queue.enqueue(1)
    queue.enqueue(2)
    queue.enqueue(3)
    print(queue.is_empty()) # False
    queue.dequeue()  # 1出队， 队列只剩32
    print(queue.first())  # 2
    print(queue.last())  # 3

4. 二叉树的封装

"""
二叉树:
    https://www.cnblogs.com/polly333/p/4740355.html
"""

class Node(object):
    """节点类"""
    def __init__(self, val=None, left=None, right=None):
        self.val = val
        self.left = left
        self.right = right

class BinaryTree(object):
    """封装二叉树"""
    def __init__(self, root):
        self.root = root

    def pre_travel(self, root):
        """先序遍历: 根左右"""
        if (root != None):
            print(root.val)
            self.pre_travel(root.left)
            self.pre_travel(root.right)

    def in_travel(self, root):
        """中序遍历: 左根右"""
        if (root != None):
            self.in_travel(root.left)
            print(root.val)
            self.in_travel(root.right)

    def last_travel(self, root):
        """后序遍历: 左右根"""
        if (root != None):
            self.last_travel(root.left)
            self.last_travel(root.right)
            print(root.val)

if __name__ == '__main__':
    node1 = Node(1)
    node2 = Node(2)
    node3 = Node(3)
    node4 = Node(4)
    node5 = Node(5)
    node6 = Node(6)
    node7 = Node(7)
    node8 = Node(8)
    node9 = Node(9)
    node10 = Node(10)

    bt = BinaryTree(root=node1)
    node1.left = node2
    node1.right = node3
    node2.left = node4
    node2.right= node5
    node3.left = node6
    node3.right = node7
    node4.left = node8
    node4.right = node9
    node5.left = node10

    # 先序遍历
    bt.pre_travel(node1)

执行结果如下：