详解Python面向对象程序设计

过期动态2024-11-07 18:01

Python面向对象程序设计

1，初识类和对象

设想这样一种场景：学校里每个学生都有各自的姓名、性别、班级、籍贯、年龄等个人信息。如果把每个人的信息写在一张纸上，组织起来就会非常混乱，因此在生活中常使用表格来记录学生的信息。

程序中，为了追求一种更简洁高效的数据表示形式，我们可以通过设计类、创建对象、给对象的属性赋值的方法来组织数据。使用程序中的类可以完美的描述现实世界的事物。

  • 设计一个类：类比整个学生群体
  • 创建一个对象：类比某一位学生
  • 对象属性赋值：类比填入某一位学生的信息
  • 设计类，基于类创建对象，由对象做具体的工作，此即为面向对象编程

2，类的定义和使用

定义类和创建类对象的语法如下：

bash 复制代码 
# 定义类的语法
class 类名称：
	类的属性
	
	# 类中定义成员方法
	def 方法名(self,形参1,......,形参N)
		方法体
	
# 创建类对象的语法
对象 = 类名称()
  • class是关键字，表示要定义类
  • 类的属性，即定义在类中的变量（成员变量）
  • 类的行为，即定义在类中的方法（成员方法）
  • 类中可以定义属性来记录数据，定义函数来记录行为
  • self表示类对象自身，当我们使用类对象调用方法时，self会自动被python传入
  • self是成员方法定义的时候，必须填写的
  • 在方法内部想要访问类的属性，必须使用self
  • self关键字在方法的参数列表中，但传参的时候可以忽略它

案例演示：

python 复制代码 
# 设计一个类
class Student:
    # 各属性的初始值设置空值
    name = None     # 记录学生姓名
    gender = None   # 记录学生性别
    nationality = None   # 记录学生国籍
    native_place = None   # 记录学生籍贯
    age = None   # 记录学生年龄

    # 类的行为
    def say_hello1(self):
        # 成员方法的参数中self是必须的
        # 在方法内部想要访问类的属性，必须使用self
        print(f"Hi，大家好，我是{self.name}")

    def say_hello2(self, msg):
        print(f"Hi，{msg}")

# 创建一个对象
stu1 = Student()

# 对象属性赋值
stu1.name = "小明"
stu1.gender = "男"
stu1.nationality = "中国"
stu1.native_place = "山东省"
stu1.age = 18

# 获取对象中记录的信息
print(f"学生姓名是：{stu1.name}，学生性别是：{stu1.gender},学生年龄是：{stu1.age}")

# 调用类内部的方法
stu1.say_hello1()
stu1.say_hello2("很高兴认识大家")

运行结果如下：

3，构造方法

前面我们学习了对象属性的赋值（如下图），显然之前的赋值方式略显繁琐，需要写很多行。

实际有一种更高效的传参方式：

  • 在创建对象的时候，像函数一样通过传参的形式对属性赋值，此即为构造方法。

Python类可以使用：__init__()方法，称之为构造方法，它可以实现：

  • 在创建类对象的时候，会自动执行
  • 在创建类对象的时候，将传入参数自动传递给__init__()方法使用
  • 构造方法也是成员方法，不要忘记在参数列表中提供：self

案例演示

python 复制代码 
"""
演示类的构造方法
"""

class Student:
	# 此处成员变量的定义可省略，因为_init_方法会自动执行赋值，赋值的同时成员变量也被定义了
    name = None
    age = None
    tel = None

    def __init__(self, name, age, tel):
        self.name = name   # 表示内部的name属性等于外部传入的name
        self.age = age
        self.tel = tel
        print("Student类创建了一个类对象")


