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Python面向物件基礎

2020-10-02 18:29:41 後端開發

類的定義

類的定義的語法

class ClassName:
    <statement-1>
    .
    .
    .
    <statement-N>

示例代碼

class Door:
    def __init__(self, number, status):
        self.number = number
        self.status = status

類的實體化

class Door:
    def __init__(self, number, status):
        self.number = number
        self.status = status

door = Door(1001, 'open')
door.number
door.status
  • 創建物件使用類名(__init__ 函式除第一個引數外的引數串列)
  • 創建物件的時候實際執行了 __init__函式
  • __init__ 函式并不會創建物件

函式創建及初始化的程序

  1. 首先創建物件
  2. 物件作為self引數傳遞給__init__函式
  3. 回傳self

作用域

類變數

示例代碼

In [1]: class A:
   ...:         NAME = 'A'  # 類的直接下級作用域 叫做類變數
   ...:         def __init__(self, name):
   ...:             self.name = name  # 關聯到實體的變數 叫做實體變數
   ...:          

In [2]: a = A('a')

In [3]: a.NAME
Out[3]: 'A'

In [4]: a.name
Out[4]: 'a'

In [5]: A.NAME
Out[5]: 'A'

In [6]: A.name
---------------------------------------------------------------------------
AttributeError                            Traceback (most recent call last)
<ipython-input-6-61c1cc534250> in <module>()
----> 1 A.name

AttributeError: type object 'A' has no attribute 'name'

In [7]: a2 = A('a2')

In [8]: a2.NAME
Out[8]: 'A'

In [9]: a2.NAME = 'A2'  # 給示例a2的類變數NAME賦值

In [10]: a2.NAME
Out[10]: 'A2'

In [11]: a.NAME
Out[11]: 'A'

In [12]: A.NAME  # 類變數沒有變化
Out[12]: 'A'

In [13]: a2.xxx = 3

In [14]: a2.xxx  # 賦值之后a2多了xxx屬性
Out[14]: 3

In [15]: A.NAME = 'AA'  # 直接修改類的類變數

In [16]: A.NAME
Out[16]: 'AA'

In [17]: a.NAME  # 對應的實體的類變數也發生了改變
Out[17]: 'AA'

In [18]: a2.NAME  # a2的類變數在之前的賦值被覆寫了，因此改變類變數的并不會影響a2
Out[18]: 'A2'

所以

  • 類變數對類和實體都可見
  • 所有實體共享類變數
  • 當給實體的類變數賦值時，相當于動態的給這個實體增加了一個屬性，覆寫了類變數

屬性查找順序

  • __dict__： 實體變數的字典
  • __class__： 得到實體對應的類
  • 先查找__dict__在查找__class__

代碼

In [1]: class A:
   ...:     NAME = 'A'
   ...:     def __init__(self, name):
   ...:         self.name = name
   ...:         

In [2]: a = A('a')

In [3]: a.NAME
Out[3]: 'A'

In [4]: a.__class__.NAME
Out[4]: 'A'

In [5]: a.__dict__
Out[5]: {'name': 'a'}

In [6]: a.__class__  # a.__class__表示實體對應的類
Out[6]: __main__.A

In [7]: a.NAME = 'AA'

In [8]: a.__dict__  # 覆寫類變數之后__dict__增加了一個鍵值對
Out[8]: {'NAME': 'AA', 'name': 'a'}

In [9]: a.__dict__['NAME'] = 'AAA'  # 可以直接修改__dict__

In [10]: a.__dict__
Out[10]: {'NAME': 'AAA', 'name': 'a'}

In [11]: a.__class__.NAME
Out[11]: 'A'

In [12]: a.__class__.__dict__
Out[12]: 
mappingproxy({'NAME': 'A',
              '__dict__': <attribute '__dict__' of 'A' objects>,
              '__doc__': None,
              '__init__': <function __main__.A.__init__>,
              '__module__': '__main__',
              '__weakref__': <attribute '__weakref__' of 'A' objects>})

類裝飾器

引數是一個類，并且回傳一個類的函式就可以是一個類裝飾器，

類裝飾器通常用于給類增加屬性，如果增加方法，則都是類級的方法，

代碼1：給類增加屬性

函式方法增加：定義set_name函式給類F增加一個NAME屬性

In [1]: class F:
   ...:     pass
   ...: 

In [2]: def set_name(cls, name):  # 給cls增加屬性NAME=name
   ...:     cls.NAME = name
   ...:     return cls
   ...: 

In [3]: F1 = set_name(F, 'F')  # 回傳F本身，并且F1指向F

In [4]: F1.NAME
Out[4]: 'F'

In [5]: f1 = F1()

In [6]: f1.NAME
Out[6]: 'F'

