Python物件導向程式設計之封裝的藝術你瞭解嗎

2022-02-28 13:05:27

1. 物件導向程式設計

OOP ( Object Oriented Programming) 即物件導向程式設計。

物件導向程式設計是一種 編碼思想 ，或是一種 程式碼組織方式 。如同編輯文章時，可以選擇 分段、分節 的方式讓文章看起來有層次、更方便閱讀或修改。

編碼時可以選擇使用 OOP 方案，也可以選擇不使用。如同行文一樣，使用或不使用都不會對 核心邏輯 產生影響。

物件導向程式設計有自己的核心編碼理論，對於任何一種計算機語言而言，如果選擇支援此理論， 則稱此計算機語言支援物件導向程式設計 。如 C++、Java、Python……

因每一種計算機語言語法上的差異性，在提供 OOP 實現時的 語法規範 會有很大的區別。除此之外，對於每一種語言而言，也可以在 OOP 基礎理論上進行語法擴充套件或限制。如 Python 支援多繼承。而 Java 語言只支援單根繼承……

1.1 OOP 特點

要了解 OOP 的特點，可從 2 個角度進行闡述。

廣義角度：讓程式像人類解決問題一樣去解決問題，讓程式具有人的思維模式。

人類解決問題時，先是要了解問題域中會涉及到 哪些物件 ，然後再深入瞭解 每一個物件的特性或功能， 最後再做出相應的決策。

比如：為班級選一名班長。

選班長就是現實世界的一個問題域，如何才能選擇一名符合要求的班長？

1.首先確定此問題中涉及的物件（此處便是班上的所有學生）。

2.然後瞭解每一個學生的興趣、愛好、性格……以及個人能力等等。

3.從瞭解的群體中匹配一個符合 班長標準 的學生便可。

物件導向程式設計中的 物件一詞 ，便是借鑑了現實世界中物件概念。

狹義角度：OOP 編碼為整個程式維護帶來的優勢

OOP 組織的程式碼可讓程式整體上有高度的可閱讀性，除此之外，最主要的特點是可提高程式碼的 複用性、安全性、可延伸性。

任何事情都會 2 面性，OOP 會增加程式碼的理解難度。

1.2 OOP 基本概念

OOP 中有兩個很重要的概念， 類和物件 。

物件從何而來？

現實世界中我們很少思考這個問題，在 選班長時 ，不會思考學生是從哪裡來的，即使思考這個問題，也會認為那是哲學家的事情。

我們不思考現實世界中的手機、電腦、電視機是怎麼來的……因為我們不關心這個，我們關心的是使用它們所提供的功能。

如果我們思考一下手機是怎麼出現的，則會發現：

1.首先需要工程師設計手機藍圖。

2.在工廠里根據手機藍圖進行生產（可能生產很多）。

3.使用者購買手機，瞭解手機特性和功能，使用手機。

我們身邊的諸如電視機、洗衣機、電腦……

無不例外的需要經過這幾個過程後方能來到我們的世界。

即使是人也是女媧按自己的樣子建立出來的……

同理，電腦世界裡不會突然冒出手機、電腦、學生……如何才能讓電腦出現此類物件。一樣，先設計一個藍圖，此藍圖在電腦世界我們就稱其為 “類” 。

有了 “類” 之後才可以 建立手機物件 ，有了物件後才能在程式程式碼中使用設計時為手機賦予功能完成程式邏輯。

現實世界設計手機藍圖時，需要設計手機的外觀，如大小、形狀、體重……需要賦予手機功能、如打電話、播放音樂、播放視訊、上網……

在計算機的編碼世界裡，同樣在設計類時需要為 “手機類” 設計外觀和功能。 OPP 中稱外觀為屬性，稱功能為方法。

類是藍圖，具有抽象性特徵

物件是根據藍圖建立出來的個體，具有具體性、實用性特徵

2. Python 實現 OOP

如需使用 OOP 理念實現程式邏輯，則需遵循如下流程：

2.1 分析問題

首先需要明確問題： 如編寫一個程式摸擬小狗的行為。

此問題中的物件便是小狗，所以程式中需要一隻小狗。

按上所述，建立小狗之前需要設計“狗類”，因此需要為類的設計提供足夠的資訊。

分析可得在設計類時需要有小狗屬性：姓名、年齡，小狗的行為：尊下、打滾。

2.2 類設計語法

class Dog():
    def __init__(self, name, age):
        """初始化屬性name和age"""
        self.name = name
        self.age = age
    def sit(self):
        """小狗蹲下行為"""
        print(self.name.title() + " 乖乖的尊下了！")
    def roll_over(self):
        """小狗打滾"""
        print(self.name.title() + " 開始打滾哈!")