# 使用构造方法创建类对象
stu = Student("小白",21,"13256666666")
print(stu.name)
print(stu.age)

运行结果如下：

4，常用的类内置方法

前面的__init__构造方法，是Python类内置的方法之一。这些内置的方法，各自有各自特殊的功能，这些内置方法我们称之为：魔术方法。

方法 功能
__init__ 构造方法，可用于创建类对象的时候设置初始化行为
__str__ 用于实现类对象转字符串的行为
__lt__ 用于两个类对象进行小于或大于比较
__le__ 用于两个类对象进行小于等于或大于等于比较
__eq__ 用于两个类对象进行相等比较

4.1，字符串方法：__str__

__str__ 是一个特殊方法（也称为魔术方法或双下方法），它定义了当对象需要被转换成字符串表示时应该如何做。

未定义__str__方法时，直接将对象打印输出或者将对象转为字符串输出，会输出对象的地址，代码示例如下：

python 复制代码 
class Student:
    def __init__(self, name, age, tel):
        self.name = name   # 表示内部的name属性等于外部传入的name
        self.age = age
        self.tel = tel
        print("Student类创建了一个类对象")

stu = Student("小白",21,"13256666666")

# 直接将对象打印
print(stu)
# 将对象转为字符串打印输出
print(str(stu))

运行结果：

有时我们为了打印的时候显示对象中存储的数据内容，就可以通过定义___str__方法，控制类转换为字符串的行为。代码示例如下：

python 复制代码 
class Student:
    def __init__(self, name, age, tel):
        self.name = name   # 表示内部的name属性等于外部传入的name
        self.age = age
        self.tel = tel

    # __str__魔术方法
    def __str__(self):
        return f"Student类对象，name：{self.name}，age：{self.age}，tel：{self.tel}"

stu = Student("小白",21,"13256666666")

# 打印输出
print(stu)
print(str(stu))

定义了魔术方法__str__后打印对象时就不再输出对象的内存地址 ：

4.2，是否小于：__lt__

直接对两个对象进行比较大小是不可以的，但是在类中定义__lt__方法，即可同时完成：小于符号和大于符号两种比较。

案例演示：

python 复制代码 
class Student:
    def __init__(self, name, age, tel):
        self.name = name   # 表示内部的name属性等于外部传入的name
        self.age = age
        self.tel = tel

    # __str__魔术方法
    def __str__(self):
        return f"Student类对象，name：{self.name}，age：{self.age}，tel：{self.tel}"

    # __lt__魔术方法，other表示另外一个需要比较的类的对象
    def __lt__(self, other):
        return f"是否小于：{self.age < other.age}"   # 返回一个布尔值

stu1 = Student("小白",21,"13256666666")
stu2 = Student("小青",20,"13256666666")
stu3 = Student("小黄",20,"13256666666")

# 是否小于
print(stu1 < stu2)  
print(stu1 > stu2)

运行结果：

注意：如果不定义__str__，直接两个对象比较会报错。

4.3，是否小于等于：__le__

在类中定义__le__方法即可同时完成：小于等于符号和大于等于符号两种比较。

案例演示：

python 复制代码 
class Student:
    def __init__(self, name, age, tel):
        self.name = name   # 表示内部的name属性等于外部传入的name
        self.age = age
        self.tel = tel

    # __str__魔术方法
    def __str__(self):
        return f"Student类对象，name：{self.name}，age：{self.age}，tel：{self.tel}"

    # __lt__魔术方法，other表示另外一个需要比较的类的对象
    def __lt__(self, other):
        return f"是否小于：{self.age < other.age}"   # 返回一个布尔值

    # __le__魔术方法：是否小于等于
    def __le__(self, other):
        return f"是否小于等于：{self.age <= other.age}"

    # __eq__魔术方法：比较是否等于
    def __eq__(self, other):
        return f"是否等于：{self.age == other.age}"
stu1 = Student("小白",21,"13256666666")
stu2 = Student("小青",20,"13256666666")
stu3 = Student("小黄",20,"13256666666")

