python 之编程范式

Posted 2020-11-27 大江东流水

编程范式：

编程是 程序员 用特定的语法+数据结构+算法组成的代码来告诉计算机如何执行任务的过程。

一个程序是程序员为了得到一个任务结果而编写的一组指令的集合。

实现一个任务的方式有很多种不同的方式， 对这些不同的编程方式的特点进行归纳总结得出来的编程方式类别，即为编程范式。

不同的编程范式本质上代表对各种类型的任务采取的不同的解决问题的思路， 大多数语言只支持一种编程范式，当然也有些语言可以同时支持多种编程范式。

两种最重要的编程范式分别是面向过程编程和面向对象编程。

1.面向过程编程(Procedural Programming)

Procedural programming uses a list of instructions to tell the computer what to do step-by-step.

面向过程编程依赖：一个procedure包含一组要被进行计算的步骤， 面向过程又被称为top-down languages， 就是程序从上到下一步步执行，一步步从上到下，从头到尾的解决问题 。基本设计思路就是程序一开始是要着手解决一个大的问题，然后把一个大问题分解成很多个小问题或子过程，这些子过程再执行的过程再继续分解直到小问题足够简单到可以在一个小步骤范围内解决。

举个典型的面向过程的例子， 数据库备份， 分三步，连接数据库，备份数据库，测试备份文件可用性。

#Author:Anliu
def db_conn():
    print("connecting db...")

def db_backup(dbname):
    print("导出数据库...", dbname)
    print("将备份文件打包，移至相应目录...")

def db_backup_test():
    print("将备份文件导入测试库，看导入是否成功")

def main():
    db_conn()
    db_backup(‘my_db‘)
    db_backup_test()

if __name__ == ‘__main__‘:
    main()

这样做的问题也是显而易见的，就是如果你要对程序进行修改，对你修改的那部分有依赖的各个部分你都也要跟着修改， 举个例子，如果程序开头你设置了一个变量值 为1 ， 但如果其它子过程依赖这个值 为1的变量才能正常运行，那如果你改了这个变量，那这个子过程你也要修改，假如又有一个其它子程序依赖这个子过程 ， 那就会发生一连串的影响，随着程序越来越大， 这种编程方式的维护难度会越来越高。 所以我们一般认为， 如果你只是写一些简单的脚本，去做一些一次性任务，用面向过程的方式是极好的，但如果你要处理的任务是复杂的，且需要不断迭代和维护 的， 那还是用面向对象最方便了。

2.面向对象编程

2.1 概念

OOP编程是利用“类”和“对象”来创建各种模型来实现对真实世界的描述，使用面向对象编程的原因一方面是因为它可以使程序的维护和扩展变得更简单，并且可以大大提高程序开发效率 ，另外，基于面向对象的程序可以使它人更加容易理解你的代码逻辑，从而使团队开发变得更从容。

面向对象的几个核心特性如下

Class 类 一个类即是对一类拥有相同属性的对象的抽象、蓝图、原型。在类中定义了这些对象的都具备的属性（variables(data)）、共同的方法。

Object 对象 一个对象即是一个类的实例化后的实例，一个类必须经过实例化后方可在程序中调用，一个类可以实例化多个对象，每个对象亦可以有不同的属性，就像人类是指所有人，每个人是指具体的对象，人与人之前有共性，亦有不同

