第8章 面向对象之类和对象
8.1 面向过程和面向对象
面向过程编程（Procedural Programming）和面向对象编程（OOP）是两种不同的编程范式，它们在软件开发中都有广泛的应用。
Python 是一种混合型的语言，既支持面向过程的编程，也支持面向对象的编程。
- 面向过程的编程是一种以过程为中心的编程方式，主要关注解决问题的步骤，并将这些步骤写成函数或方法。
- 面向对象的编程是一种以对象为中心的编程方式，主要关注在解决问题的过程中涉及哪些对象以及这些对象如何交互。
1）面向过程举例
想象一下，你要做一顿美味的晚餐。在面向过程编程的思维下，你会把整个做饭的过程拆分成一系列的步骤。
def buy():
print("去超市购买食材。")
def wash():
print("清洗蔬菜。")
def cut():
print("切菜。")
def cook():
print("开始烹饪。")
def serve():
print("上菜啦！")
buy()
wash()
cut()
cook()
serve()
上面就是一个典型的面向过程的程序，我们把整个做饭的过程分解成了一个个函数，每个函数完成一个特定的任务，然后按照顺序依次调用这些函数，就可以完成做晚餐的任务啦。
这种方式非常直接，适合一些简单的任务，它注重的是程序的流程和步骤。但是当我们的程序变得越来越复杂，代码就会变得越来越长、越来越乱，而且上面的代码步骤是没有通用性的。
2）面向对象举例（先感受）
用面向对象的思想实现上面的做菜功能：
class Dish:
def __init__(self, name):
self.name = name
def prepare(self):
pass
class Salad(Dish):
def prepare(self):
print(f"为 {self.name} 购买食材。")
print(f"清洗 {self.name} 的蔬菜。")
print(f"切 {self.name} 的蔬菜。")
class Stew(Dish):
def prepare(self):
print(f"为 {self.name} 购买食材。")
print(f"切 {self.name} 的肉。")
print(f"烹饪 {self.name}。")
class Soup(Dish):
def prepare(self):
print(f"为 {self.name} 购买食材。")
print(f"煮 {self.name}。")
salad = Salad("蔬菜沙拉")
stew = Stew("炖肉")
soup = Soup("西红柿鸡蛋汤")
salad.prepare()
stew.prepare()
soup.prepare()
在这里，我们创建了一个 Dish 类，它就像是一个菜的模板。然后我们创建了 Salad、Stew 和 Soup 这些子类，它们都继承自 Dish 类。每个子类都有自己的 prepare 方法，这个方法描述了如何准备这道菜。
面向对象编程的优势：
- 把相关的数据（比如菜的名字）和操作（比如准备菜的过程）都封装在了一个类里面，这叫做"封装"。
- 不同类型的菜可以有自己独特的准备方法，我们可以根据需要去修改或扩展这些方法，而不会影响其他类。
- 当我们想要添加新的菜品时，我们只需要创建一个新的子类，定义它自己的
prepare方法就好，不需要修改原来的代码。
3）面向对象历史
对象作为编程实体最早是于1960年代由 Simula 67 语言引入思维。Simula 这一语言是奥利-约翰·达尔和克利斯登·奈加特在奥斯陆的挪威计算中心为模拟环境而设计的。他们将不同的类型船只归纳为不同的类，而每一个对象，基于它的类，可以定义它自己的属性和行为。Simula 不仅引入了"类"的概念，还应用了实例这一思想，这可能是这些概念的最早应用。
8.2 类和对象
8.2.1 类（Class）
类描述了所创建的对象共同的属性（是什么）和方法（能做什么），属性和方法统称为类的成员。
- 类是对大量对象共性的抽象
- 类是创建对象的模板
- 类是客观事物在人脑中的主观反映
8.2.2 对象（Object）
- 在自然界中，只要是客观存在的事物都是对象
- 类是抽象的，对象是类的实例（Instance），是具体的
- 一个对象有自己的状态（属性）、行为（方法）和唯一的标识（本质上指内存中所创建的对象的地址）
8.3 定义类
1）语法
class 类名:
"""类说明文档"""
类体
类名一般使用大驼峰命名法。
类体中可以包含类属性（也叫类变量）、方法、实例属性（也叫实例变量）等。
2）案例
定义一个人的类，包含 __init__() 方法、eat() 方法和 drink() 方法。
class Person:
"""人的类"""
home = "earth"
def __init__(self):
self.age = 0
def eat(self):
print("eating...")
def drink(self):
print("drinking...")
