【廖雪峰】面向对象程序设计

面向对象程序设计

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。
Python中,所有数据类型都可以视为对象,当然也可以自定义对象。自定义的对象数据类型就是面向对象中的类(Class)的概念。
采用面向对象的程序设计思想,我们首选思考的不是程序的执行流程,而是Student这种数据类型应该被视为一个对象,这个对象拥有namescore这两个属性(Property)。如果要打印一个学生的成绩,首先必须创建出这个学生对应的对象,然后,给对象发一个print_score消息,让对象自己把自己的数据打印出来。
面向对象的设计思想是从自然界中来的,因为在自然界中,类(Class)和实例(Instance)的概念是很自然的。Class是一种抽象概念,比如我们定义的Class——Student,是指学生这个概念,而实例(Instance)则是一个个具体的Student,比如,Bart SimpsonLisa Simpson是两个具体的Student
所以,面向对象的设计思想是抽象出Class,根据Class创建Instance
面向对象的抽象程度又比函数要高,因为一个Class既包含数据,又包含操作数据的方法。

大概是这样的:

class Student(object):
#类模板
    #初始化要创建的实例的属性:
    def __init__(self, name, score):
        self.name = name
        self.score = score
    #定义要创建的实例的功能:
    def print_score(self):
        print('%s: %s' % (self.name, self.score))
#创建实例
bart = Student('Bart Simpson', 59)
lisa = Student('Lisa Simpson', 87)
bart.print_score()
lisa.print_score()

类和实例

类是抽象的模板,实例是根据类这一模板创建出来的具体对象,每个对象都拥有相同的方法,但不一定拥有相同的数据。

class Student(object):
    #用class定义一个类,原则上类名首字母大写。
    #括号里面的东西代表继承自哪个类。
    pass

vth = Student()#创建Student类的实例

由于类可以起到模板的作用,因此,可以在创建实例的时候,把一些我们认为必须绑定的属性强制填写进去。通过定义一个特殊的__init__方法,在创建实例的时候,就把namescore等属性绑上去:

class Student(object):

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

注意到__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。
和普通的函数相比,在类中定义的函数只有一点不同,就是第一个参数永远是实例变量self,并且,调用时,不用传递该参数。除此之外,类的方法和普通函数没有什么区别。

数据封装

面向对象编程的一个重要特点就是数据封装。
可以直接在Student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:

class Student(object):

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

    def print_score(self):#类的方法定义
        print('%s: %s' % (self.name, self.score))

bart.print_score()#调用

python的面向对象编程可以随意的给对象指定属性=-= 比如这样

class Student(object):
    #用class定义一个类,原则上类名首字母大写。
    #括号里面的东西代表继承自哪个类。
    pass

vth = Student()#创建Student类的实例
ygm = Student()
vth.age = 8
print(vth.age)
print(ygm.age)#注意,这儿运行不出来哦

访问限制

Class内部,可以有属性和方法,而外部代码可以通过直接调用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。如果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。
这样就确保了外部代码不能随意修改对象内部的状态,这样通过访问限制的保护,代码更加健壮。
但是如果外部代码要获取namescore怎么办?可以给Student类增加get_nameget_score这样的方法:

    def get_name(self):
        return self.__name

    def get_score(self):
        return self.__score

有些时候,你会看到以一个下划线开头的实例变量名,比如_name,这样的实例变量外部是可以访问的,但是,看到_就像看到别人的女朋友,虽然这人还没结婚,但是也不能随便泡人马子=-=

双下划线开头的实例变量也不是一定不能访问,不能直接访问__name是因为Python解释器对外把__name变量改成了_Student__name,所以,仍然可以通过_Student__name来访问__name变量。bart._Student__name

继承和多态

OOP程序设计中,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(Subclass),而被继承的class称为基类、父类或超类(Base class、Super class)。
继承有什么好处?最大的好处是子类获得了父类的全部功能。由于Animial实现了run()方法,因此,DogCat作为它的子类,什么事也没干,就自动拥有了run()方法。

继承的第二个好处需要我们对代码做一点改进。你看到了,无论是Dog还是Cat,它们run()的时候,显示的都是Animal is running...,符合逻辑的做法是分别显示Dog is running…和Cat is running…,因此,对DogCat类改进如下:

class Dog(Animal):