In [7]: F1.__dict__
Out[7]: 
mappingproxy({'NAME': 'F',
              '__dict__': <attribute '__dict__' of 'F' objects>,
              '__doc__': None,
              '__module__': '__main__',
              '__weakref__': <attribute '__weakref__' of 'F' objects>})

In [8]: f1.__dict__
Out[8]: {}

In [9]: f1.__class__
Out[9]: __main__.F

In [10]: F.__dict__  # 本質上增加的還是類F
Out[10]: 
mappingproxy({'NAME': 'F',
              '__dict__': <attribute '__dict__' of 'F' objects>,
              '__doc__': None,
              '__module__': '__main__',
              '__weakref__': <attribute '__weakref__' of 'F' objects>})

對set_name函式進行柯里化，實作帶引數的類裝飾器

In [2]: def set_name(name):   # 傳入引數name
   ...:     def wrap(cls):   # 裝飾器是wrap
   ...:         cls.NAME = name
   ...:         return cls
   ...:     return wrap
   ...: 

In [3]: @set_name('G')
   ...: class G:
   ...:     pass
   ...: 

In [4]: G.NAME
Out[4]: 'G'

In [5]: class G:
   ...:     pass
   ...: 

In [6]: G = set_name('G')(G)  # 裝飾器的函式呼叫方法

In [7]: G.NAME
Out[7]: 'G'

代碼2：給類增加方法

類裝飾器get_name給類H增加一個方法__get_name__

In [1]: def get_name(cls):
   ...:     def _get_name(self):
   ...:         return cls.__name__
   ...:     cls.__get_name__ = _get_name  # 給cls增加__get_name__指向_get_name
   ...:     return cls
   ...: 

In [2]: @get_name
   ...: class H:
   ...:     pass
   ...: 

In [3]: h = H()

In [4]: h.__get_name__()
Out[4]: 'H'

In [5]: H.__dict__
Out[5]: 
mappingproxy({'__dict__': <attribute '__dict__' of 'H' objects>,
              '__doc__': None,
              '__get_name__': <function __main__.get_name.<locals>._get_name>,
              '__module__': '__main__',
              '__weakref__': <attribute '__weakref__' of 'H' objects>})

類方法/靜態方法

方法的定義都是類級的，但是有的方法使用實體呼叫，有的方法使用類來呼叫

  • 類方法：當一個方法，被classmethod裝飾時， 第一個引數會變成類本身， 這樣的方法叫類方法
  • 當一個方法， 被staticmethod裝飾的時候，不會自動傳遞第一個引數， 這樣的方法叫靜態方法

代碼

class I:
    def print(self):  # 實體方法
        print('instance method')

    @classmethod
    def class_print(cls):  # 類方法
        print(id(cls))
        print('class method')

    @staticmethod 
    def static_print():  # 靜態方法
        print('static method')

    def xxx_print():  # 一個普通方法
        print('this is a function')
  • 實體方法只能由實體呼叫
  • 類方法可以被類和實體使用，并且被實體使用時，傳入的第一個引數還是類
  • 靜態方法可以被類和實體使用，都不會傳入第一個引數
  • 類中的普通方法，因為沒有傳入self，因此只能被類使用，實體無法使用
  • 各種方法根據首參來決定，

訪問控制

雙下劃線

  • 所有雙下劃線開始，非雙下劃線結尾的成員，都是私有成員
  • 嚴格的說， Python里沒有真正私有成員
  • Python的私有成員是通過改名實作的：_類名 + 帶雙下劃綫的屬性
  • 除非真的有必要，并且清除明白的知道會有什么后果，否則不要通過改名規則修改私有成員
In [1]: class Door:
   ...:     def __init__(self, number, status):
   ...:         self.number = number
   ...:         self.__status = status  # 雙下劃線開始， 非雙下劃綫結尾的都是私有的， 在類外部無法訪問
   ...:     def open(self):
   ...:         self.__status = 'opening'
   ...:     def close(self):
   ...:         self.__status = 'closed'
   ...:     def status(self):
   ...:         return self.__status
   ...:     def __set_number(self, number):  # # 雙下滑先開始， 非雙下劃線結尾的方法也是私有方法
   ...:         self.number = number
   ...:         

In [2]: door = Door(1001, 'closed')

In [3]: door.__status  # 無法訪問私有屬性
---------------------------------------------------------------------------
AttributeError                            Traceback (most recent call last)
<ipython-input-3-d55234f04e7f> in <module>()
----> 1 door.__status

AttributeError: 'Door' object has no attribute '__status'

In [4]: door.__dict__  # door物件含有的屬性_Door__status
Out[4]: {'_Door__status': 'closed', 'number': 1001}

