09-01 面向对象编程

Posted 2020-11-25

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一 对象的概念

”面向对象“的核心是“对象”二字，而对象的精髓在于“整合“，什么意思？

所有的程序都是由”数据”与“功能“组成，因而编写程序的本质就是定义出一系列的数据，然后定义出一系列的功能来对数据进行操作。在学习”对象“之前，程序中的数据与功能是分离开的，如下

# 数据：name、age、sex
name=‘lili‘
age=18
sex=‘female‘

# 功能：tell_info
def tell_info(name,age,sex): 
    print(‘<%s:%s:%s>‘ %(name,age,sex))

# 此时若想执行查看个人信息的功能，需要同时拿来两样东西，一类是功能tell_info，另外一类则是多个数据name、age、sex，然后才能执行，非常麻烦
tell_info(name,age,sex)

在学习了“对象”之后，我们就有了一个容器，该容器可以盛放数据与功能，所以我们可以说：对象是把数据与功能整合到一起的产物，或者说”对象“就是一个盛放数据与功能的容器/箱子/盒子。

如果把”数据“比喻为”睫毛膏“、”眼影“、”唇彩“等化妆所需要的原材料；把”功能“比喻为眼线笔、眉笔等化妆所需要的工具，那么”对象“就是一个彩妆盒，彩妆盒可以把”原材料“与”工具“都装到一起

插图：对象与盒子

如果我们把”化妆“比喻为要执行的业务逻辑，此时只需要拿来一样东西即可，那就是彩妆盒，因为彩妆盒里整合了化妆所需的所有原材料与功能，这比起你分别拿来原材料与功能才能执行，要方便的多。

插图：恶搞图14

? 在了解了对象的基本概念之后，理解面向对象的编程方式就相对简单很多了，面向对象编程就是要造出一个个的对象，把原本分散开的相关数据与功能整合到一个个的对象里，这么做既方便使用，也可以提高程序的解耦合程度，进而提升了程序的可扩展性（需要强调的是，软件质量属性包含很多方面，面向对象解决的仅仅只是扩展性问题）

插图：软件质量属性

二 类与对象

类即类别/种类，是面向对象分析和设计的基石，如果多个对象有相似的数据与功能，那么该多个对象就属于同一种类。有了类的好处是：我们可以把同一类对象相同的数据与功能存放到类里，而无需每个对象都重复存一份，这样每个对象里只需存自己独有的数据即可，极大地节省了空间。所以，如果说对象是用来存放数据与功能的容器，那么类则是用来存放多个对象相同的数据与功能的容器。

插图：类与对象关系图

? 综上所述，虽然我们是先介绍对象后介绍类，但是需要强调的是：在程序中，必须要事先定义类，然后再调用类产生对象（调用类拿到的返回值就是对象）。产生对象的类与对象之间存在关联，这种关联指的是：对象可以访问到类中共有的数据与功能，所以类中的内容仍然是属于对象的，类只不过是一种节省空间、减少代码冗余的机制，面向对象编程最终的核心仍然是去使用对象。

? 在了解了类与对象这两大核心概念之后，我们就可以来介绍一下面向对象编程啦。

插图：恶搞图02

三 面向对象编程

3.1 类的定义与实例化

我们以开发一个清华大学的选课系统为例，来简单介绍基于面向对象的思想如何编写程序

插图：恶搞图03

面向对象的基本思路就是把程序中要用到的、相关联的数据与功能整合到对象里，然后再去使用，但程序中要用到的数据以及功能那么多，如何找到相关连的呢？我需要先提取选课系统里的角色：学生、老师、课程等，然后显而易见的是：学生有学生相关的数据于功能，老师有老师相关的数据与功能，我们单以学生为例，