# 是否小于
print(stu1 < stu2)  # False
print(stu1 > stu2)  # True

# 是否小于等于
print(stu2 <= stu3)
print(stu2 >= stu3)

运行结果如下：

4.4，是否相等：__eq__

如果再类定义的时候没有定义__eq__方法，使用"=="比较的话比较的是内存地址。

python 复制代码 
class Student:
    def __init__(self, name, age, tel):
        self.name = name   # 表示内部的name属性等于外部传入的name
        self.age = age
        self.tel = tel

    # __str__魔术方法
    def __str__(self):
        return f"Student类对象，name：{self.name}，age：{self.age}，tel：{self.tel}"

    # __lt__魔术方法，other表示另外一个需要比较的类的对象
    def __lt__(self, other):
        return f"是否小于：{self.age < other.age}"   # 返回一个布尔值

    # __le__魔术方法：是否小于等于
    def __le__(self, other):
        return f"是否小于等于：{self.age <= other.age}"
    
stu1 = Student("小黄",20,"13256666666")
stu2 = Student("小黄",20,"13256666666")

# 是否相等
print(stu1 == stu2)

运行结果如下：

如果类定义的时候定义了__eq__方法，就可以按照__eq__方法定义的比较规则实现比较对象存储的内容。

python 复制代码 
class Student:
    def __init__(self, name, age, tel):
        self.name = name   # 表示内部的name属性等于外部传入的name
        self.age = age
        self.tel = tel

    # __str__魔术方法
    def __str__(self):
        return f"Student类对象，name：{self.name}，age：{self.age}，tel：{self.tel}"

    # __lt__魔术方法，other表示另外一个需要比较的类的对象
    def __lt__(self, other):
        return f"是否小于：{self.age < other.age}"   # 返回一个布尔值

    # __le__魔术方法：是否小于等于
    def __le__(self, other):
        return f"是否小于等于：{self.age <= other.age}"

    # __eq__魔术方法：比较是否等于
    def __eq__(self, other):
        return f"年龄是否等于：{self.age == other.age}"

stu1 = Student("小黄",20,"13256666666")
stu2 = Student("小黄",20,"13256666666")

# 是否相等
print(stu1 == stu2)

运行结果如下：

5，面向对象的特性：封装

在日常生活中，当消费者使用手机、电视、洗衣机的时候，只需知道如何使用，而不必知晓其内部工作原理。此即为封装思想的体现：

在类中提供仅供内部使用的属性和方法，而不对外开放。

类中通过私有成员的形式来实现属性和行为的封装：

  • 私有成员变量：变量以__开头（两个下划线）
  • 私有成员方法：方法名以__开头（两个下划线）
  • 类对象无法访问私有成员
  • 私有成员可以被类内部的其他成员使用

代码示例一：

python 复制代码 
class Phone:
    __current_voltage = None  # 当前手机运行电压

    def __keep_single_core(self):  # 表示使cpu单核运行
        print("让CPU以单核模式运行")

phone = Phone()
phone.__keep_single_core()   # 报错
print(phone.__current_voltage)  # 报错

运行结果如下：（类对象无法访问私有成员 ）

代码示例二：私有成员可以被类内部的其他成员使用

python 复制代码 
class Phone:
    __current_voltage = 1  # 当前手机运行电压

    def __keep_single_core(self):  # 表示使cpu单核运行
        print("让CPU以单核模式运行")

    def call_by_5g(self):    # 电压大于1可以进行5g通话
        if self.__current_voltage >= 1:
            print("5g通话已开启")
        else:
            # 调用私有成员方法
            self.__keep_single_core()
            print("电压不足，无法使用5g童话，CPU已转为单核")

phone = Phone()
phone.call_by_5g()

运行结果如下：

6，面向对象的特性：继承

为了促进了代码的复用和模块化，我们引入继承，通过继承一个基类，子类可以继承基类的所有特性，同时还可以添加新的特性或者覆盖基类中的方法。

6.1，继承的基础语法

继承语法：

bash 复制代码 
class 类名(父类名):
	类内容体
  • Python中继承可以分为单继承和多继承
  • 多继承的多个父类中，如果有同名的成员，默认继承顺序以从左到右为优先级
  • 可以使用pass关键字做填充，补全语法