8.4 类的操作
类支持两种操作：成员引用和实例化。
1）成员引用
（1）语法
类名.成员名
（2）案例
class Person:
"""人的类"""
home = "earth"
def __init__(self):
self.age = 0
def eat(self):
print("eating...")
def drink(self):
print("drinking...")
home = Person.home # 获取一个字符串
eat_function = Person.eat # 获取一个函数对象
doc = Person.__doc__ # 获取类的说明文档
print(home) # earth
print(eat_function) # <function Person.eat at 0x00000232C8230F40>
print(doc) # 人的类
2）实例化
（1）语法
变量名 = 类名()
（2）案例
class Person:
"""人的类"""
home = "earth"
def __init__(self):
self.age = 0
def eat(self):
print("eating...")
def drink(self):
print("drinking...")
p = Person() # 创建一个对象
print(p.home) # earth
print(p.age) # 0
p.eat() # eating...
p.drink() # drinking...
8.5 __init__() 方法
__init__() 是一个特殊的方法，也被称作构造函数。__init__() 方法的主要作用是在创建类的对象时，对对象的属性进行初始化。当你使用类名创建一个新的对象时，Python 会自动调用 __init__() 方法，并将新创建的对象作为第一个参数（通常命名为 self）传递给它。
注意：
self：这是一个约定俗成的参数名，它代表类的实例对象本身。在方法内部，通过self可以访问和修改对象的属性。__init__()方法不是必需的。如果类中没有定义__init__()方法，Python 会使用默认的构造函数，该构造函数不执行任何操作。__init__()方法只能返回None，不能返回其他值。如果尝试返回其他值，会引发TypeError异常。
class Person:
"""人的类"""
home = "earth"
def __init__(self, name):
self.name = name
p = Person("张三") # 创建一个对象
print(p.name) # 张三
8.6 self
8.6.1 self 作为实例传参
self 代表类的实例自身。调用实例方法时，实例对象会作为第一个参数被传入。因此，我们调用 p.eat() 时就相当于调用了 Person.eat(p)。
class Person:
"""人的类"""
home = "earth"
def __init__(self, name):
self.name = name
def eat(self):
print("eating...")
def drink(self):
print("drinking...")
p = Person("张三") # 创建一个对象
p.eat() # eating...
Person.eat(p) # eating...
8.6.2 通过 self 在类中调用类的实例属性和实例方法
class Person:
"""人的类"""
home = "earth"
def __init__(self, name):
self.name = name
def eat(self):
print("eating...")
def drink(self):
print("drinking...")
