为女儿准备的编程课 Lesson9: Python 面向对象设计

Posted 2021-06-12 会编程的熊爸爸

我们在前面的所有代码设计和开发中均是面向过程的开发，而实际在相对来说稍稍大一点的项目或者说复杂点的代码，都是以面向对象的方式来进行程序设计。

什么是面向对象设计？

我们考虑现实世界，现实世界是以一个实体一个实体组成，比如人，车，花等等。面向对象的思想就是将一个概念实体以及他的相关动作封装在一起。这样，可以像现实世界一样，考虑不同实体之间的关系，来进行程序交互设计。

我们以 "人", 这个实体概念来看，如何进行面向对象设计?

一个人，他自己的基本属性，比如: 名字，身份证ID， 性别，年龄等；除了属性，还有一些人的基本能力，比如: 吃饭, 思考，走路。

一个人与另外一个人之间会有一些关系，比如，交朋友，结婚等。

现在，人和学校，就能产生一些关系，比如: 对于人来说是 "学习", 对于学校来说是 "招生" 等。

我们通过这些真实存在的实体概念，并建立每一个概念的属性以及能力，可以使得程序更具封装能力，同时，与其他实体概念解耦，更有助于大型程序的设计。

面向对象编程基本概念

我们了解什么是面向对象程序设计，那么，看看如何使用 python 代码来实现这些概念。我们依然以上面 "人" 为例子。

1. 定义一个实体概念，叫做 类，用 class 关键字来表示
2. 定义实体概念中的属性，叫类的属性或者成员，self.member 这种形式来表示
3. 定义实体概念中的能力，叫类的成员函数，成员函数，可以直接使用类的属性，也就是 self.member 形式的属性。

接下来我们编写一个"人"的类。

from typing import List


class Person:
    """
    人
    """

    def __init__(self, id_no: str, name: str, age: int, sex: str):
        """
        初始化 人的属性
        :param id_no: 身份证 id
        :param name: 名字
        :param age: 年龄
        :param sex: 性别
        """
        self.id_no = id_no
        self.name = name
        self.age = age
        self.sex = sex
        self.school: "School" = None

    def eat(self, some_thing: str):
        """
        吃东西
        :param some_thing: 吃的东西
        :return:
        """
        return f"我吃了: {some_thing}"

    def study(self, school: "School"):
        self.school = school

    def introduce(self):
        """
        自我介绍
        :return:
        """
        return f"我是{self.name}, 今年{self.age}岁, 性别{self.sex}"


class School:
    """
    学校
    """

    def __init__(self, name: str, address: str):
        """
        学校
        :param name: 学校名字
        :param address: 地址
        """
        self.name = name
        self.address = address

        self.students : List[Person] = list()

    def enroll_student(self, student: Person):
        """
        招生
        :param student: 学生
        :return:
        """
        self.students.append(student)
        

我们先测试下学生:

zhangsan = Person(id_no="1", name="张三", age=10, sex="男")
print(zhangsan.introduce())
lisi = Person(id_no="2", name="李四", age=8, sex="男")
print(lisi.introduce())

我是张三, 今年10岁, 性别男
我是李四, 今年8岁, 性别男

在测试下学校:

school = School(name="python中学", address="python3.7")
school.enroll_student(student=zhangsan)
school.enroll_student(student=lisi)

print(f"学校里的学生有: {len(school.students)} 名")

for student in school.students:
    print(f"学校的学生: {student.name}")

学校里的学生有: 2 名
学校的学生: 张三
学校的学生: 李四

我们看到学生和学校都被很好的封装在一起，并且能够交互。这就是面向对象程序设计。

类之间的关系

类与类之间的最重要的关系是继承。继承表示子类能够获得父类的能力，并且可以重写，并且加入更多的特性。

例如上面的例子，我们定义一个学生类，作为学校的学生，继承自 Person, 增加一个学号的属性。

class Student(Person):
    """
    学生
    """

    def __init__(self, student_no: str, id_no: str, name: str, age: int, sex: str):
        """
        学生
        :param student_no: 学号
        """
        super().__init__(id_no=id_no, name=name, age=age, sex=sex)
        self.student_no = student_no

    def introduce(self):
        return f"{super().introduce()}, 学号是: {self.student_no}"
    

面向对象程序设计工具-UML

我们看到类有成员有函数，以及类之间的关系，以及对象和对象之间的交互，那么在进行面向对象程序设计的时候，我们需要一些工具来描述这些方面。

这种语言是 UML。下面是我们用 UML 绘制的面向对象程序设计。

总结

简单介绍了面向对象程序设计的基本概念，实际的面向对象设计是一套非常复杂需要很多实战的技能，这其中就包括: 设计模式。设计模式这部分过于庞大和复杂，就不在这里介绍了。