Encapsulation 封装 在类中对数据的赋值、内部调用对外部用户是透明的，这使类变成了一个胶囊或容器，里面包含着类的数据和方法

Inheritance 继承 一个类可以派生出子类，在这个父类里定义的属性、方法自动被子类继承

Polymorphism 多态 多态是面向对象的重要特性,简单点说:“一个接口，多种实现”，指一个基类中派生出了不同的子类，且每个子类在继承了同样的方法名的同时又对父类的方法做了不同的实现，这就是同一种事物表现出的多种形态。 编程其实就是一个将具体世界进行抽象化的过程，多态就是抽象化的一种体现，把一系列具体事物的共同点抽象出来, 再通过这个抽象的事物, 与不同的具体事物进行对话。 对不同类的对象发出相同的消息将会有不同的行为。比如，你的老板让所有员工在九点钟开始工作, 他只要在九点钟的时候说：“开始工作”即可，而不需要对销售人员说：“开始销售工作”，对技术人员说：“开始技术工作”, 因为“员工”是一个抽象的事物, 只要是员工就可以开始工作，他知道这一点就行了。至于每个员工，当然会各司其职，做各自的工作。 多态允许将子类的对象当作父类的对象使用，某父类型的引用指向其子类型的对象,调用的方法是该子类型的方法。这里引用和调用方法的代码编译前就已经决定了,而引用所指向的对象可以在运行期间动态绑定。

我们来看个小实例

#Author:Anliu
class Dog():
    """狗的简单模拟"""
    def __init__(self,name):
        self.name = name

    def buik(self):
        print("%s：wang wang wang...."%self.name)

d1 = Dog("xiaohei")
d2 = Dog("dabai")
d3 = Dog("xihuang")

d1.buik()
d2.buik()
d3.buik()

我们可以感受到，使用类，创造实例是非常方便。

总结一下：

世间万物：皆可分类

世间万物，皆为对象

只要是对象，就一定属于某中品类

只要是对象，就一定有属性

无论用什么形式来编程，我们都要明确记住以下原则：

1. 写重复代码是非常不好的低级行为

2. 你写的代码需要经常变更

开发正规的程序跟那种写个运行一次就扔了的小脚本一个很大不同就是，你的代码总是需要不断的更改，不是修改bug就是添加新功能等，所以为了日后方便程序的修改及扩展，你写的代码一定要遵循易读、易改的原则（专业数据叫可读性好、易扩展）。

如果你把一段同样的代码复制、粘贴到了程序的多个地方以实现在程序的各个地方调用 这个功能，那日后你再对这个功能进行修改时，就需要把程序里多个地方都改一遍，这种写程序的方式是有问题的，因为如果你不小心漏掉了一个地方没改，那可能会导致整个程序的运行都出问题。 因此我们知道 在开发中一定要努力避免写重复的代码，否则就相当于给自己再挖坑。

还好，函数的出现就能帮我们轻松的解决重复代码的问题，对于需要重复调用的功能，只需要把它写成一个函数，然后在程序的各个地方直接调用这个函数名就好了，并且当需要修改这个功能时，只需改函数代码，然后整个程序就都更新了。

那为啥我们需要面向对象，自己考虑？

相信大家都打过CS游戏吧，我们就自己开发一个简单版的CS来玩一玩。

（像我们说过，购物车需要有两个角色）

暂不考虑开发场地等复杂的东西，我们先从人物角色下手， 角色很简单，就俩个，恐怖份子、警察，他们除了角色不同，其它基本都 一样，每个人都有生命值、武器等。 咱们先用非OOP的方式写出游戏的基本角色

#Author:Anliu
# role 1
name = ‘Alex‘
role = ‘terrorist‘
weapon = ‘AK47‘
life_value = 100

# rolw 2
name2 = ‘Jack‘
role2 = ‘police‘
weapon2 = ‘B22‘
life_value2 = 100

上面定义了一个恐怖份子Alex和一个警察Jack,但只2个人不好玩呀，一干就死了，没意思，那我们再分别一个恐怖分子和警察吧。

#Author:Anliu
# role 1
name = ‘Alex‘
role = ‘terrorist‘
weapon = ‘AK47‘
life_value = 100
money = 10000

