Python面向对象编程

Posted 2023-02-03 礁之

tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Python面向对象编程相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

文章目录

此文参考廖雪峰官网：面向对象编程 - 廖雪峰的官方网站 (liaoxuefeng.com)

一、什么是面向对象编程

面向对象编程(Object Oriented Programming)，简称OOP，是一种程序设计思想，OOP把对象当作程序的基本单元，一个对象包含了数据和操作数据的函数
面向对象的程序设计把计算机程序当作一组对象的集合，每个对象都可以接受其他对象发来的消息，并且进行处理，而计算机程序的执行就是一系列消息在各对象之间进行传递，和面向对象不同，面向过程的程序设计把计算机程序当作一系列的命令集合，即一组函数的顺序执行，为了简化程序设计，面向过程把函数继续切分为子函数，从而降低系统的复杂度
在Python中，所有的数据类型都可以看作为对象，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类(class)的概念，下面来看一个案例来说明面向对象和面向过程的区别：

- 现在我们需要处理学生的成绩表，为了表示一个学生的成绩，面向过程的程序可以使用一个字典表示，例如：
# -*- coding: utf-8 -*-
std_1 = 'name':'zhangsan','score':98
std_2 = 'name':'lisi','score':97 

def print_score(std):
    return '%s : %s' % (std['name'],std['score'])
    
print(print_score(std_1))
print(print_score(std_2))

#输出：
zhangsan : 98
lisi : 97
  
- 如果使用面向对象的程序设计思想，首先思考的不是程序的执行流程，而是'学生'的这种数据类型应该被看作一个'对象'，这个对象有'name'和'score'两种'属性(property)'，如果想要输出一个学生的成绩，首先就需要先创建一个'学生'对应的对象，然后给这个'学生'对象发送一个'打印成绩'的'消息'，让对象自己把指定的数据打印出来，例如：
# -*- coding: utf-8 -*-
class Student(object):

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

    def print_score(self):
        print('%s : %s' % (self.name,self.score))

- 给对象发送消息实际就是调用对象对应的'关联函数'，这个关联函数也叫做'对象的方法'，下面就是面向对象的程序调用
zhangsan = Student('zhangsan',98)
lisi = Student('lisi',97)
zhangsan.print_score()
lisi.print_score()

#输出：
zhangsan : 98
lisi : 97

对象(class)是一种抽象的概念，上面定义的对象Student，指的就是学生这个概念，而实例(instance)则指一个个具体的对象，例如上面的zhangsan和lisi就是两个具体的Student，也就是实例
从上面的案例可以看出，面向对象的程序设计思想其实就是抽象出对象(class)，然后根据对象创建实例(instance)
最后，面向对象的抽象程度比函数高，因为一个对象既包含数据，也包含操作数据的方法，数据封装、继承、多态是面向对象的三大特点

二、类(class)和实例(instance)

面对对象最重要的概念就是类(class)和实例(instance)，类是抽象的模板，比如上面的Student类，而实例是根据类创建出来的具体的对象，每个对象都有相同的方法，但是各自的数据可能不同，例如上面的zhangsan和lisi
以Student类为例：

# -*- coding: utf-8 -*-
class Student(object):
    pass

（1）先看第2行

class Student(object):
 
在Python中，类是通过'class'关键字进行定义的，'class'后面跟着的是类名，类名通常是以大写字母开头的，紧接着就是'(object)'，这个表示的是'Student'类是从'object'类继承下来的，继承这个概念在后面会说
通常如果说没有合适的继承类，那么就可以直接使用'object'类，这是所有的类最终都会继承的类

（2）定义好了Student类，就可以根据Student类创建出Student的实例，而创建实例是通过类名()实现的，例如：

>>> class Student(object):
...     pass
... 
>>> zhangsan = Student()
>>> zhangsan
<__main__.Student object at 0x0000018C3E6A6A10>
>>> Student
<class '__main__.Student'>

可以看到，变量'zhangsan'指向的是'Student'实例，输出的信息中，'object at'后面是内存地址，每个object的地址都不一样，而'Student'本身就是一个类

还可以给一个实例变量自由的绑定属性，例如：
>>> zhangsan.name = 'zhangsan' 
>>> zhangsan.name
'zhangsan'

（3）由于类可以起到模板的作用，因此，可以在创建实例的时候，把一些必要的属性写进入，通过一个特殊的__init__方法，在创建实例的时候，把name和score等属性绑定，例如：

>>> class Student(object):
...     def __init__(self,name,score):
...             self.name = name
...             self.score = score
... 
>>> zhangsan = Student('zhangsan',98) 
>>> zhangsan.name
'zhangsan'
>>> zhangsan.score
98
>>> lisi = Student()    #传入空参数
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
TypeError: Student.__init__() missing 2 required positional arguments: 'name' and 'score'
>>> lisi = Student('lisi',97,22)  #多传入一个参数
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
TypeError: Student.__init__() takes 3 positional arguments but 4 were given