In [5]: door.__status = 'hahaha'  # 給物件創建了新的屬性，并沒有修改到__status

In [6]: door.__status
Out[6]: 'hahaha'

In [7]: door.__dict__
Out[7]: {'_Door__status': 'closed', '__status': 'hahaha', 'number': 1001}

In [8]: door.status()
Out[8]: 'closed'

In [9]: door.open()

In [10]: door.status()
Out[10]: 'opening'

In [11]: door.__set_number(1002)
---------------------------------------------------------------------------
AttributeError                            Traceback (most recent call last)
<ipython-input-11-888a73f63746> in <module>()
----> 1 door.__set_number(1002)

AttributeError: 'Door' object has no attribute '__set_number'

In [12]: door._Door__status
Out[12]: 'opening'

In [13]: door._Door__status = 'hehehe'  # _類名 + 帶雙下劃綫的屬性的方式直接修改私有成員

In [14]: door.status()
Out[14]: 'hehehe'

單下劃線

  • 單下劃線是一種慣用法， 人為標記此成員為私有， 但是解釋器不不做任何處理
In [1]: class A:
   ...:     def __init__(self):
   ...:         self._a = 3
   ...:         

In [2]: a = A()

In [3]: a._a
Out[3]: 3

In [4]: a._a = 4

In [5]: a._a
Out[5]: 4

In [6]: a.__dict__
Out[6]: {'_a': 4}

property裝飾器

引入property裝飾器

class Door:
    def __init__(self, number):
        self.__number = number

    def get_number(self):
        return self.__number

    def set_number(self, number):
        self.__number = number

當把number屬性變成私有屬性__number之后，無法直接訪問得到，只能通過get_number和set_number兩個函式訪問__number屬性，

如果既能限制引數訪問，又可以用類似屬性這樣簡單的方式來訪問類的變數，這個時候就可以使用property裝飾器了，

  • Python內置的@property裝飾器就是負責把一個方法變成屬性呼叫的

property裝飾器使用

class Door:
    def __init__(self, number):
        self.__number = number

    # property 裝飾器會把一個僅有self引數的函式，變成一個屬性， 屬性的值，為方法的回傳值
    @property
    def number(self):
        return self.__number

    # property setter 裝飾器， 可以把一個方法轉化為對此賦值，但此方法有一定要求
    # 1.同名 2.必須接收兩個引數 self 和 value， value為所賦的值
    @number.setter
    def number(self, number):
        self.__number = number

    @number.deleter
    def number(self):
        print('cannot remove number property')

door = Door(1001)
door.number  # 回傳1001
door.number = 1002
door.number  # 回傳1002
del door.number  # 輸出cannot remove number property

繼承

單繼承

  • 在類名后加括號 括號中是繼承串列， 稱之為父類或者基類或者超類
  • 繼承一個明顯的好處就是可以獲取父類的屬性和方法
class Base:
    PUBLIC_CLASS_VAR = 'PUBLIC_CLASS_VAR'
    __PRIVATE_CLASS_VAR = 'PRIVATE_CLASS_VAR'

    def __init__(self):
        self.public_instance_var = 'public_instance_var'
        self.__private_instance_var = 'private__instance_var'

    @classmethod
    def public_class_method(cls):
        return 'public_class_method'

    @classmethod
    def __private_class_method(cls):
        return 'private_class_method'

    @staticmethod
    def public_static_method():
        return 'public static method'

    @staticmethod
    def __private_static_method():
        return 'private static method'

    def public_instance_method(self):
        return 'public_instance_method'

    def __private_instance_method(self):
        return 'private_instance_method'

class Sub(Base):
    pass

sub = Sub()
sub.__dict__
# 輸出
{'_Base__private_instance_var': 'private__instance_var',
 'public_instance_var': 'public_instance_var'}
  • 凡是公有的都能繼承
  • 凡是私有的都不能繼承
  • 原來是什么，繼承過來還是什么

方法重寫

  • 當子類和父類有同名成員的時候， 子類的成員會覆寫父類的同名成員
  • 當父類含有一個帶引數的初始化方法的時候，子類一定需要一個初始化方法，并且在初始化方法中呼叫父類的初始化方法
  • super方法：super(type, obj) =》type:類名，obj:傳遞給后續方法的第一個引數
class Base:
    def __init__(self):
        self.__a = 4

    def print(self):
        print('Base.print')

    @classmethod
    def cls_print(cls):
        print('Base.cls_print')

class Sub(Base):
    def print(self):  ## 當子類和父類有同名成員的時候， 子類的成員會覆寫父類的同名成員
        print('Sub.print')

    @classmethod
    def cls_print(cls):
        print('Sub.cls_print')

    def foo(self):
        # 呼叫父類的print
        super().print()
        # super(Sub, self).print()