# rolw 2
name2 = ‘Jack‘
role2 = ‘police‘
weapon2 = ‘B22‘
life_value2 = 100
money2 = 10000

# role 3
name3 = ‘Rain‘
role3 = ‘terrorist‘
weapon3 = ‘C33‘
life_value3 = 100
money3 = 10000

# rolw 4
name4 = ‘Eric‘
role4 = ‘police‘
weapon4 = ‘B51‘
life_value4 = 100
money4 = 10000

4个角色虽然创建好了，但是有个问题就是，每创建一个角色，我都要单独命名，name1,name2,name3,name4…，后面的调用的时候这个变量名你还都得记着，要是再让多加几个角色，估计调用时就很容易弄混啦，所以我们想一想，能否所有的角色的变量名都是一样的，但调用的时候又能区分开分别是谁？

当然可以，我们只需要把上面的变量改成字典的格式就可以啦。

roles = {
    1: {‘name‘: ‘Alex‘,
        ‘role‘: ‘terrorist‘,
        ‘weapon‘: ‘AK47‘,
        ‘life_value‘: 100,
        ‘money‘: 15000,
       },
    2: {‘name‘: ‘Jack‘,
        ‘role‘: ‘police‘,
        ‘weapon‘: ‘B22‘,
        ‘life_value‘: 100,
        ‘money‘: 15000,
       },
    3: {‘name‘: ‘Rain‘,
        ‘role‘: ‘terrorist‘,
        ‘weapon‘: ‘C33‘,
        ‘life_value‘: 100,
        ‘money‘: 15000,
       },
    4: {‘name‘: ‘Eirc‘,
        ‘role‘: ‘police‘,
        ‘weapon‘: ‘B51‘,
        ‘life_value‘: 100,
        ‘money‘: 15000,
       },
}

print(roles[1])  # Alex
print(roles[2])  # Jack

很好，这个以后调用这些角色时只需要roles[1],roles[2]就可以啦，角色的基本属性设计完了后，我们接下来为每个角色开发以下几个功能

1. 被打中后就会掉血的功能

2. 开枪功能

3. 换子弹

4. 买枪

5. 跑、走、跳、下蹲等动作

6. 保护人质（仅适用于警察）

7. 不能杀同伴

8. 。。。

我们可以把每个功能写成一个函数，类似如下：

def shot(by_who):
    #开了枪后要减子弹数
    pass
def got_shot(who):
    #中枪后要减血
    who[‘life_value‘] -= 10
    pass

def buy_gun(who,gun_name):    #检查钱够不够,买了枪后要扣钱
    pass...

so far so good, 继续按照这个思路设计，再完善一下代码，游戏的简单版就出来了，但是在往下走之前，我们来看看上面的这种代码写法有没有问题，至少从上面的代码设计中，我看到以下几点缺陷：

1. 每个角色定义的属性名称是一样的，但这种命名规则是我们自己约定的，从程序上来讲，并没有进行属性合法性检测，也就是说role 1定义的代表武器的属性是weapon, role 2 ,3,4也是一样的，不过如果我在新增一个角色时不小心把weapon 写成了wepon , 这个程序本身是检测 不到的

2. terrorist 和police这2个角色有些功能是不同的，比如police是不能杀人质的，但是terrorist可能，随着这个游戏开发的更复杂，我们会发现这2个角色后续有更多的不同之处， 但现在的这种写法，我们是没办法 把这2个角色适用的功能区分开来的，也就是说，每个角色都可以直接调用任意功能，没有任何限制。

3. 我们在上面定义了got_shot()后要减血，也就是说减血这个动作是应该通过被击中这个事件来引起的,我们调用get_shot()，got_shot（）这个函数再调用每个角色里的life_value变量来减血。 但其实我不通过got_shot()，直接调用角色roles[role_id] 减血也可以呀，但是如果这样调用的话，那可以就是简单粗暴啦，因为减血之前其它还应该判断此角色是否穿了防弹衣等，如果穿了的话，伤害值肯定要减少，got_shot()函数里就做了这样的检测，你这里直接绕过的话，程序就乱了。 因此这里应该设计 成除了通过got_shot(),其它的方式是没有办法给角色减血的，不过在上面的程序设计里，是没有办法实现的。

