Python升级之路( Lv7 ) 面向对象深入

Python系列文章目录

第一章 Python 入门
第二章 Python基本概念
第三章 序列
第四章 控制语句
第五章 函数
第六章 面向对象基础
第七章 面向对象深入

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前言

在本章我们首先学习了面向对象的三大特征, 继承, 封装和多态. 主要讲述了继承和多态:
继承某个父类, 可以实现并重写父类方法, 并且所有类都继承父类Object, 因此可以使用很多Object提供的特殊方法和特殊属性;
而多态指的的是不同子对象在调用父类方法时会有不同体现, 核心是: 继承和方法重写. 多态的出现也符合面向对象的"开闭原则"
封装之所以没讲是因为我们经常会用到, 因为在我们日常编程中, 将一些具有特定功能的代码块封装成方法/函数这种行为正体现了封装思想
然后学习了深拷贝和浅拷贝: 浅拷贝后对象的地址改变, 但子对象地址不改变. 深拷贝: 拷贝对象的地址改变, 子对象地址也改变
再然后我们了解编程中常用的工厂模式, 单例模式以及他们的组合, 最后通过实操来回顾下本章学习的内容

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一、面向对象三大特征

Python是面向对象的语言
而面向对象编程具有三大特性：继承、封装（隐藏）、多态

具体含义如下

• 继承: 继承可以让子类具有父类的特性，提高了代码的重用性
  从设计上是一种增量进化，原有父类设计不变的情况下，可以增加新的功能，或者改进已有的算法
• 封装（隐藏）: 隐藏对象的属性和实现细节，只对外提供必要的方法
  相当于将“细节封装起来”，只对外暴露“相关调用方法”
  通过前面学习的“私有属性、私有方法”的方式，实现“封装”.
  Python追求简洁的语法，没有严格的语法级别的“访问控制符”，更多的是依靠程序员自觉实现
• 多态是指同一个方法调用由于对象不同会产生不同的行为
  例如: 同样是休息方法，人不同休息方法不同: 张三休息是睡觉，李四休息是玩游戏，程序员休息是“敲几行代码”

继承

继承是面向对象编程的三大特征之一. 继承让我们更加容易实现类的扩展. 实现代码的重用，不用再重新发明轮子

语法格式

class  子类类名(父类1[，父类2，...])：
 类体

注意
如果在类定义中没有指定父类，则默认父类是 object类.
也就是说 object 是所有类的父类，里面定义了一些所有类共有的默认实现，比如： __new__() 等

关于构造函数：

• 子类不重写 __init__ 时，实例化子类，会自动调用父类定义的 __init__ 。
• 子类重写了 __init__ 时，实例化子类，就不会调用父类已经定义的 __init__
• 如果重写了 __init__ 时，要使用父类的构造方法，可以使用 super 关键字，也可以使用如下格式调用： 父类名.__init__(self, 参数列表)

实操代码

import copy

print("======================测试继承===========================")


class Person:
    def __init__(self, name, age):
        print("Person构造方法")
        self.name = name
        self.age = age

    def print_age(self):
        print("姓名是: {0}, 年龄是: {1}".format(self.name, self.age))


# 这种方式相当于继承, 这里指的是Student继承Person
class Student(Person):
    """
    关于构造函数：
    子类不重写 __init__ ，实例化子类时，会自动调用父类定义的 __init__ 。
    子类重写了 __init__ 时，实例化子类，就不会调用父类已经定义的 __init__
    如果重写了 __init__ 时，要使用父类的构造方法，可以使用 super 关键字，也可以使用如下格式调用： 父类名.__init__(self, 参数列表)
    """

    def __init__(self, name, age, score):
        print("Student的构造方法")
        # 方式一: 通过类名.__init__重写父类构造
        Person.__init__(self, name, age)
        # 方式二: 通过super重写父类构造
        # super(Student, self).__init__(name, age)
        # self.name = name
        # self.age = age
        self.score = score