代码示例一 ：单继承

演示一个手机类和新手机类之间的继承关系：

python 复制代码 
# 手机类
class Phone:
    seriesID = None
    producer = "phone"

    def call_by_4g(self):
        print("4g通话")
        
# 新手机类单继承父类（手机类）
class phone2024(Phone):
    # 面部识别ID（新属性）
    face_id = "10001"

    # 5g通话（新方法）
    def call_by_5g(self):
        print("5g童话")

phone = phone2024()

# 打印父类中定义过子类中没有定义的属性
print(f"phone.producer：{phone.producer}")
# 调用父类中定义过子类中没有定义的方法
phone.call_by_4g()
# 调用子类中新定义的方法
phone.call_by_5g()

运行结果如下 ：

代码示例二：多继承

某些手机比如小米手机可以实现手机、NFC读卡器和红外遥控器...等功能。

因此我们可以定义一个小米手机类去继承手机类、NFC读卡器类和红外遥控器类。

python 复制代码 
# 手机类
class Phone:
    seriesID = None
    producer = "phone"
    def call_by_4g(self):
        print("4g通话")

# NFC读卡器类
class NFCReader:
    nfc_type = "第五代"
    producer = "NFCReader"
    def read_card(self):
        print("NFC读卡")
    def write_card(self):
        print("NFC写卡")

# 红外遥控类
class RemoteControl:
    rc_type = "红外遥控"
    def control(self):
        print("红外遥控开启了")

# 多继承
class XiaomiPhone(Phone, RemoteControl,NFCReader):
    # pass关键字用于不全语法。（不想添加语句，又要避免语法错误）
    pass

phone = XiaomiPhone()
# 4g通话
phone.call_by_4g()
# NFC写卡
phone.write_card()
# 红外遥控
phone.control()

# 父类Phone和父类NFCReader里都有producter，但此处打印输出的是Phone中的producter
# 因为多继承的多个父类中，如果有同名的成员，默认继承顺序以从左到右为优先级
print(phone.producer)

运行结果如下：

6.2，复写父类成员

子类继承父类的成员属性和成员方法后，如果对其"不满意"，那么可以进行复写 。（即：在子类中重新定义同名的属性或方法即可。）

代码示例如下：

python 复制代码 
# 手机类
class Phone:
    seriesID = None
    producer = "phone"
    def call_by_5g(self):
        print("5g通话")

# 定义子类，复写父类成员
class MyPhone(Phone):
    # 复写父类的成员属性
    producer = "iphone"

    # 复写父类的成员方法
    def call_by_5g(self):
        print("*****开始******")
        print("使用5g网络进行通话")
        print("*****结束*****")

phone = MyPhone()
phone.call_by_5g()

print(phone.producer)

运行结果如下：

6.3，调用父类成员

一旦复写父类成员，类对象调用成员的时候就会调用复写后的新成员，如果需要使用被复写的父类的成员，需要特殊的调用方式。

语法1：

bash 复制代码 
# 使用成员变量
父类名.成员变量

# 使用成员方法
父类名.成员方法(self)

语法2：

bash 复制代码 
# 使用成员变量
super().成员变量

# 使用成员方法
super().成员方法

代码示例一：（语法1）

python 复制代码 
# 手机类
class Phone:
    seriesID = None
    producer = "phone"
    def call_by_5g(self):
        print("父类方法：5g通话")

# 定义子类，复写父类成员
class MyPhone(Phone):
    # 复写父类的成员属性
    producer = "iphone"

    # 复写父类的成员方法
    def call_by_5g(self):
        print("*****开始******")
        print(f"父类的厂商是：{Phone.producer}")  # 调用父类成员属性
        Phone.call_by_5g(self)   # 调用父类成员方法
        print("*****结束*****")

phone = MyPhone()

