Python 類和物件詳細介紹

2022-06-27 18:00:06

物件 = 屬性 + 方法

我們前面其實已經接觸過封裝的概念，把亂七八糟的資料扔進列表裡面，這是一種封裝，是資料層面的封裝；把常用的程式碼段打包成一個函數，這也是一種封裝，是語句層面的封裝；現在我們要學習的物件，也是一種封裝的思想，物件的來源是模擬真是世界，將資料和程式碼都封裝在了一起。

打個比方，烏龜就是真實世界的一個物件，通常會從兩個部分來描述它。
（1）從靜態的特徵描述：例如，綠色的，有四條腿，有外殼等等，這是靜態一方面的描述。
（2）從動態的行為描述：例如，它會爬，如果追它，它還會跑，有時還會咬人，睡覺等等，這都是從行為方面進行描述的。

Python中的物件也是如此，一個物件的特徵稱為“屬性”，一個物件的行為稱為“方法”。：

如果將烏龜寫成程式碼，將會是下面這樣：

class Turtle: # Python中的類名約定以大寫字母開頭

    # 特徵的描述稱為屬性，在程式碼層面看來其實就是變數
    color = 'green'
    legs = 4
    shell = True

    # 方法實際就是函數，通過呼叫這些函數來完成某些工作
    def climb(self):
        print('向前爬')
    def run(self):
        print('向前跑')
    def bite(self):
        print('咬人')
    def sleep(self):
        print('睡覺')

以上程式碼定義了物件的特徵（屬性）和行為（方法），但還不是一個完整的物件，將定義的這些稱為類（Class）。需要使用類來建立一個真正的物件，這個物件就叫作這個類的一個範例（Instance），也叫範例物件（Instance Objects）。
舉個例子，這就像工廠需要生產一系列玩具，需要先作出這個玩具的模具，然後根據這個模具再進行批次生產。

那麼怎麼建立真正的範例物件呢？建立一個物件，也叫類的範例化，其實很簡單：

# 首先要有上面那一段類的定義
tt = Turtle()

注意：類名後面跟著小括號，這跟呼叫函數是一樣的。所以在Python中，類名約定用大寫字母開頭，函數用小寫字母開頭，這樣更容易區分。另外，賦值操作並不是必需的，但如果沒有把建立好的範例物件賦值給一個變數，這個物件就沒辦法使用，因為沒有參照指向這個範例，最終會被Python的垃圾回收機制自動回收。

如果要 呼叫物件裡的方法，使用點操作符（.） 即可。

接下來我們看一段程式碼，再深入理解一下類、類物件和範例物件三個概念：

從這個例子可以看出，對範例物件c的count屬性進行賦值後，就相當於覆蓋了類物件C的count屬性。如下圖所示，如果沒有賦值覆蓋，那麼參照的是類物件的count屬性。

需要注意的是，類中定義的屬性是靜態變數，類的屬性是與類物件進行繫結，並不會依賴任何它的範例物件。

另外，如果屬性的名字跟方法名相同，屬性會覆蓋方法：

為了避免名字上的衝突，應該遵守一些約定俗成的規矩：
（1）不要試圖在一個類裡面定義出所有能想到的特性和方法，應該利用繼承和組合機制進行擴充套件。
（2）用不同的詞性命名，如屬性名用名詞、方法名用動詞，並使用駝峰命名法等。

self是什麼

細心的讀者發現物件的方法都會有一個self引數，那麼這個self是什麼呢？如果你接觸過C++，那麼你應該很容易對號入座，Python的self其實就相當於C++的this指標。

如果你此前沒有接觸過任何程式語言，那麼簡單說，如果把類比作圖紙，那麼由類範例化後的物件才是真正可以住的房子。根據一張圖紙可以設計出成千上萬的房子，它們外觀都差不多，但是每一個房子都有不同的主人。每個人要找到自己的房子，那self就相當於這裡的門牌號，有了self，你就可以輕鬆找到自己的房子。

Python的self引數就是同一個道理，由一個類可以生成無數個物件，當一個物件方法被呼叫的時候，物件會將自身的參照作為第一個引數傳給該方法，那麼Python就知道需要操作哪個物件的方法了。