# s1 = Student("TimePause", 18)   # 子类没有重写构造方法可以这样调用
s1 = Student("TimePause", 18, 149)
s1.print_age()
print(dir(s1))

super()获得父类定义

在子类中，如果想要获得父类的方法时，我们可以通过 super() 来做. super() 代表父类的定义，不是父类对象
调用父类的构造方法： super(子类名称,self).__init__(参数列表)

print("=====================super()获得父类定义==============================")


class A:
    def __init__(self):
        print("A的构造方法")

    def say(self):
        print(self)
        print("I said, no one speaks better than me")


class B(A):
    def __init__(self):
        super(B, self).__init__()  # 调用父类的构造方法
        print("B的构造方法")

    def say(self):
        A.say(self)  # 1.调用父类的say方法
        # super().say()  # 2.通过super 调用父类的方法
        print("bb")


b1 = B()
b1.say()

object 父类

object 类是所有类的父类，因此所有的类都有 object 类的属性和方法

dir() 查看对象属性

而内置函数 dir() ： 可以让我们方便的看到指定对象所有的属性

【实操】查看对象所有属性以及和 object 进行比对

print("==========================object根类============================")
print("========================dir() 查看对象属性============================")


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

    def print_age(self):
        print(self.name, "的年龄是:", self.age)


obj = object()
print(dir(obj))
s2 = Person("时间静止", 18)
print(dir(s2))

从上面代码在控制台的输出我们可以发现这样几个要点：

1. Person 对象相较于object, 增加了六个属性： __dict__ , __module__ , __weakref__ , age , name , print_age

2. object 的所有属性， Person 类作为 object 的子类，显然包含了所有的属性

3. 我们打印 age 、 name 、 print_age ，发现 print_age虽然是方法，实际上也是属性。只不过，这个属性的类型是 method 而已

   age <class 'int'>
   name <class 'str'>
   print_age <class 'method'>
   

mro() 获取类的层次结构

Python支持多继承，如果父类中有相同名字的方法，在子类没有指定父类名时，解释器将“从左向右”按顺序搜索
MRO（Method Resolution Order）：方法解析顺序. 我们可以通过 mro() 方法获得“类的层次结构”，方法解析顺序也是按照这个“类的层次结构”寻找的

实操代码

print("============================MRO方法解析顺序=========================")


class A:
    def aa(self):
        print("aa")

    def say(self):
        print("I said, no one speaks better than me")


class B:
    def bb(self):
        print("bb")


class C(A, B):
    def cc(self):
        print("cc")


c1 = C()
"""打印类的层次结构"""
print(C.mro())
""" 解释器寻找方法是“从左到右”的方式寻找，此时会执行B类中的say()"""
c1.say()

运行结果

特殊方法和特殊属性

除了上面方法,Object 父类还定义了一些特殊方法, 用于对方法, 属性等进行相关操作

常用的特殊方法统计如下：

运算符重载

在python中, 每个运算符实际上都有Object相对应的方法

最常用的一些统计如下：

实操代码

print("================特殊方法和运算符重载========================")
"""Python的运算符实际上是通过调用对象的特殊方法实现的"""
a = 20
b = 30
c = a + b
d = a.__add__(b)
print("c=", c)
print("d=", d)
print("================测试运算符的重载========================")


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

    def __add__(self, other):
        if isinstance(other, Person):
            return "{0}--{1}".format(other.name, self.name)
        else:
            return "不是对象不能相加"

    def __mul__(self, other):
        if isinstance(other, int):
            return self.name * other
        else:
            return "不是相同对象不能相乘"


p1 = Person("时间静止")
p2 = Person("TimePause")

print(p1 + p2)
print(p1 * 3)

多重继承

Python支持多重继承，一个子类可以有多个“直接父类”.
这样就具备了“多个父类”的特点. 但是这样会把“类的整体层次”搞的异常复杂，因此尽量避免使用

语法格式

class  子类类名(父类1，父类2[，...])：
 类体

实操代码

print("============================多继承========================================")


class A:
    """
    Python支持多重继承，一个子类可以有多个“直接父类”。
    这样，就具备了“多个父类”的特点。但是由于，这样会被“类的整体层次”搞的异常复杂，尽量避免使用
    """

    def aa(self):
        print("aa")


class B:
    def bb(self):
        print("bb")


class C(A, B):	# 类C同时继承了A,B
    def cc(self):
        print("cc")


c1 = C()
c1.cc()
c1.bb()
c1.aa()