# 调用父类成员
print(f"打印父类producer：{Phone.producer}")
phone.call_by_5g()

运行结果如下：

代码示例二：（语法2）

python 复制代码 
# 手机类
class Phone:
    seriesID = None
    producer = "phone"
    def call_by_5g(self):
        print("父类方法：5g通话")

# 定义子类，复写父类成员
class MyPhone(Phone):
    # 复写父类的成员属性
    producer = "iphone"

    # 复写父类的成员方法
    def call_by_5g(self):
        print("*****开始******")
        print(f"父类的厂商是：{super().producer}")  # 调用父类成员属性
        super().call_by_5g()   # 调用父类成员方法（无需传入self）
        print("*****结束*****")

phone = MyPhone()

# 调用父类成员
phone.call_by_5g()

运行结果如下：

7，Python类型注解

一般，无法直接看出变量类型的时候会添加变量的类型注解。

类型注解是在代码中涉及数据交互的地方提供数据类型的显式说明。

在Pycharm中编写代码，经常会对可用的方法给出提示，这就是类型注解。如下图所示：

类型注解的主要功能在于：

  • 帮助第三方IDE工具（如Pycharm）对代码进行类型推断，协助做代码提示
  • 帮助开发者对变量进行类型注释，可以理解为一种备注
  • 类型注解支持：变量的类型注解、方法的类型注解和返回值的类型注解
  • 需要注意的是，类型注解仅仅是提示性的，而不是决定性的，类型注解和实际代码不同不会报错

7.1，变量的类型注解

类型注解语法一：变量:类型

类型注解语法二：通过注释进行类型注解：# type:类型

案例演示：（类型注解语法一 ）

python 复制代码 
# 基础数据类型注解（实际开发中一般无需注解，因为可以看出数据的类型）
var_1:int = 10
var_2:float = 3.1415
var_3:bool = True
var_4:str = "HELLO"

# 类对象类型注解
class Student:
    # pass关键字用于补全语法
    pass

# stu对象是Student类型
stu: Student = Student()

# 容器类型注解
my_list:list = [1,2,3]
my_tuple: tuple = (1,2,3)
my_set: set = {1,2,3}
my_dict:dict = {"1":"hello"}
my_str:str = "HELLO"
# 容器类型详细注解（Python3.9以上支持）
my_list2: list[int] = [1,2,3]
my_tuple2: tuple[int, str, bool] = (1,"Hi",True)
my_dict2: dict[str,int] = {"IT":666}

案例演示：（类型注解语法二）

python 复制代码 
import json
import random

# 在注释中进行变量类型注解
var_1 = random.randint(1,10)    # type:int
# json.loads()可用于将JSON 格式的字符串转换为字典
var_2 = json.loads('{"name":"Alice"}')  # type:dict[str,str]
print(var_2)
def func():
    return 10

# 标明var_3是int类型
var_3 = func() # type:int

7.2，方法的类型注解

为方法做类型注解，可以分为：为方法形参进行类型注解和为方法返回值进行类型注解。

方法形参类型注解语法：

bash 复制代码 
def 函数方法名(形参名:类型，形参名:类型......):
	pass

代码示例如下：

返回值的类型注解语法：

bash 复制代码 
def 函数方法名(形参:类型,......,形参:类型) ->返回值类型:
	pass

代码示例如下：

python 复制代码 
"""
演示对返回值进行类型注解
"""
def func(data:list) -> list:   # 此处标注方法返回值为list类型
    return data

print(func([1,2,3,4,5]))    # 运行结果：[1, 2, 3, 4, 5]

7.3，Union联合类型注解

在某些情形下，使用普通类型注解可以很好的描述数据。示例如下：

python 复制代码 
# 如下数据，类型注解可以很好的描述
my_list:list[int] = [1,2,3]
my_dict:dict[str, int] = {"age":11,"num":3}