舉個簡單的例子：

公有和私有

一般物件導向的程式語言都會區分公有和私有的資料型別，像C++和Java它們使用public和private關鍵字用於宣告資料是公有的還是私有的，但在Python中並沒有類似的關鍵字來修飾。

預設上物件的屬性和方法都是公開的，可以直接通過點操作符（.）進行存取：

為了實現類似私有變數的特徵，Python內部採用了一種叫name mangling（名字改編）的技術，在Python中定義私有變數只需要在變數名或函數名前加上“_ _”兩個下劃線，那麼這個函數或變數就會成為私有的了：

這樣，在外部將變數名“隱藏”起來了，理論上如果要存取，就要從內部進行：

但是認真想一下這個技術的名字name mangling（名字改編），那就不難發現其實Python只是把雙下橫線開頭的變數進行了改名而已。實際上，在外部使用“_類名_ _變數名”即可存取雙下橫線開頭的私有變數了：

說明：Python目前的私有機制其實是偽私有的，Python的類是沒有許可權控制的，所有的變數都是可以被外部呼叫的。

繼承

舉個例子來說明繼承。例如現在有個遊戲，需要對魚類進行細分，有金魚（Goldfish）、鯉魚（Carp）、三文魚（Salmon）以及鯊魚（Shark）。那麼我們能不能不要每次都從頭到尾去重新定義一個新的魚類呢？因為我們知道大多數魚的屬性和方法是相似的，如果有一種機制可以讓這些相似的東西得以自動傳遞，那麼就方便多了。這就是繼承。

繼承的語法很簡單：

c l a s s 類名（被繼承的類） : . . . class 類名（被繼承的類）: \ quad ... class類名（被繼承的類）:...

被繼承的類稱為基礎類別、父類別或超類；繼承者稱為子類，一個子類可以繼承它的父類別的任何屬性和方法。

舉個例子：

需要注意的是，如果子類中定義與父類別同名的方法或屬性，則會自動覆蓋父類別對應的方法或屬性：

接下來，嘗試寫一下開頭提到的金魚（Goldfish）、鯉魚（Carp）、三文魚（Salmon）以及鯊魚（Shark）的例子。

import random as r
class Fish:
    def __init__(self):
        self.x = r.randint(0, 10)
        self.y = r.randint(0, 10)
    def move(self):
        # 這裡主要演示類的繼承機制，就不考慮檢查場景邊界和移動方向問題
        # 假設所有的魚都是一路向西遊
        self.x -= 1
        print("我的位置是：", self.x, self.y)
# 金魚
class Goldfish(Fish):
    pass
# 鯉魚
class Carp(Fish):
    pass
#三文魚
class Salmon(Fish):
    pass
# 上面三種魚都是食物，直接繼承Fish類的全部屬性和方法
# 下面定義鯊魚類，除了繼承Fish類的屬性和方法，還要新增一個吃的方法
class Shark(Fish):
    def __init__(self):
        self.hungry = True
    def eat(self):
        if self.hungry:
            print("吃掉你!")
            self.hungry = False
        else:
            print("太飽了，吃不下了~")

首先執行這段程式碼，然後進行測試：

同樣是繼承於Fish類，為什麼金魚（goldfish）可以移動，而鯊魚（shark）一移動就報錯呢？
可以看到報錯提示為：Shark物件沒有x屬性，這是因為在Shark類中，重寫了_ _init_ _()方法，但新的_ _init_ _()方法裡面沒有初始化鯊魚的x座標和y座標，因此呼叫move()方法就會出錯。
那麼解決這個問題，只要在鯊魚類中重寫_ _init_ _()方法的時候先呼叫基礎類別Fish的_ _init_ _()方法。

下面介紹兩種可以實現的技術：

（1）呼叫未繫結的父類別方法
（2）使用super函數

呼叫未繫結的父類別方法

什麼是呼叫未繫結的父類別方法？舉個例子：

修改之後，再執行下發現鯊魚也可以成功移動了：

這裡需要注意的是，這個self並不是父類別Fish的範例物件，而是子類Shark的範例物件。所以這裡說的未繫結是指並不需要繫結父類別的範例物件，使用子類的範例物件代替即可。

使用super函數

super函數能夠幫助我們自動找到基礎類別的方法，而且還為我們傳入了self引數，這樣就不需要做這些事情了：

執行後得到同樣的結果：

多重繼承

除此之外，Python還支援多重繼承，就是可以同時繼承多個父類別的屬性和方法：

c l a s s 類名 ( 父類 1 ，父類 2 ，父類 3 ， . . . ) : . . . class 類名(父類別1，父類別2，父類別3，...):\ quad ... class類名(父類別1，父類別2，父類別3，...):...