组合

结婚就是组合。两人组合后，可以复用对方的属性和方法

• is-a 关系，我们可以使用“继承”. 从而实现子类拥有的父类的方法和属性.
  is-a 关系指的是类似这样的关系：狗是动物，dog is animal. 狗类就应该继承动物类
• has-a 关系，我们可以使用“组合”，也能实现一个类拥有另一个类的方法和属性
  has-a 关系指的是这样的关系：手机拥有CPU. MobilePhone has a CPU

实操代码

print("===============================组合===============================")


class MobilePhone:
    def __init__(self, cpu, screen):
        self.cpu = cpu
        self.screen = screen


class CPU:
    def calculate(self):
        print("计算，算个12345")


class Screen:
    def show(self):
        print("显示一个好看的画面，亮瞎你的钛合金大眼")


c = CPU()
s = Screen()
m = MobilePhone(c, s) # 在创建对象时进行组合操作
m.cpu.calculate()  # 通过组合，我们也能调用cpu对象的方法。相当于手机对象间接拥有了“cpu的方法”
m.screen.show()  # 通过组合，我们也能调用screen对象的方法。相当于手机对象间接拥有了“screen的方法”

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多态

多态（polymorphism）是指同一个方法调用由于对象不同可能会产生不同的行为
现实生活中，同一个方法具体实现会完全不同. 比如：同样是调用人“吃饭”的方法，中国人用筷子吃饭，英国人用刀叉吃饭，印度人用手吃饭

注意:

• 多态是方法的多态，属性没有多态
• 多态的存在有2个必要条件：继承、方法重写

实操代码

print("=================================多态======================================")


class Animal:
    def shout(self):
        print("动物叫")


class Dog(Animal):
    def shout(self):
        print("小狗叫, 汪汪汪")


class Cat(Animal):
    def shout(self):
        print("小猫叫, 咪咪咪")


def animalShout(a):
    """传入的对象不同，shout方法对应的实际行为也不同"""
    a.shout()


animalShout(Dog())
animalShout(Cat())

二、浅拷贝与深拷贝

• 浅拷贝: Python拷贝一般都是浅拷贝
  浅拷贝：拷贝时，拷贝源对象，但对象包含的子对象内容不拷贝
• 深拷贝: 使用 copy 模块的 deepcopy 函数，递归拷贝对象中包含的子对象
  深拷贝：拷贝时，拷贝源对象，也递归拷贝对象中包含的子对象

如图所示:

实操代码

print("=======================对象的浅拷贝和深拷贝================================")


class MobilePhone:
    def __init__(self, cpu):
        self.cpu = cpu


class CPU:
    pass


c = CPU()
m = MobilePhone(c)
print("----浅拷贝: 拷贝对象的地址改变, 但子对象地址不改变-------")
m2 = copy.copy(m)  # m2是新拷贝的另一个手机对象
print("m：", id(m))
print("m2：", id(m2))
print("m的cpu：", id(m.cpu))
print("m2的cpu：", id(m2.cpu))  # m2和m拥有了一样的cpu对象
print("----深拷贝: 拷贝对象的地址改变, 子对象地址也改变--------")
m3 = copy.deepcopy(m)
print("m：", id(m))
print("m3：", id(m3))
print("m的cpu：", id(m.cpu))
print("m3的cpu：", id(m3.cpu))  # m3和m拥有不一样的cpu对象

三、常用设计模式

设计模式是面向对象语言特有的内容，是我们在面临某一类问题时候固定的做法，
设计模式有很多种，比较流行的是：GOF（GoupOf Four）23种设计模式. 我们没有必要全部学习，只需学习几个常用的即可
对于初学者，我们学习两个最常用的模式：工厂模式和单例模式

工厂模式

工厂模式实现了创建者和调用者的分离，使用专门的工厂类将选择实现类、创建对象进行统一的管理和控制

注意事项

• 工厂模式核心是: 工厂类和工厂方法
• 工厂方法的核心逻辑是: 根据输入不同的内容, 去创建不同的类

实操代码

print("=======================工厂模式=========================")


class Benz:
    pass


class BMW:
    pass


class BYD:
    pass


class CarFactory:
    def createCar(self, brand):
        if brand == "奔驰":
            return Benz()
        elif brand == "宝马":
            return BMW()
        elif brand == '比亚迪':
            return BYD()
        else:
            return "未知品牌，无法创建"


factory = CarFactory()
c2 = factory.createCar("宝马")
c1 = factory.createCar("奔驰")
print(c2)
print(c1)