4. 现在需要给所有角色添加一个可以穿防弹衣的功能，那很显然你得在每个角色里放一个属性来存储此角色是否穿 了防弹衣，那就要更改每个角色的代码，给添加一个新属性，这样太low了，不符合代码可复用的原则

上面这4点问题如果不解决，以后肯定会引出更大的坑，其实，直接在每个功能调用时做一下角色判断啥就好了，没错，但是这样实现过程复杂。这些问题其实能过OOP就可以很简单的解决。

之前的代码改成用OOP中的“类”来实现的话如下：

class Role(object):
    def __init__(self, name, role, weapon, life_value=100, money=15000):
        self.name = name
        self.role = role
        self.weapon = weapon
        self.life_value = life_value
        self.money = money

    def shot(self):
        print("shooting...")

    def got_shot(self):
        print("ah...,I got shot...")

    def buy_gun(self, gun_name):
        print("just bought %s" % gun_name)

r1 = Role(‘Alex‘,‘olice‘,‘47‘)   #生成一个角色
r2 = Role(‘Jack‘,‘terrorist‘,‘B22‘)    #生成一个角色

先不考虑语法细节，相比靠函数拼凑出来的写法，上面用面向对象中的类来写最直接的改进有以下2点：

1. 代码量少了近一半

2. 角色和它所具有的功能可以一目了然看出来

2.2 类

类的语法：

class Dog(object):
    print("hello,I am a dog!")
    d = Dog()

    # 实例化这个类，
    # 此时的d就是类Dog的实例化对象# 实例化，其实就是以Dog类为模版，在内存里开辟一块空间，存上数据，赋值成一个变量名

上面的代码其实有问题，想给狗起名字传不进去。

class Dog(object):
def __init__(self,name,dog_type):
    self.name = name
    self.type = dog_type

def sayhi(self):

    print("hello,I am a dog, my name is ",self.name)

d = Dog(‘LiChuang‘,"京巴")
d.sayhi()

为什么有init? 为什么有self?

class Dog(object):
    def __init__(self, name, dog_type):
        self.name = name
        self.type = dog_type

    def sayhi(self):
        print("hello,I am a dog, my name is ", self.name)


#d = Dog(‘LiChuang‘, "京巴")
#d.sayhi()
print(Dog())

执行结果：

<class ‘main.Dog‘>

这代表什么?代表 即使不实例化，这个Dog类本身也是已经存在内存里。

根据上图我们得知，其实self,就是实例本身！你实例化时python会自动把这个实例本身通过self参数传进去。

class Role(object):
    #定义一个类， class是定义类的语法，Role是类名，(object)是新式类的写法，
    def __init__(self,name,role,weapon,life_value=100,money=15000):
        #初始化函数，在生成一个角色时要初始化的一些属性就填写在这里
        self.name = name
        #__init__中的第一个参数self。
        self.role = role
        self.weapon = weapon
        self.life_value = life_value
        self.money = money

上面的这个init()叫做初始化方法(或构造方法)， 在类被调用时，这个方法(虽然它是函数形式，但在类中就不叫函数了,叫方法)会自动执行，进行一些初始化的动作，所以我们这里写的init(self,name,role,weapon,life_value=100,money=15000)就是要在创建一个角色时给它设置这些属性，那么这第一个参数self是干毛用的呢？

初始化一个角色，就需要调用这个类一次：

r1 = Role(‘Alex‘,‘police‘,‘AK47’) #生成一个角色 , 会自动把参数传给Role下面的__init__(...)方法
r2 = Role(‘Jack‘,‘terrorist‘,‘B22’)  #生成一个角色

我们看到，上面的创建角色时，我们并没有给init传值，程序也没未报错，是因为，类在调用它自己的init(…)时自己帮你给self参数赋值了。

r1 = Role(‘Alex‘,‘police‘,‘AK47’) #此时self 相当于 r1 ,  Role(r1,‘Alex‘,‘police‘,‘AK47’)
r2 = Role(‘Jack‘,‘terrorist‘,‘B22’)#此时self 相当于 r2, Role(r2,‘Jack‘,‘terrorist‘,‘B22’)

