python面向对象编程详解

面向对象编程（OOP）是一种以对象为核心的编程范式。Python全面支持OOP，主要包含以下核心概念：

一、类与对象

1.类(Class)

类是创建对象的模板或蓝图，它定义了对象的属性和方法。

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class Dog:
    # 类属性（所有实例共享）
    species = "Canis familiaris"
    
    # 初始化方法（构造对象）
    def __init__(self, name, age):
        # 实例属性（每个对象独立）
        self.name = name
        self.age = age
    
    # 实例方法
    def bark(self):
        return f"{self.name} says Woof!"

2.对象（Object）

对象是类的实例，具有类定义的属性和方法。

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my_dog = Dog("Buddy", 3)
print(my_dog.bark())  # 输出: Buddy says Woof!

二、三大核心特性

1.封装（Encapsulation）

封装是将数据（属性）和操作数据的方法（行为）绑定在一起，并隐藏内部实现细节，只对外提供必要的接口。Python通过私有属性和私有方法实现封装。

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class BankAccount:
    def __init__(self, balance=0):
        self.__balance = balance  # 私有属性

    def deposit(self, amount):
        if amount > 0:
            self.__balance += amount
            return True
        return False

    def withdraw(self, amount):
        if 0 < amount <= self.__balance:
            self.__balance -= amount
            return True
        return False

    def get_balance(self):  # 提供获取余额的方法
        return self.__balance

account = BankAccount(100)
account.deposit(50)
print(account.get_balance())  # 输出: 150
# print(account.__balance)  # 报错，无法直接访问私有属性

2.继承（Inheritance）

继承允许一个类（子类）继承另一个类（父类）的属性和方法，实现代码的重用和扩展。

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class Animal:
    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def speak(self):
        raise NotImplementedError("Subclass must implement abstract method")

class Dog(Animal):
    def speak(self):
        return f"{self.name} says woof!"

class Cat(Animal):
    def speak(self):
        return f"{self.name} says meow!"

dog = Dog("Buddy")
cat = Cat("Whiskers")
print(dog.speak())  # 输出: Buddy says woof!
print(cat.speak())  # 输出: Whiskers says meow!

3.多态（Polymorphism）

多态是指同一个方法调用在不同对象上产生不同的行为。在Python中，多态通过继承和方法重写实现。

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# 继续使用上面的Animal、Dog和Cat类

def animal_sound(animal):
    print(animal.speak())

animals = [Dog("Buddy"), Cat("Whiskers")]
for animal in animals:
    animal_sound(animal)  # 分别输出: Buddy says woof! 和 Whiskers says meow!

三、类成员详解

类成员是面向对象编程的核心概念，Python中的类成员主要分为三类：属性、方法和特殊成员。下面详细解析各类成员的特性和用法：

1.属性（Attributes）

类型	定义方式	访问方式	特点	示例
实例属性	`self.attr = value`	`obj.attr`	每个对象独立	`self.name = "Alice"`
类属性	类内部直接定义	`Class.attr`	所有实例共享	`species = "Human"`
保护属性	`_attr`（单下划线前缀）	`obj._attr`	约定私有，可访问	`self._id = 123`
私有属性	`__attr`（双下划线前缀）	`obj._Class__attr`	名称修饰，强私有	`self.__password = "***"`

(1).类属性

类属性是属于类的，所有对象共享该属性。

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class Circle:
    # 类属性
    pi = 3.14159

    def __init__(self, radius):
        self.radius = radius

    def area(self):
        return Circle.pi * self.radius ** 2

circle1 = Circle(5)
circle2 = Circle(10)

print(circle1.area())  # 输出: 78.53975
print(circle2.area())  # 输出: 314.159

(2).实例属性

实例属性是属于对象的，每个对象可以有不同的属性值。

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class Dog:
    def __init__(self, name, breed):
        # 实例属性
        self.name = name
        self.breed = breed

dog1 = Dog("Buddy", "Golden Retriever")
dog2 = Dog("Max", "German Shepherd")

print(dog1.name)  # 输出: Buddy
print(dog2.breed) # 输出: German Shepherd

综合案例：

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class User:
    # 类属性（所有用户共享）
    platform = "WebApp"
    
    def __init__(self, name):
        # 实例属性（每个用户独立）
        self.name = name
        # 保护属性（约定私有）
        self._session_id = id(self)
        # 私有属性（强私有）
        self.__password = "default"

# 访问示例
u = User("Alice")
print(u.platform)        # 类属性 → "WebApp"
print(u.name)            # 实例属性 → "Alice"
print(u._session_id)     # 保护属性 → 123456
print(u.__password)      # 报错！AttributeError
print(u._User__password) # 私有属性 → "default"（不推荐）

2.方法（Methods）

类型	定义方式	调用方式	特点	参数要求
实例方法	`def method(self, ...):`	`obj.method()`	可访问实例/类属性	必须包含`self`
类方法	`@classmethod`	`Class.method()`	操作类属性，创建工厂方法	必须包含`cls`
静态方法	`@staticmethod`	`Class.method()`	功能独立，无状态依赖	无特殊参数

(1). 实例方法

实例方法是属于对象的方法，第一个参数通常是 self，用于引用对象本身。

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class Rectangle:
    def __init__(self, length, width):
        self.length = length
        self.width = width