#注意特殊方法__init__是两个_
可以看到在定义特殊方法'__init__'时，后面的第一个参数是'self'，而且也必须是'self'，这个参数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
不过，在有了'__init__'方法之后，在创建实例的时候，就不能传入空参数或多个参数，必须传入和'__init__'方法相匹配的参数，但是'self'参数不需要传，Python解释器会自己把'实例变量'传入到self

（4）和普通函数相比，在类中定义的函数只有一点不同，那就是函数的第一个参数永远都是self，并且在调用该函数时，不用传递参数，除此之外，和普通函数没有其他区别，仍然可以使用默认参数、可变参数、关键字参数、命名关键字参数

三、特性之一——数据封装

面向对面编程的一个重要的特点就是数据封装，在上面的Student类中，根据对象创建的实例里，都有各自的name和score的数据，可以通过函数来访问这些数据，例如：

>>> class Student(object):
...     def __init__(self,name,score):
...             self.name = name
...             self.score = score
... 
>>> zhangsan = Student('zhangsan',98) 
>>> zhangsan.name
'zhangsan'
>>> zhangsan.score
98
>>> def print_score(std):
...     return '%s : %s' % (std.name,std.score) 
... 
>>> print_score(zhangsan) 
'zhangsan : 98'

但是，既然Student实例本身就拥有这些数据，要访问这些数据，就没有必要从外面的函数去访问，可以直接在Student类的内部定义访问数据的函数，这样，就可以把数据封装起来了，这些封装数据的函数和Student类本身是关联起来的，我们称之为类的方法，更改后可以这样写：

>>> class Student(object):
...     def __init__(self,name,score):
...             self.name = name
...             self.score = score
...     def print_score(self):
...             return '%s : %s' % (self.name,self.score) 
... 
>>> zhangsan = Student('zhangsan',98) 
>>> zhangsan.print_score()           
'zhangsan : 98'

可以发现，'zhangsan'可以直接引用'Student'类中的'print_score'函数
同样的'print_score'函数的参数也是'self'，也是不用传递的，直接在实例变量上调用即可

如果有第三个参数age，但是在__init__中并没有定义，可以这样写：
# -*- coding: utf-8 -*-
class Student(object):
    
    def __init__(self,name,score):
        self.name = name
        self.score = score

    def print_score(self):
        return print('%s %s %s' % (self.name,self.score,self.age))

zhangsan = Student('zhangsan',98)
zhangsan.age = 22  #定义实例变量age
zhangsan.print_score()        

#输出：
zhangsan 98 22

从上面可以看出，在根据Student类创建实例时，只需要指定name和score的值即可，关于如何打印出来，这些都是在Student类的内部定义的，从而使这些数据和逻辑被封装起来，调用时并不知道内部的细节
封装的另一个好处就是可以给Student类增加新的方法，例如：

# -*- coding: utf-8 -*-
class Student(object):
    
    def __init__(self,name,score):
        self.name = name
        self.score = score

    def print_score(self):
        return print('%s : %s' % (self.name,self.score))

    def get_grade(self):
        if self.score >= 90 and self.score <= 100:
            return print('A')
        elif self.score >= 80:
            return print('B')
        else:
            return print('C')

zhangsan = Student('zhangsan',98)
zhangsan.print_score()    
zhangsan.get_grade()    

#输出：
zhangsan : 98
A

总结：

类是创建实例的模板，而实例是一个个具体的对象，每个实例拥有的数据都是相互独立的，互不影响

方法就是与实例绑定的函数，和普通函数不同，方法可以直接访问实例的数据

通过在实例上调用方法，其实就是直接操作了对象内部的数据，并且无需指定方法内部的实现细节
和静态语音不同，Python允许对实例变量绑定任何数据，这样的效果就是，就算是根据同一类创建出的实例，实例拥有的变量名称可能都是不一样的，例如：
# -*- coding: utf-8 -*-
class Student(object):
    
    def __init__(self,name,score):
        self.name = name
        self.score = score


zhangsan = Student('zhangsan',98)
lisi = Student('lisi',98)
zhangsan.age =  22
lisi.aaa = 333
print(zhangsan.age)
print(lisi.aaa)
print(zhangsan.aaa)
#输出
22
333
Traceback (most recent call last):
  File "d:\\工作\\work\\py\\test02.py", line 15, in <module>
    print(zhangsan.aaa)
AttributeError: 'Student' object has no attribute 'aaa'
    
    
因为可以绑定任何数据，所有说'zhangsan'拥有name，score，age三个变量，而'lisi'则拥有name，score，aaa三个变量，因为是实例是相互独立的，所有'zhangsan'和'lisi'之间的变量数量、变量名等都不是互通的，所以zhangsan在最后调用aaa变量时报错了

四、访问限制

在类（class）中，可以有属性和方法，而外部代码可以通过调用实例变量的方法来操作或获取数据，从而隐藏了内部的复杂逻辑

但是，从上面Student类的定义来看，外部代码可以随意改变一个实例的属性，例如：

>>> class Student(object):
...     def __init__(self,name,score):
...             self.name = name
...             self.score = score
...     def print_score(self):
...             return print('%s : %s' % (self.name,self.score)) 
... 
>>> zhangsan = Student('zhangsan',98) 
>>> zhangsan.print_score()
zhangsan : 98
>>> zhangsan.score = 22   #修改score的值
>>> zhangsan.print_score()           #再次调用，发现值已经变了
zhangsan : 22