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

class Cat(Animal):

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

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。
Dog是从Animal继承下来的,当我们创建了一个Dog的实例c时,我们认为c的数据类型是Dog没错,但c同时也是Animal也没错,Dog本来就是Animal的一种!
所以,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。但是,反过来就不行。Dog可以看成Animal,但Animal不可以看成Dog。狗是动物,动物不一定是狗。
多态的好处就是,当我们需要传入DogCatTortoise……时,我们只需要接收Animal类型就可以了,因为DogCatTortoise……都是Animal类型,然后,按照Animal类型进行操作即可。由于Animal类型有run()方法,因此,传入的任意类型,只要是Animal类或者子类,就会自动调用实际类型run()方法,这就是多态的意思。
多态真正的威力:调用方只管调用,不管细节,而当我们新增一种Animal的子类时,只要确保run()方法编写正确,不用管原来的代码是如何调用的。这就是著名的“开闭”原则:
对扩展开放:允许新增Animal子类;
对修改封闭:不需要修改依赖Animal类型的run_twice()等函数。

BUT!!!

对于静态语言(例如Java)来说,如果需要传入Animal类型,则传入的对象必须是Animal类型或者它的子类,否则,将无法调用run()方法。
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
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。动态语言的鸭子类型特点决定了继承不像静态语言那样是必须的。

获取对象信息

判断对象的类型,用type()函数。

class Student(object):
    pass
vth = Student()
print(type(vth))

如果一个变量指向函数或者类,也可以用type()判断。
判断基本数据类型可以直接写intstr等,但如果要判断一个对象是否是函数怎么办?可以使用types模块中定义的常量:

import types
def f():
    pass

type(abs)==types.BuiltinFunctionType
type(f)==types.FunctionType
type(lambda x: x)==types.LambdaType
type((x for x in range(10)))==types.GeneratorType

我们要判断class的类型,可以使用isinstance()函数。

isinstance(h, Husky)

isinstance()判断的是一个对象是否是该类型本身,或者位于该类型的父继承链上。
能用type()判断的基本类型也可以用isinstance()判断,所以我们判断类型时首选用isinstance()
还可以判断一个变量是否是某些类型中的一种,比如下面的代码就可以判断是否是list或者tuple

isinstance([1, 2, 3], (list, tuple))#这俩都会返回True
isinstance((1, 2, 3), (list, tuple))

dir()函数返回一个包含字符串的List.可以获得一个对象的所有属性和方法。
如果你调用len()函数试图获取一个对象的长度,实际上,在len()函数内部,它自动去调用该对象的__len__()方法。

len('dsa')#这两种写法是等价的。
'dsa'.__len__()

配合getattr()、setattr()以及hasattr(),我们可以直接操作一个对象的状态。

hasattr(obj, 'x') # 有属性'x'吗?
setattr(obj, 'y', 19) # 设置一个属性'y'
getattr(obj, 'y') # 获取属性'y'

如果试图获取不存在的属性,会抛出AttributeError的错误。
可以传入一个default参数,如果属性不存在,就返回默认值。

getattr(obj, 'z', 404)

只有在不知道对象信息的时候,我们才会去获取对象信息。如果知道,就直接用。
那学hasattr()等有什么用呢?一个正确的用法的例子如下:

def readImage(fp):
    if hasattr(fp, 'read'):
        return readData(fp)
    return None

假设我们希望从文件流fp中读取图像,我们首先要判断该fp对象是否存在read方法,如果存在,则该对象是一个流,如果不存在,则无法读取。hasattr()就派上了用场。请注意,在Python这类动态语言中,根据鸭子类型,有read()方法,不代表该fp对象就是一个文件流,它也可能是网络流,也可能是内存中的一个字节流,但只要read()方法返回的是有效的图像数据,就不影响读取图像的功能。

实例属性和类属性

定义一个类属性之后,属性归类所有,但所有实例都可以访问。
类访问类属性: 类名.属性
如果是实例.属性,就会先看该实例有没有该属性,如果没有,就返回类属性,如果有,就返回实例本身的属性。

  • 实例属性属于各个实例所有,互不干扰;
  • 类属性属于类所有,所有实例共享一个属性;
  • 不要对实例属性和类属性使用相同的名字,否则将产生难以发现的错误。

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