def eat_and_drink(self):
print(self.name) # 在类中调用name
self.eat() # 在类中调用eat()方法
self.drink() # 在类中调用drink()方法
p = Person("张三") # 创建一个对象
p.eat_and_drink()
8.7 属性
8.7.1 类属性
也叫类变量。在类中方法外定义的属性。
1）通过 类名.属性名 或 实例名.属性名 访问
class Person:
"""人的类"""
home = "earth" # 定义类属性
print(Person.home) # 通过类名访问类属性
p1 = Person() # 创建一个实例对象
print(p1.home) # 通过实例名访问类属性，(如果实例没有覆盖这个类属性的值)
2）通过 类名.属性名 添加与修改类属性
class Person:
"""人的类"""
Person.home = "earth" # 添加类属性
print(Person.home) # earth
Person.home = "mars" # 修改类属性
print(Person.home) # mars
若使用 实例名.属性名 则会创建或修改实例属性，因此不建议类属性和实例属性同名。
class Person:
"""人的类"""
home = "earth"
p1 = Person()
p2 = Person()
print(Person.home) # earth
print(p1.home) # earth
print(p2.home) # earth
print("通过 类名.属性名 修改 类属性")
Person.home = "mars"
print(Person.home) # mars
print(p1.home) # mars
print(p2.home) # mars
print("通过 实例名.属性名 会创建 实例属性")
p1.home = "venus"
print(Person.home) # mars
print(p1.home) # venus
print(p2.home) # mars
3）所有该类的实例共享同一个类属性
class Person:
"""人的类"""
home = "earth" # 定义类属性，所有实例共享
p1 = Person() # 创建一个实例对象
p2 = Person() # 创建另一个实例对象
print(p1.home) # earth
print(p2.home) # earth
Person.home = "mars" # 修改类属性
print(p1.home) # mars
print(p2.home) # mars
8.7.2 实例属性
也叫实例变量。在类 __init__ 方法中定义的属性。通过 self.属性名 定义。
1）通过 实例名.属性名 访问
class Person:
"""人的类"""
def __init__(self, name, age):
self.name = name # 定义实例属性
self.age = age # 定义实例属性
p1 = Person("张三", 18) # 创建一个实例对象
print(p1.name, p1.age) # 张三 18
p2 = Person("李四", 81) # 创建一个实例对象
print(p2.name, p2.age) # 李四 81
print(Person.name) # 报错
2）通过 实例名.属性名 添加与修改实例属性
class Person:
"""人的类"""
pass
p1 = Person() # 创建一个实例对象
p1.name = "张三" # 添加实例属性
p1.age = 18 # 添加实例属性
print(p1.name, p1.age) # 张三 18
p1.age = 25 # 修改实例属性
print(p1.name, p1.age) # 张三 25
3）每个实例独有一份实例属性
class Person:
"""人的类"""
def __init__(self, name):
self.name = name # 定义实例属性
self.age = 0 # 定义实例属性
p1 = Person("张三") # 创建一个实例对象
print(p1.name, p1.age) # 张三 0
p1.age = 18 # 修改p1的age属性
print(p1.name, p1.age) # 张三 18
p2 = Person("李四") # 创建另一个实例对象
print(p2.name, p2.age) # 李四 0
8.8 方法
Python 的类中有三种方法：实例方法、静态方法、类方法。
8.8.1 实例方法
- 实例方法在类中定义，第一个参数为
self，代表实例本身。- 实例方法只能被实例对象调用。
- 可以访问实例属性、类属性、类方法。
class Person:
"""人的类"""
home = "earth"
def __init__(self, name):
self.name = name
def instance_method(self):
print(self.name, self.home, Person.home)
p = Person("张三")
p.instance_method() # 张三 earth earth，此时p中没有home实例属性，会去查找home类属性
Person.home = "venus" # 修改类属性
p.home = "mars" # 定义实例属性
p.instance_method() # 张三 mars venus
8.8.2 类方法
- 类方法在类中通过
@classmethod定义，第一个参数为cls，代表类本身。- 类方法可以被类和实例对象调用。
- 可以访问类属性。
- 在不创建实例的情况下调用，通过类名直接调用，非常方便，适合一些和类整体相关的操作。
class Person:
"""人的类"""
home = "earth" # 定义类属性
@classmethod
def class_method(cls):
print(cls.home)
Person.class_method() # 通过类调用类方法
p1 = Person() # 创建一个实例对象