可以看到实例属性的值是可以随意修改的，如果想要实例的内部属性不被外部修改，可以这样做：

#可以在属性的名称前面加"__"，在Python中，实例的变量名如果以__开头的话，那么这个变量就成了私有变量，只有内部可以访问，外部无法访问
>>> class Student(object):
...     def __init__(self,name,score):
...             self.__name = name
...             self.__score = score
...     def print_score(self):
...             return print('%s : %s' % (self.__name,self.__score)) 
... 
>>> zhangsan = Student('zhangsan',98)
>>> zhangsan.print_score()
zhangsan : 98
    
#现在想对Student类中的score属性的值进行修改，再调用print_score方法时，发现并没有修改，最后发现，其实这相当于是新创建了一个score属性
>>> zhangsan.score = 22   
>>> zhangsan.print_score()   
zhangsan : 98
>>> zhangsan.score
22

#上面不行的话，有的人可能会说是因为属性名称不一样，那么现在来调用一下__score属性，发现也无法调用，这是因为在使用私有变量后，Python解释器就把__name的对外名称变成了_Student__score，使用这样的格式进行调用，是可以调用成功的，不过强烈建议不要使用这种方法进行修改、调用属性数据
>>> zhangsan.__score 
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
AttributeError: 'Student' object has no attribute '__score'. Did you mean: 'score'?
>>> zhangsan._Student__score 
98

#在不使用_Student__score这种格式去访问、修改指定的属性时，可以修改一下类，例如
>>> class Student(object):
...     def __init__(self,name,score):
...             self.__name = name
...             self.__score = score
...     def print_score(self):
...             return print('%s : %s' % (self.__name,self.__score))
...     def set_name(self,name):
...             self.__name = name
...     def set_score(self,score):
...             self.__score = score
...     def get_name(self):
...             return print(self.__name) 
...     def get_score(self):
...             return print(self.__score) 
... 
>>> zhangsan = Student('zhangsan',98) 
>>> zhangsan.print_score()
zhangsan : 98
>>> zhangsan.get_name()    
zhangsan
>>> zhangsan.set_name('lisi') 
>>> zhangsan.get_name()       
lisi

#虽然原先的"zhangsan.name = 98"也可以之间进行修改，但是通过在类中添加方法可以进行参数控制，例如：
>>> class Student(object):
...     def __init__(self,name,score):
...             self.__name = name
...             self.__score = score
...     def set_score(self,score):        
...             if score >= 90 and score <=100:
...                     self.__score = score
...             else:
...                     return print('error')
...     def get_score(self):
...             return self.__score
... 
>>> zhangsan = Student('zhangsan',98) 
>>> zhangsan.get_score()  
98
>>> zhangsan.set_score(80) 
error
>>> zhangsan.get_score()   
98
>>> zhangsan.set_score(96) 
>>> zhangsan.get_score()   
96

可以看到在'Student'类中，'set_score'方法添加了参数控制

注意：
1. 在Python中，变量名称类似于__xx__这样的以双下划线开头和结尾的是特殊变量，特殊变量是可以直接访问的，并不是私有变量
2. 以一个下划线开头的，类似于_name这样的变量，是可以被外部访问的，但是在看到这样的变量时，要把它当成私有变量，不要随意访问，这也是一个不成文的规定
3. 根据拥有私有变量的类去创建的实例，在调用时，不要直接使用类似于zhangsan.__score 这样的，因为虽然在类中定义的是__score，但其实Python解释器对外的名称是_Student__score，所以直接调用或修改zhangsan.__score，其实是调用的是另外一个变量

五、特性之二、三——继承和多态

-继承

在上面的内容中，有说到过继承这一概念，例如：
```
class Student(object)
```
在这里Student(object)的object就是Student继承的类，也就是说，我们在定义类时，是可以继承现有的类的，创建的新类叫做子类（subclass），而被继承的类叫做父类，也可以叫做基类、超类

下面来看几个案例：

- 定义一个'Animal'类，添加一个'run'方法
>>> class Animal(object):
...     def run(self):
...             return print('Animal is running!!!')
... 

- 定义'Dog'和'Cat'类，两个类都继承'Animal'类
>>> class Dog(Animal):
...     pass
... 
>>> class Cat(Animal):
...     pass以上是关于Python面向对象编程的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章 
 2021年最新Python讲义：面向对象(OOP)基本概念
 python-- 面向对象引子概念
 Python之路(第二十二篇)   面向对象初级：概念类属性
 Python面向对象：面向对象(OOP)基本概念类和对象基础语法封装案例私有属性和私有方法
 Python面向对象：面向对象(OOP)基本概念类和对象基础语法封装案例私有属性和私有方法
 python03  面向对象的编程01