 你执行r1 = Role(‘Alex‘,‘police‘,‘AK47’)时，python的解释器其实干了两件事：

1. 在内存中开辟一块空间指向r1这个变量名

2. 调用Role这个类并执行其中的init(…)方法，相当于Role.init(r1,‘Alex‘,‘police‘,’**AK47’),**这么做是为什么呢？ 是为了把‘Alex‘,‘police‘,’AK47’这3个值跟刚开辟的r1关联起来，是为了把‘Alex‘,‘police‘,’AK47’这3个值跟刚开辟的r1关联起来，是为了把‘Alex‘,‘police‘,’AK47’这3个值跟刚开辟的r1关联起来，重要的事情说3次， 因为关联起来后，你就可以直接r1.name, r1.weapon 这样来调用啦。所以，为实现这种关联，在调用init方法时，就必须把r1这个变量也传进去，否则init不知道要把那3个参数跟谁关联呀。

3. 所以这个init(…)方法里的，self.name = name , self.role = role 等等的意思就是要把这几个值 存到r1的内存空间里。

先来看一下上面类中的一个buy_gun的方法：

def buy_gun(self,gun_name):
print(“%s has just bought %s” %(self.name,gun_name) )

上面这个方法通过类调用的话要写成如下：

r1 = Role(‘Alex‘,‘police‘,‘AK47‘)
r1.buy_gun("B21”) #python 会自动帮你转成 Role.buy_gun(r1,”B21")

执行结果

#Alex has just bought B21

依然没给self传值 ，但Python还是会自动的帮你把r1 赋值给self这个参数， 为什么呢？ 因为，你在buy_gun(..)方法中可能要访问r1的一些其它属性呀， 比如这里就访问 了r1的名字，怎么访问呢？你得告诉这个方法呀，于是就把r1传给了这个self参数，然后在buy_gun里调用 self.name 就相当于调用r1.name 啦，如果还想知道r1的生命值 有多少，直接写成self.life_value就可以了。 说白了就是在调用类中的一个方法时，你得告诉人家你是谁。

总结一下2点：

1. 上面的这个r1 = Role(‘Alex‘,‘police‘,‘AK47’)动作，叫做类的“实例化”， 就是把一个虚拟的抽象的类，通过这个动作，变成了一个具体的对象了， 这个对象就叫做实例

2. 刚才定义的这个类体现了面向对象的第一个基本特性，封装，其实就是使用构造方法将内容封装到某个具体对象中，然后通过对象直接或者self间接获取被封装的内容.

3.函数式编程介绍

函数是python内建支持的一种封装，我们通过把大段代码折成函数，通过一层一层的函数调运，就可以把复杂的任务分解成简单的任务，这种分解可以称之为面向过程的程序设计。函数就是面向过程设计的基本单元。

而函数式编程，虽然可以归结到面向过程的的程序设计，但是其思想更接近科学计算。

这使得我们要明确计算机和计算的概念。

在计算机层次上，CPU执行的是加减乘除的指令代码，以及各种条件判断，和跳转指令，所以汇编语言是最贴近计算机的语言。

而计算则指的是数学意义上的计算，越是抽象的计算，里计算机硬件越远。

对应到编程语言，就是越低级的语言，越贴近计算机，执行效率高，比如C语言；级别越高的语言，越贴近计算，抽象程度高，执行效率低，比如lisp语言。

函数式编程就是一种抽象程度很高的编程范式，纯粹的函数式编程语言编写的函数没有变量，因此，任意一个函数，只要输入确定，输出就是确定的，这种纯函数我们称之为没有副作用。而容许使用变量的程序设计语言，由于函数内部的变量状态不确定，同样的输入，可以得到不同的输出，因此这种函数是有副作用的。

python对函数式编程提供部分支持。由于python容许使用变量，因此python不是纯函数式编程式语言。