舉個例子：

這就是基本的多重繼承語法，但多重繼承很容易導致程式碼混亂，所以當你不確定是否真的必須使用多重繼承的時候，請儘量避免使用它，因為有些時候會出現不可預見的BUG。

組合

前面學習了繼承的概念，又提到了多重繼承，但如果現在我們有了烏龜類、魚類，現在要求定義一個類，叫水池，水池裡要有烏龜和魚。用多重繼承就顯得很奇怪，因為水池和烏龜、魚是不同物種，那怎樣把它們組合成一個水池的類呢？
其實在Python中很簡單，直接把需要的類放進去範例化就可以了，這就叫組合：

先執行上段程式碼，然後測試：

構造和解構

Python的物件有許多神奇的方法，如果你的物件實現了這些方法中的某一個，那麼這個方法就會在特殊情況下被Python所呼叫，而這一切都是自動發生的。

_ _init_ _(self[, …])構造方法

通常把_ _init_ _()方法稱為構造方法，只要範例化一個物件，這個方法就會在物件被建立時自動呼叫。範例化物件時是可以傳入引數的，這些引數會自動傳入_ _init_ _()方法中，可以通過重寫這個方法來自定義物件的初始化操作。

舉個例子：

有些讀者可能會問，有些時候在類定義時寫_ _init_ _()方法，有時候卻沒有，這是為什麼呢？看下面這個例子：

這裡需要注意的是，_ _init_ _()方法的返回值一定是None，不能是其他：

所以，一般在需要進行初始化的時候才重寫_ _init_ _()方法。所以這個_ _init_ _()方法並不是範例化物件時第一個被呼叫的方法。

_ _new_ _(cls[, …])方法

_ _new_ _()方法才是一個物件範例化的時候所呼叫的第一個方法。與其他方法不同的是，它的第一個引數不是self而是這個類（cls），而其他的引數會直接傳遞給_ _init_ _()方法的。

_ _new_ _()方法需要返回一個範例物件，通常是cls這個類範例化的物件，當然你也可以返回其他物件。

_ _new_ _()方法平時很少去重寫它，一般讓Python用預設的方案執行即可。但是有一種情況需要重寫這個方法，就是當繼承一個不可變的型別的時候，它的特性就顯得尤為重要了。

_ _del_ _(self)解構方法

如果說_ _init_ _()和_ _new_ _()方法是物件的構造器的話，那麼Python也提供了一個解構器，叫作_ _del_ _()方法。當物件將要被銷燬的時候，這個方法就會被呼叫。但是需要注意的是，並非 del x 就相當於自動呼叫 x._ _del_ _()，_ _del_ _()方法是當垃圾回收機制回收這個物件的時候呼叫的。 舉個例子：

什麼是繫結

前面提到過繫結的概念，那到底什麼是繫結呢？Python中嚴格要求了方法需要有範例才能被呼叫，這種限制其實就是Python所謂的繫結概念。

有人可能會這麼嘗試，而且發現也可以呼叫：

但是，這樣做會有一個問題，就是根據類範例化後的物件根本無法呼叫裡面的函數：

實際上是由於Python的繫結機制，這裡自動把bb物件作為第一個引數傳入，所以才會出現TypeError。

再看一個例子：

_ _dict_ _屬性是由一個字典組成，字典中僅有範例物件的屬性，不顯示類屬性和特殊屬性，鍵表示的是屬性名，值表示屬性相應的資料值。

現在範例物件dd有了兩個新屬性，而且這兩個屬性是僅屬於範例物件的：

為什麼會這樣？其實這完全歸功於self引數：當範例物件dd去呼叫setXY方法的時候，它傳入的第一個引數就是dd，那麼self.x = 4, self.y = 5也就相當於dd.x = 4, dd.y = 5，所以在範例物件，甚至類物件中都看不到x和y，是因為這兩個屬性是隻屬於範例物件dd的。

如果把類範例刪掉，範例物件dd還能否呼叫printXY方法？答案是可以的：