单例模式

单例模式（Singleton Pattern）的核心作用是确保一个类只有一个实例，并且提供一个访问该实例的全局访问点
单例模式只生成一个实例对象，减少了对系统资源的开销. 当一个对象的产生需要比较多的资源，如读取配置文件、产生其他依赖对象时，
可以产生一个“单例对象”，然后永久驻留内存中，从而极大的降低开销
单例模式有多种实现的方式，我们这里推荐重写 __new__() 方法

注意事项

• 单例模式核心是: 重写 __new__() 方法 ( __new__() 作用是定义并返回实例化的类, 执行顺序: new() -> init())
• 单例模式的逻辑是:
  新建两个类属性, 用于表示是否创建过对象或者是否进行初始化
  重写 __new__() 方法, 如果没有创建对象, 则通过 object.__new__(cls) 创建该类对象. 否则执行下一步
  重写 __init__() 方法, 用于初始化该类, 并初始化类属性

实操代码

print("==========================单例模式===================================")


class MySingleton:
    __obj = None
    __init_flag = True

    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        if cls.__obj is None:
            cls.__obj = object.__new__(cls)
        return cls.__obj

    def __init__(self, name):
        if MySingleton.__init_flag:
            print("init....")
            self.name = name
            MySingleton.__init_flag = False


a = MySingleton("aa")
print(a)
b = MySingleton("bb")
print(b)

运行结果

工厂和单例模式组合

设计模式称之为“模式”，就是一些固定的套路
我们很容易用到其他场景上，比如前面讲的工厂模式，我们需要将工厂类定义成“单例”，只需要简单的套用即可实现

实操代码

class BenZ:
    pass


class BMW:
    pass


class BYD:
    pass


class CarFactory:
    """定义两个类属性"""
    __obj = None
    __init_flag = True

    """定义工厂方法: 输入对应的商标, 返回对应的对象"""
    def create_car(self, brand):
        if brand == "奔驰":
            return BenZ()
        elif brand == "宝马":
            return BMW()
        elif brand == "比亚迪":
            return BYD()
        else:
            return "未知品牌, 无法创建"

    """定义原型模式方法"""
    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        if cls.__obj is None:
            # cls.__obj == object.__new__(cls) # 这里使用的是赋值语句而不是等值语句
            cls.__obj = object.__new__(cls)
        return cls.__obj

    def __init__(self):
        if CarFactory.__init_flag:
            print("初始化工厂模式")
            CarFactory.__init_flag = False


factory = CarFactory()
c1 = factory.create_car("奔驰")
c2 = factory.create_car("比亚迪")
print(c1)
print(c2)
print("这里可以看到根据输入的内容创建了不同的对象")
factory2 = CarFactory()
print(factory)
print(factory2)
print("这里可以看到虽然我们又新建了一个工厂对象, 但是我们使用的仍是同一个工厂对象")

运行结果

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四、实操作业

1. 定义发动机类Motor、底盘类Chassis、座椅类Seat，车辆外壳类Shell，并使用组合关系定义汽车类. 其他要求如下：

   定义汽车的run()方法，里面需要调用Motor类的work()方法，需要调用座椅类Seat的work()方法，
   也需要调用底盘类Chassis的work()方法

   设计模式选择依据:

   • 多态实现: 因为这些汽车组件都有一个run() 方法. has-a + 继承 可以使用多态实现

   • 工厂模式: 因为有多个组件, 可以通过工厂模式进行创建

   实操代码

   print("=====================方式一:多态实现======================")
   
   
   class Component:
       def work(self):
           print("汽车组件工作")
   
   
   class Motor(Component):
       def work(self):
           print("发动机工作")
   
   
   class Chassis(Component):
       def work(self):
           print("底盘工作")
   
   
   class Seat(Component):
       def work(self):
           print("座椅工作")
   
   
   class Shell(Component):
       def work(self):
           print("外壳工作")
   
   
   def run(part):
       part.work()
   
   
   run(Motor())
   run(Seat())
   run(Chassis())
   print("====================方式二: 工厂模式实现=======================")
   
   
   class CarFactory:
       """定义类属性"""
       __init_flag = True
       __obj = None
       """定义工厂方法"""
   
       def run(self, component):
           if component == "发动机":
               return Motor()
           elif component == "底盘":
               return Chassis()
           elif component == "座椅":
               return Seat()
           elif component == "外壳":
               return Shell()
   