但某些数据，使用普通类型注解无法很好的描述，示例如下 ：（各种数据类型混合在一起 ）

python 复制代码 
myList = [1,2,"Hello","World"]
myDict2 = {"name":"小黄","age":11}

对于各种数据类型混装到一起的数据，就可以使用Union联合类型注解。使用Union数据类型必须先导包。

导包： from typing import Union
Union联合类型注解语法： Union[类型,...,类型]

代码示例如下：

python 复制代码 
# 导包
from typing import Union

# 变量的Union联合类型注解
# myList内部str和int型的数据都可以
myList:list[Union[str, int]] = [1,2,"Hello","World"]
# myDict内部的key值是str类型，value值是str或int类型都可以
myDict:dict[str, Union[str, int]] = {"name":"小黄","age":11}

# 方法中使用Union联合类型注解
# 传入的参数data可以是字符串也可以是数字；返回值可以是int也可以是str
def func(data:Union[int,str]) -> Union[int,str]:
    # 函数体为空，使用pass关键字补全语法
    pass

我们在调用func函数的时候，在Pycharm中使用快捷键ctrl+P就可以看到参数类型的要求，如下图所示：

8，面向对象的特性：多态

多态是指多种状态 。即完成某个行为（函数）时，使用不同的对象会得到不同的状态。

多态常作用于继承关系上。比如：

  • 定义方法时通过类型注解声明接受父类对象，实际传入子类对象进行工作
  • 即以父类做定义声明，以子类做实际工作，用以获得同一行为的不同状态

案例演示：

python 复制代码 
"""
演示面向对象的多态性
"""

class Animal:
    # 定义一个方法
    def speak(self):
        pass

class Dog(Animal):
    # 复写父类方法
    def speak(self):
        print("汪汪汪")

class Cat(Animal):
    def speak(self):
        print("喵喵喵")

# 制造点噪音，需要传入Animal对象
def make_noise(animal:Animal):
    animal.speak()

# 演示多态，使用2个不同的子类对象来调用函数，获得不同的状态
dog = Dog()
cat = Cat()
make_noise(dog)
make_noise(cat)

运行结果如下：

简而言之，对象的多态性即：父类的引用指向子类的对象。

抽象类和抽象方法

抽象方法： 方法体是空实现的（pass）称之为抽象方法。如上面代码中的Animal中的speak方法
抽象类： 含有抽象方法的类即为抽象类。如上面代码中的Animal类

  • 抽象类用于做顶层设计，就好比定义一个标准，其中包含了一些抽象方法（未实现的方法）
  • 抽象类的子类必须复写或实现父类所有的抽象方法，否则它们自己也会被视为抽象类

案例演示：

python 复制代码 
# 定义一个空调的抽象类（相当于制定标准）
class AC:
    def cool_wind(self):
        """制冷"""
        pass

    def hot_wind(self):
        """制热"""
        pass
    def swing_wind(self):
        """摆风"""
        pass


# 定义一个美的空调子类，作为空调抽象类AC的子类
class Media_AC(AC):
    # 子类需要复写抽象父类中的方法
    def cool_wind(self):
        print("美的空调制冷")

    def hot_wind(self):
        print("美的空调制热")

    def swing_wind(self):
        print("美的空调摆风")


# 定义一个格力空调子类，作为空调抽象类AC的子类
class Gree_AC(AC):
    # 子类需要复写抽象父类中的方法
    def cool_wind(self):
        print("格力空调制冷")

    def hot_wind(self):
        print("格力空调制热")

    def swing_wind(self):
        print("格力空调摆风")

# 制造冷风
def make_cool(ac:AC):  # 需要传入的参数为AC空调对象
    ac.cool_wind()


# 创建类对象
media_ac = Media_AC()
gree_ac = Gree_AC()
# 传入子类对象，调用make_cool函数，演示多态
make_cool(media_ac)
make_cool(gree_ac)

运行结果如下：

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