p1.class_method() # 通过实例对象调用类方法
8.8.3 静态方法
- 静态方法在类中通过
@staticmethod定义- 不访问实例属性或类属性，只依赖于传入的参数
- 可以通过类名或实例调用，但它不会访问类或实例的内部信息，更像是一个工具函数，只是为了方便组织代码，把它放在了类里面。
class Person:
"""人的类"""
home = "earth" # 定义类属性
@staticmethod
def static_method():
print("static method")
Person.static_method() # 通过类调用静态方法
p1 = Person() # 创建一个实例对象
p1.static_method() # 通过实例对象调用静态方法
8.8.4 在类外定义方法
并非必须在类定义中进行方法定义，也可以将一个函数对象赋值给一个类内局部变量。
# 在类外定义的函数
def f1(self, x, y):
print(x & y)
class C:
f = f1
C().f(6, 13) # 4
8.8.5 特殊方法
方法名中有两个前缀下划线和两个后缀下划线的方法为特殊方法，也叫魔法方法。上文提到的 __init__() 就是一个特殊方法。这些方法会在进行特定的操作时自动被调用。
几个常见的特殊方法：
__new__()：对象实例化时第一个调用的方法。__init__()：类的初始化方法。__del__()：对象的销毁器，定义了当对象被垃圾回收时的行为。使用del xxx时不会主动调用__del__()，除非此时引用计数==0。__str__()：定义了对类的实例调用str()时的行为。__repr__()：定义对类的实例调用repr()时的行为。str()和repr()最主要的差别在于目标用户。repr()的作用是产生机器可读的输出（大部分情况下，其输出可以作为有效的 Python 代码），而str()则产生人类可读的输出。__getattribute__()：属性访问拦截器，定义了属性被访问前的操作。
8.9 动态添加属性与方法
8.9.1 动态给对象添加属性
class Person:
def __init__(self, name=None):
self.name = name
p = Person("张三")
print(p.name) # 张三
p.age = 18
print(p.age) # 18
8.9.2 动态给类添加属性
class Person:
def __init__(self, name=None):
self.name = name
p = Person("张三")
print(p.name) # 张三
Person.age = 0
print(p.age) # 0
8.9.3 动态给实例添加方法
1）添加普通方法
class Person:
def __init__(self, name=None):
self.name = name
def eat():
print("吃饭")
p = Person("张三")
p.eat = eat
p.eat() # 吃饭
2）添加实例方法
给对象添加的实例方法只绑定在当前对象上，不对其他对象生效，而且需要传入 self 参数。需要使用 types.MethodType(方法名, 实例对象) 来添加实例方法。
import types
class Person:
def __init__(self, name=None):
self.name = name
def eat(self):
print(f"{self.name}在吃饭")
p = Person("张三")
p.eat = types.MethodType(eat, p)
p.eat() # 张三在吃饭
8.9.4 动态给类添加方法
给类添加的方法对它的所有对象都生效，添加类方法需要传入 cls 参数，添加静态方法则不需要。
class Person:
home = "earth"
def __init__(self, name=None):
self.name = name
# 定义类方法
@classmethod
def come_from(cls):
print(f"来自{cls.home}")
# 定义静态方法
@staticmethod
def static_function():
print("static function")
Person.come_from = come_from
Person.come_from() # 来自earth
Person.static_function = static_function
Person.static_function() # static function
8.9.5 动态删除属性与方法
del 对象.属性名delattr(对象, 属性名)
8.9.6 __slots__ 限制实例属性与实例方法
Python 允许在定义类的时候，定义一个特殊的 __slots__ 变量，来限制该类的实例能添加的属性。使用 __slots__ 可以限制添加实例属性和实例方法，但类属性、类方法和静态方法还可以添加。__slots__ 仅对当前类生效，对其子类无效。
import types
class Person:
__slots__ = ("name", "age", "eat")
def __init__(self, name=None):
self.name = name
def eat(self):
print(f"{self.name}在吃饭")
def drink(self):
print(f"{self.name}在喝水")
p = Person("张三")
# 添加实例属性
p.age = 10
print(p.age) # 10
# 添加实例方法
p.eat = types.MethodType(eat, p)
p.eat() # 张三在吃饭
# 添加实例属性（不在__slots__中）
p.weight = 100 # AttributeError: 'Person' object has no attribute 'weight'
# 添加实例方法（不在__slots__中）
p.drink = types.MethodType(drink, p) # AttributeError