如上為 python 中類設計的結構語法：

類的函數稱為方法，方法的第一個引數須是 self 關鍵字。
__init__ 方法是必須的，其方法名不得修改。此方法會在建立物件時被自動呼叫，用來初始化物件資料。
self.name 宣告一個物件變數，此變數會儲存物件的資料。

2.3 建立物件語法

有了類後，方可建立物件，有了物件後方可啟用屬性和方法。

my_dog = Dog('小雪', 6) print("小狗的名字："+my_dog.name.title()+".") print("小狗今年"+str(my_dog.age)+" 歲了")
my_dog.sit() my_dog.roll_over()

建立小狗時，需呼叫和 類名相同的方法 ，如上述的 Dog( ) 方法，此方法也叫 構造方法 ，此方法實質是呼叫了類設計中的 __init__ 方法。所以需要傳遞小狗的具體姓名和年齡初始 name 和 age 變數。

呼叫類中的方法時，不需要為方法宣告時的 self 引數傳遞值。

有了物件後，如需要使用此物件的資料時，可使用 . 運運算元。如上 my_dog.name 得到小狗的姓名。

當然，在建立小狗後，也可以根據需要 修改小狗的姓名和年齡。

my_dog.name='小花'
my_dog.age=4

同樣，也可以使用 . 運運算元呼叫類設計時的方法。呼叫方法也不需要為第一個引數 self 傳值。

執行結果：

小狗的名字：小雪.
小狗今年6 歲了
小雪乖乖的尊下了！
小雪開始打滾哈!

有了類之後，可以根據此類的設計方案，建立出多個物件。每一個物件有自己的資料空間，彼此之間的資料是獨立且隔離的。

my_dog = Dog('小黑', 6)
your_dog = Dog('小白', 3)
print("我的小狗的名字： "+my_dog.name.title()+".")
print("我的小狗的年齡 "+str(my_dog.age)+"歲了.")
my_dog.sit()
print("n你的小狗的名字： "+your_dog.name.title()+".")
print("你的小狗的年齡 "+str(your_dog.age)+" 歲了.")
your_dog.sit()

如同現實世界一樣。現在有了 2 只小狗，它們是獨立的個體。修改其中一隻狗的名字，對另一隻小狗是沒影響的。

我的小狗的名字：小黑.
我的小狗的年齡 6歲了.
小黑乖乖的尊下了！

你的小狗的名字：小白.
你的小狗的年齡 3 歲了.
小白乖乖的尊下了！

3. OOP 的封裝性

封裝性可以從 2 個角度上展開討論：

3.1 廣義角度：無處不封裝

類就是一個封裝體：它把資料以及對 資料的相關操作 方法封裝在了一起。

方法也是一個封裝體： 封裝了程式碼邏輯 。

封裝的優點！

當我們通過物件使用 資料和方法 時，不需要了解其中的內部細節，如此實現了 設計和使用 的分離，和現實世界中我們使用手機一樣，不需瞭解手機的內部結構和細節。

開發者在使用 python 提供的模組時，不需要了解模組中的相關實現細節，直接使用其功能便可。

設計和使用的分離能加速工業軟體的開發效率。

3.2 狹義角度：保證內部資料的完整性

建立一隻小狗後，可以編寫如下程式碼修改小狗的年齡。

my_dog = Dog('小雪', 6)
my_dog.age=-4

顯然這是不符合實際情況的，沒有一隻小狗的年齡可以是負 4 歲。但是，現在程式可以正常執行。

小狗今年-4 歲了

出現這樣不合常理的想象，應該追究誰的責任。 類的設計者還是物件使用者？

我們應該要追究類設計者的責任，就如同我剛買的手機不能充電一樣，是設計者的設計缺陷引起的。

我們應該在設計類的時候提供一種內部安全檢查機制，保護變數能被賦予一個正確的、可靠的值。

實施流程：

1. 在變數、方法的前面加上雙下劃線（__）讓變數成為私有概念

python 的語法有很大的彈性。新增下劃性只是一種象徵性或類似於道德層面的約定。並不能真正意義上讓外部不能存取。

class Dog():
    def __init__(self, name, age):
        """初始化屬性name和age"""
        self.name = name
        #私有化
        self.__age = age
    def sit(self):
        """小狗蹲下行為"""
        print(self.name.title() + " 乖乖的尊下了！")
    def roll_over(self):
        """小狗打滾"""
        print(self.name.title() + " 開始打滾哈!")

2. 在類中提供對應的 set 和 get 方法實現對內部變數的保護。

def get_age(self):
        return self.__age
    # 對資料進行檢查
    def set_age(self, age):
        if age<0:
            print("小狗的年齡不可能為負數")
            return
        self.__age = age

3. 測試

my_dog = Dog('小雪', 6)
my_dog.set_age(-4)
print("小狗的名字："+my_dog.name.title()+".")
print("小狗今年"+str(my_dog.get_age())+" 歲了")

輸出結果

小狗的年齡不可能為負數
小狗的名字：小雪.
小狗今年6 歲了

python 還有一種更優雅的解決方案。使用註解方式。

class Dog():
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        # 私有屬性，屬性名(age)前面雙下劃線的名稱
        self.__age = age
    # 實體方法
    def run(self):
        print("{} 在跑……".format(self.name))
    # 使用 @property 定義age屬性的 get 方法
    @property
    def age(self):
        return self.__age
    # 使用 @age.setter 定義 age 屬性的 set 方法必須放在@property的後面
    @age.setter
    def age(self, age):
        if age < 0:
            print("小狗的年齡不能是負數")
            return
        self.__age = age
#範例化小狗
dog = Dog("小紅", 3)
print("{0} 狗狗的年齡是 {1}".format(dog.name, dog.age))
#修改年齡
dog.age = -4
print("{0} 狗狗的年齡是 {1}".format(dog.name, dog.age))

輸出結果