# 学生的数据有
学校
名字
年龄
性别

# 学生的功能有
选课

详细的

# 学生1：
    数据:
        学校=清华大学
        姓名=李建刚
        性别=男
        年龄=28
    功能：
        选课

# 学生2：
    数据:
        学校=清华大学
        姓名=王大力
        性别=女
        年龄=18
    功能：
        选课

# 学生3：
    数据:
        学校=清华大学
        姓名=牛嗷嗷
        性别=男
        年龄=38
    功能：
        选课

我们可以总结出一个学生类，用来存放学生们相同的数据与功能

# 学生类
    相同的特征:
        学校=清华大学
    相同的功能：
        选课

插图：恶搞图04

基于上述分析的结果，我们接下来需要做的就是在程序中定义出类，然后调用类产生对象

class Student: # 类的命名应该使用“驼峰体”

    school=‘清华大学‘ # 数据

    def choose(self): # 功能
        print(‘%s is choosing a course‘ %self.name)

类体最常见的是变量的定义和函数的定义，但其实类体可以包含任意Python代码，类体的代码在类定义阶段就会执行，因而会产生新的名称空间用来存放类中定义的名字，可以打印Student.__dict__来查看类这个容器内盛放的东西

>>> print(Student.__dict__)
{..., ‘school‘: ‘清华大学‘, ‘choose‘: <function Student.choose at 0x1018a2950>, ...}

插图：恶搞图05

调用类的过程称为将类实例化，拿到的返回值就是程序中的对象，或称为一个实例

>>> stu1=Student() # 每实例化一次Student类就得到一个学生对象
>>> stu2=Student()
>>> stu3=Student()

如此stu1、stu2、stu3全都一样了（只有类中共有的内容，而没有各自独有的数据），想在实例化的过程中就为三位学生定制各自独有的数据：姓名，性别，年龄，需要我们在类内部新增一个__init__方法,如下

class Student:
    school=‘清华大学‘

    #该方法会在对象产生之后自动执行，专门为对象进行初始化操作，可以有任意代码，但一定不能返回非None的值
    def __init__(self,name,sex,age):
        self.name=name
        self.sex=sex
        self.age=age

    def choose(self): 
        print(‘%s is choosing a course‘ %self.name)

然后我们重新实例出三位学生

>>> stu1=Student(‘李建刚‘,‘男‘,28)
>>> stu2=Student(‘王大力‘,‘女‘,18)
>>> stu3=Student(‘牛嗷嗷‘,‘男‘,38)

单拿stu1的产生过程来分析，调用类会先产生一个空对象stu1，然后将stu1连同调用类时括号内的参数一起传给Student.__init__(stu1,’李建刚’,’男’,28)

def __init__(self, name, sex, age):
    self.name = name  # stu1.name = ‘李建刚‘
    self.sex = sex    # stu1.sex = ‘男‘
    self.age = age    # stu1.age = 28

会产生对象的名称空间，同样可以用__dict__查看

>>> stu1.__dict__
{‘name‘: ‘李建刚‘, ‘sex‘: ‘男‘, ‘age‘: 28}

插图：恶搞图06

至此，我们造出了三个对象与一个类，对象存放各自独有的数据，类中存放对象们共有的内容

插图：对象容器与类容器

插图：恶搞图08

存的目的是为了用，那么如何访问对象或者类中存放的内容呢？

插图：恶搞图07

3.2 属性访问

3.2.1 类属性与对象属性

在类中定义的名字，都是类的属性，细说的话，类有两种属性：数据属性和函数属性，可以通过__dict__访问属性的值，比如Student.__dict__[‘school’]，但Python提供了专门的属性访问语法

插图：恶搞图

>>> Student.school # 访问数据属性，等同于Student.__dict__[‘school‘]
‘清华大学‘
>>> Student.choose # 访问函数属性，等同于Student.__dict__[‘choose‘]
<function Student.choose at 0x1018a2950>
# 除了查看属性外，我们还可以使用Student.attrib=value(修改或新增属性),用del Student.attrib删除属性。