    # 实例方法
    def area(self):
        return self.length * self.width

rect = Rectangle(5, 10)
print(rect.area())  # 输出: 50

(2).类方法

类方法是属于类的方法，使用 @classmethod 装饰器定义，第一个参数通常是 cls，用于引用类本身。

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class Pizza:
    def __init__(self, radius, ingredients):
        self.radius = radius
        self.ingredients = ingredients

    @classmethod
    def margherita(cls):
        return cls(12, ["tomato sauce", "mozzarella", "basil"])

    @classmethod
    def pepperoni(cls):
        return cls(14, ["tomato sauce", "mozzarella", "pepperoni"])

pizza1 = Pizza.margherita()
pizza2 = Pizza.pepperoni()

print(pizza1.ingredients)  # 输出: ['tomato sauce', 'mozzarella', 'basil']
print(pizza2.radius)       # 输出: 14

(3).静态方法

静态方法是属于类的方法，使用 @staticmethod 装饰器定义，不需要 self 或 cls 参数。

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class Math:
    @staticmethod
    def add(a, b):
        return a + b

result = Math.add(3, 5)
print(result)  # 输出: 8

综合案例:

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class Calculator:
    # 类属性
    PI = 3.14159
    
    # 实例方法
    def add(self, a, b):
        return a + b
    
    # 类方法
    @classmethod
    def circle_area(cls, radius):
        return cls.PI * radius ** 2
    
    # 静态方法
    @staticmethod
    def is_even(num):
        return num % 2 == 0

# 调用示例
calc = Calculator()
calc.add(2, 3)             # 实例方法 → 5
Calculator.circle_area(2)   # 类方法 → 12.56636
Calculator.is_even(7)       # 静态方法 → False

3.特殊成员（魔术方法）

魔术方法（Magic Methods）是 Python 面向对象编程的核心特性，它们以双下划线开头和结尾（如 __init__），用于定义类的特殊行为。这些方法会在特定操作发生时自动调用，让自定义类拥有类似内置类型的行为。

类别	常用方法	触发场景
对象生命周期	`__new__`, `__init__`, `__del__`	创建、初始化、销毁对象
字符串表示	`__str__`, `__repr__`, `__format__`	`print()`, `str()`, `format()`
运算符重载	`__add__`, `__sub__`, `__mul__`, `__eq__`, `__lt__` 等	`+`, `-`, `*`, `==`, `<` 等操作
容器行为	`__len__`, `__getitem__`, `__setitem__`, `__contains__`, `__iter__`	`len()`, `[]`, `in`, `for`循环
属性访问	`__getattr__`, `__getattribute__`, `__setattr__`, `__delattr__`	属性访问、设置、删除
可调用对象	`__call__`	`obj()` 函数式调用
上下文管理	`__enter__`, `__exit__`	`with` 语句
数值转换	`__int__`, `__float__`, `__bool__`	`int()`, `float()`, `bool()`

1. 对象生命周期方法

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class Lifecycle:
    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        print("创建对象（内存分配）")
        return super().__new__(cls)
    
    def __init__(self, name):
        print(f"初始化对象: {name}")
        self.name = name
    
    def __del__(self):
        print(f"销毁对象: {self.name}")

obj = Lifecycle("Test")  # 输出: 创建对象 → 初始化对象: Test
del obj                 # 输出: 销毁对象: Test

2. 字符串表示方法

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class Person:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age
    
    # 用户友好展示
    def __str__(self):
        return f"{self.name} ({self.age}岁)"
    
    # 开发者调试/重建对象
    def __repr__(self):
        return f"Person('{self.name}', {self.age})"
    
    # 格式化输出
    def __format__(self, format_spec):
        if format_spec == 'short':
            return self.name[0].upper()
        return str(self)

p = Person("张三", 30)
print(str(p))    # 张三 (30岁)
print(repr(p))   # Person('张三', 30)
print(f"{p:short}")  # 张

其他不在一一展示

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class Vector2D:
    def __init__(self, x, y):
        self.x = x
        self.y = y
    
    # 字符串表示（用户友好）
    def __str__(self):
        return f"({self.x}, {self.y})"
    
    # 运算符重载（向量加法）
    def __add__(self, other):
        return Vector2D(self.x + other.x, self.y + other.y)
    
    # 长度定义（模长）
    def __len__(self):
        return int((self.x**2 + self.y**2)**0.5)

v1 = Vector2D(3, 4)
v2 = Vector2D(1, 2)
print(v1)          # 触发__str__ → (3, 4)
print(v1 + v2)     # 触发__add__ → (4, 6)
print(len(v1))     # 触发__len__ → 5

四、高级特性

1.属性访问控制

@property装饰器实现属性保护

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class Temperature:
    def __init__(self, celsius):
        self._celsius = celsius  # 保护属性
    
    @property
    def celsius(self):  # Getter
        return self._celsius
    
    @celsius.setter
    def celsius(self, value):
        if value < -273.15:
            raise ValueError("Too cold")
        self._celsius = value

2.抽象基类（ABC）

定义接口规范

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from abc import ABC, abstractmethod

class Animal(ABC):
    @abstractmethod
    def speak(self):
        pass

class Cat(Animal):
    def speak(self):  # 必须实现抽象方法
        return "Meow"