       """定义原型模式方法"""
       def __new__(cls, *args, **kwargs):
           if cls.__obj is None:
               cls.__obj = object.__new__(cls)
           return cls.__obj
   
       def __init__(self):
           if CarFactory.__init_flag:
               print("初始化汽车工厂")
               CarFactory.__init_flag = False
   
   
   car1 = CarFactory()
   car1.run("发动机").work()
   car1.run("座椅").work()
   car1.run("底盘").work()
   

   运行结果
   

2. 使用工厂模式、单例模式实现如下需求：

   (1) 电脑工厂类ComputerFactory用于生产电脑Computer。工厂类使用单例模式，也就是说只能有一个工厂对象
   (2) 工厂类中可以生产各种品牌的电脑：联想、华硕、神舟
   (3) 各种品牌的电脑使用继承实现：
   (4) 父类是Computer类，定义了calculate方法
   (5) 各品牌电脑类需要重写父类的calculate方法

   实操代码

   # 定义父类
   class Computer:
       def calculate(self):
           print("计算方法, 用于被重写")
   
   
   class Lenovo(Computer):
       def calculate(self):
           print("联想进行电脑计算")
   
   
   class ASUS(Computer):
       def calculate(self):
           print("华硕电脑进行计算")
   
   
   class ShenZhou(Computer):
       def calculate(self):
           print("神州电脑进行计算")
   
   
   class ComputerFactory:
       """类属性"""
       __obj = None
       __init_flag = True
   
       """工厂方法"""
   
       def productionComputer(self, brand):
           if brand == "联想":
               return Lenovo()
           elif brand == "华硕":
               return ASUS()
           elif brand == "神州":
               return ShenZhou()
           else:
               return "输入错误, 无法创建"
   
       """单例模式方法"""
   
       def __new__(cls, *args, **kwargs):
           if cls.__obj is None:
               return object.__new__(cls)
   
       def __init__(self):
           if ComputerFactory.__init_flag:
               print("开始初始化")
               ComputerFactory.__init_flag = False
   
   
   computer1 = ComputerFactory()
   print("测试工厂方法")
   computer1.productionComputer("联想").calculate()
   computer1.productionComputer("华硕").calculate()
   computer1.productionComputer("神州").calculate()
   print("测试单例方法")
   computer2 = ComputerFactory()
   print(computer1)
   print(computer2)
   

   执行结果

   

3. 定义一个Employee雇员类，要求如下：

   (1) 属性有：id、name、salary
   (2) 运算符重载+：实现两个对象相加时，默认返回他们的薪水和
   (3) 构造方法要求：输入name、salary，不输入id. id采用自增的方式，从1000开始自增，第一个新增对象是1001，第二个新增对象是1002
   (4) 根据salary属性，使用@property设置属性的get和set方法。set方法要求输入：1000-50000范围的数字

   实操代码

   class Employee:
       __id = 1000
   
       def __init__(self, name, salary):
           """利用类属性实现id自增"""
           self.name = name
           self.__salary = salary  # 因为salary要在多个方法中使用, 因此要设置成类变量而不是设置成局部变量/方法内变量
           self.id = Employee.__id + 1
           Employee.__id = self.id
   
       def __add__(self, other):
           if isinstance(other, Employee):
               return print("{0}的薪水为{1}, {2}的薪水为{3}, 两人薪水一共:{4}"
                            .format(self.name, self.__salary, other.name, other.__salary, self.__salary + other.__salary))
   
       @property
       def salary(self):
           print("月薪为", self.__salary)
           return self.__salary
   
       @salary.setter
       def salary(self, currentSalary):
           if 1000 < currentSalary < 50000:
               self.__salary = currentSalary
               print("月薪设置成功")
           else:
               print("薪水录入错误! 只能在1000-50000之间")
   
   
   e1 = Employee("时间静止", 5555)
   e2 = Employee("静止时间", 4444)
   Employee.__add__(e1, e2)
   e1.salary = 4444
   print(e1.salary)
   e1.salary = 666
   

   执行结果
   

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