操作对象的属性也是一样

>>> stu1.name # 查看，等同于obj1.__dict__[‘name‘]
‘李建刚‘
>>> stu1.course=’python’ # 新增，等同于obj1.__dict__[‘course‘]=‘python‘
>>> stu1.age=38 # 修改，等同于obj1.__dict__[‘age‘]=38
>>> del obj1.course # 删除，等同于del obj1.__dict__[‘course‘]

插图：恶搞图08

3.2.2 属性查找顺序与绑定方法

对象的名称空间里只存放着对象独有的属性，而对象们相似的属性是存放于类中的。对象在访问属性时，会优先从对象本身的__dict__中查找，未找到，则去类的__dict__中查找

插图：恶搞图12

1、类中定义的变量是类的数据属性，是共享给所有对象用的，指向相同的内存地址

# id都一样
print(id(Student.school)) # 4301108704

print(id(stu1.school)) # 4301108704
print(id(stu2.school)) # 4301108704
print(id(stu3.school)) # 4301108704

插图：恶搞图11、恶搞图13

2、类中定义的函数是类的函数属性，类可以使用，但必须遵循函数的参数规则，有几个参数需要传几个参数

Student.choose(stu1) # 李建刚 is choosing a course
Student.choose(stu2) # 王大力 is choosing a course
Student.choose(stu3) # 牛嗷嗷 is choosing a course

但其实类中定义的函数主要是给对象使用的，而且是绑定给对象的，虽然所有对象指向的都是相同的功能，但是绑定到不同的对象就是不同的绑定方法，内存地址各不相同

print(id(Student.choose)) # 4335426280

print(id(stu1.choose)) # 4300433608
print(id(stu2.choose)) # 4300433608
print(id(stu3.choose)) # 4300433608

绑定到对象的方法特殊之处在于，绑定给谁就应该由谁来调用，谁来调用，就会将’谁’本身当做第一个参数自动传入（方法__init__也是一样的道理）

stu1.choose()  # 等同于Student.choose(stu1)
stu2.choose()  # 等同于Student.choose(stu2)
stu3.choose()  # 等同于Student.choose(stu3)

绑定到不同对象的choose技能，虽然都是选课，但李建刚选的课，不会选给王大力，这正是”绑定“二字的精髓所在。

#注意：绑定到对象方法的这种自动传值的特征，决定了在类中定义的函数都要默认写一个参数self，self可以是任意名字，但命名为self是约定俗成的。

插图：恶搞图10

Python中一切皆为对象，且Python3中类与类型是一个概念，因而绑定方法我们早就接触过

#类型list就是类
>>> list
<class ‘list‘>

#实例化的到3个对象l1,l2,l3
>>> l1=list([1,2,3])
>>> l2=list([‘a‘,‘b‘,‘c‘])
>>> l3=list([‘x‘,‘y‘])

#三个对象都有绑定方法append,是相同的功能,但内存地址不同
>>> l1.append
<built-in method append of list object at 0x10b482b48>
>>> l2.append
<built-in method append of list object at 0x10b482b88>
>>> l3.append
<built-in method append of list object at 0x10b482bc8>

#操作绑定方法l1.append(4),就是在往l1添加4,绝对不会将4添加到l2或l3
>>> l1.append(4) #等同于list.append(l1,4)
>>> l1
[1,2,3,4]
>>> l2
[‘a‘,‘b‘,‘c‘]
>>> l3
[‘x‘,‘y‘]

插图：恶搞图11

3.3.3 小结

在上述介绍类与对象的使用过程中，我们更多的是站在底层原理的角度去介绍类与对象之间的关联关系，如果只是站在使用的角度，我们无需考虑语法“对象.属性"中”属性“到底源自于哪里，只需要知道是通过对象获取到的就可以了，所以说，对象是一个高度整合的产物，有了对象，我们只需要使用”对象.xxx“的语法就可以得到跟这个对象相关的所有数据与功能，十分方便且解耦合程度极高。

插图：恶搞图12、恶搞图15