大志说编程

主题

07 类与面向对象 ​

面向对象编程使用类组织数据和行为。Python 的类机制支持实例变量、类变量、继承、多重继承、名称改写、迭代器和生成器等特性。

一、定义类 ​

1.1 基本语法 ​

python
>>> class MyClass:
...     """一个简单的类"""
...     i = 12345       # 类变量
...
...     def f(self):    # 方法
...         return 'hello world'
...
>>> x = MyClass()
>>> x.f()
'hello world'

self表示实例本身。通过实例调用方法时，self会由 Python 自动传入。

1.2 __init__构造方法 ​

python
>>> class Complex:
...     def __init__(self, realpart, imagpart):
...         self.r = realpart   # 实例变量
...         self.i = imagpart
...
>>> x = Complex(3.0, -4.5)
>>> x.r
3.0
>>> x.i
-4.5

1.3 实例变量和类变量 ​

python
>>> class Dog:
...     kind = 'canine'         # 类变量，所有实例共享
...
...     def __init__(self, name):
...         self.name = name    # 实例变量，每个实例独立
...
>>> d = Dog('Fido')
>>> e = Dog('Buddy')
>>> d.kind
'canine'
>>> d.name
'Fido'
>>> d.kind is e.kind
True

类变量由所有实例共享，实例变量属于单个实例。将列表、字典等可变对象作为类变量时需要注意共享状态：

python
>>> class Dog:
...     tricks = []             # 错误！所有实例共享同一个列表
...
...     def __init__(self, name):
...         self.name = name
...
...     def add_trick(self, trick):
...         self.tricks.append(trick)

可变对象通常应在__init__中初始化：

python
>>> class Dog:
...     def __init__(self, name):
...         self.name = name
...         self.tricks = []    # 每个实例独立的列表
...
...     def add_trick(self, trick):
...         self.tricks.append(trick)

二、继承 ​

2.1 基本继承 ​

python
>>> class Animal:
...     def speak(self):
...         return "..."
...
... class Dog(Animal):
...     def speak(self):
...         return "汪汪"
...
>>> d = Dog()
>>> d.speak()
'汪汪'

2.2 isinstance()和issubclass() ​

python
>>> isinstance(d, Dog)
True
>>> isinstance(d, Animal)
True
>>> issubclass(Dog, Animal)
True

2.3 多重继承 ​

python
>>> class A:
...     def hello(self):
...         print("A")
...
>>> class B(A):
...     def hello(self):
...         print("B")
...
>>> class C(A):
...     def hello(self):
...         print("C")
...
>>> class D(B, C):
...     pass
...
>>> d = D()
>>> d.hello()
B

Python 使用 C3 线性化算法解析多重继承顺序，可以通过D.__mro__查看方法解析顺序。

三、私有变量 ​

3.1 约定和名称改写 ​

python
>>> class Mapping:
...     def __init__(self, iterable):
...         self.items_list = []
...         self.__update(iterable)
...
...     def update(self, iterable):
...         for item in iterable:
...             self.items_list.append(item)
...
...     __update = update   # 私有副本
...
>>> class MappingSubclass(Mapping):
...     def update(self, keys, values):
...         # 不会覆盖__update
...         for item in zip(keys, values):
...             self.items_list.append(item)

__开头的名称会被改写为_类名__名称，用于降低与子类名称冲突的概率。这不是真正的私有机制，而是名称改写。

3.2 约定 ​

  • _开头：受保护约定，外部可以访问但不建议依赖
  • __开头：私有的，名称会被改写
  • 没有前缀：公开的

四、迭代器 ​

4.1 迭代协议 ​

python
>>> class Reverse:
...     def __init__(self, data):
...         self.data = data
...         self.index = len(data)
...
...     def __iter__(self):
...         return self
...
...     def __next__(self):
...         if self.index == 0:
...             raise StopIteration
...         self.index -= 1
...         return self.data[self.index]
...
>>> for char in Reverse('spam'):
...     print(char, end=' ')
...
m a p s

实现__iter__()和__next__()的对象就是迭代器。for循环会自动调用这两个方法。

4.2 StopIteration ​

__next__()在没有更多元素时抛出StopIteration，for循环会捕获该异常并结束循环。

五、生成器 ​

5.1 基本用法 ​

生成器是一种创建迭代器的简洁方式：

python
>>> def reverse(data):
...     for index in range(len(data) - 1, -1, -1):
...         yield data[index]
...
>>> for char in reverse('spam'):
...     print(char, end=' ')
...
m a p s

yield会使函数成为生成器函数。每次调用next()时，函数会执行到下一个yield位置并暂停。

5.2 生成器表达式 ​

python
>>> sum(i*i for i in range(10))         # 求平方和
285

>>> list(i*i for i in range(10))        # 转成列表
[0, 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81]

>>> unique_words = set(word for line in page for word in line.split())

生成器表达式使用圆括号，按需生成元素，不会一次性创建完整列表，因此更适合大数据量场景。

六、魔术方法 ​

6.1 常用魔术方法 ​

python
>>> class Vector:
...     def __init__(self, x, y):
...         self.x = x
...         self.y = y
...
...     def __repr__(self):
...         return f'Vector({self.x!r}, {self.y!r})'
...
...     def __abs__(self):
...         return (self.x ** 2 + self.y ** 2) ** 0.5
...
...     def __add__(self, other):
...         return Vector(self.x + other.x, self.y + other.y)
...
...     def __mul__(self, scalar):
...         return Vector(self.x * scalar, self.y * scalar)
...
...     def __bool__(self):
...         return bool(abs(self))
...
>>> v = Vector(3, 4)
>>> v
Vector(3, 4)
>>> abs(v)
5.0
>>> v + Vector(1, 2)
Vector(4, 6)
>>> v * 3
Vector(9, 12)

6.2 常见魔术方法列表 ​

方法说明
__init__构造方法
__repr__字符串表示（给程序员看）
__str__字符串表示（给用户看）
__len__len()
__getitem__索引访问
__setitem__索引赋值
__contains__in运算符
__add__+
__mul__*
__eq__==
__lt__<
__bool__布尔值
__iter__迭代器
__next__获取下一个元素
__enter__/__exit__with语句
__call__函数调用

七、总结 ​

概念说明
类变量所有实例共享
实例变量每个实例独立
继承子类继承父类
多重继承C3线性化解析顺序
__私有名称改写，不是真私有
迭代器__iter__() + __next__()
生成器yield关键字
生成器表达式圆括号，按需生成

类变量适合保存不可变共享数据；可变数据通常应在__init__中初始化。生成器按需生成元素，适合处理大数据量或流式数据。