    @classmethod
    def cls_foo(cls):
        #cls.cls_print()
        #Base.cls_print()
        super().cls_print()

class SubSub(Sub):
    def print(self):
        print('SubSub.print')

    @classmethod
    def cls_print(cls):
        print('SubSub.cls_print')

    def foo(self):
        # 呼叫Base的print
        super(SubSub, self).print()
        # 代理 TYPE 的父類的方法， 并且使用 obj 系結  第一個引數 指定呼叫誰的直接父類， 第二個引數指定當呼叫時，傳遞什么作為方法的第一個引數
        super(Sub, self).print()
        super(SubSub, SubSub).cls_print()  # 類方法的時候可以傳遞類，也可以傳遞實體self

    @classmethod
    def cls_foo(cls):
        # Base.cls_print()
        super(Sub, cls).cls_print()

多繼承與MRO

等效的類定義

class A:
    pass

class A(object):
    pass

class A():
    passs

多繼承

  • 在繼承串列里存在多個類的時候表示多繼承
  • 多繼承會把繼承串列里的所有公有成員都繼承過來
class A:
    def method(self):
        print('method of A')

class B:
    def method(self):
        print('method of B')

class C(A, B):
    pass

c = C()
c.method()  # 輸出method of A

MRO

定義一個多繼承，如下

class A:
    def method(self):
        print('method of A')

class B:
    def method(self):
        print('method of B')

class C(A, B):
    pass

class E(A):
    def method(self):
        print('method of E')

class F(E, A):
    pass

F().method()  # 輸出method of E

如果定義類G繼承自(A, E)，如下

class G(A, E):  # 在定義的時候會直接報錯
    pass

---------------------------------------------------------------------------
TypeError                                 Traceback (most recent call last)
<ipython-input-51-dcac33a3d00c> in <module>()
----> 1 class G(A, E):
      2     pass

TypeError: Cannot create a consistent method resolution
order (MRO) for bases E, A

報錯顯示：Cannot create a consistent method resolution order (MRO) for bases E, A

方法決議順序(MRO)不滿足報錯

分析基類E,A的MRO

>>> A.__mro__
(__main__.A, object)
>>> E.__mro__
(__main__.E, __main__.A, object)
>>> F.__mro__
(__main__.F, __main__.E, __main__.A, object)

所以，mro序列就是繼承的先后順序

那么G類的mro序列應該就是(G, A, E, object)，Python通過C3演算法來確定多繼承的時候是否滿足mro的兩個原則：

  1. 本地優先： 自己定義或重寫的方法優先，按照繼承串列，從左到右查找
  2. 單調性：所有子類，也要滿足查找順序

C3演算法的主要作用是：在多繼承時判斷屬性來自于哪個類，無法判斷時拋出TypeError

C3演算法

class B(O) ：則B的mro序列為： [B, O]
class B(A1, A2, ..., An) ：則B的mro序列為： [B] + merge(mro(A1), mro(A2), ..., mro(An), [A1, A2, ..., An, O])

merge操作就是C3演算法的核心，merge步驟如下：

* 遍歷串列
* 看第一個串列的首元素
    * 它在其他串列中也是首元素
    * 或者它在其他串列不存在
* 滿足以上條件，則移除該首元素，合并到mro中
* 不滿足，則拋出例外

C3演算法分析F類的mro

mro(F) -> [F] + merge(mro(E), mro(A), [E, A, O])
	-> [F] + merge([E, A, O], [A, O], [E, A, O])
    -> [F, E] + merge([A, O], [A, O], [A, O])
    -> [F, E, A] + merge([O], [O], [O])
    -> [F, E, A, O]

merge操作成功，mro決議正確，最終mro為[F, E, A, O]

C3演算法分析G類的mro

mro(G) -> [G] + merge(mro(A), mro(E), [A, E, O])
	-> [G] + merge([A, O], [E, A, O], [A, E, O])
    -> raise TypeError:

第一個串列的首元素為A，在第二個串列中存在但不是首元素，不滿足merge的條件，直接拋出例外，

結論：

  1. 應該盡量避免多繼承
  2. 多繼承會對程式的心智負擔造成非常大的壓力

Mixin類

參考

  1. 廖雪峰-多重繼承與MixIn
  2. 知乎-Mixin是什么概念?
  3. Python Cookbook-利用Mixins擴展類功能

在編程中，mixin是指為繼承自它的class提供額外的功能, 但它自身卻是不單獨使用的類.，在具有多繼承能力的編程語言中， mixin可以為類增加額外功能或方法，

因此，MixIn模式的目的就是給一個類增加多個功能，這樣，在設計類的時候，我們優先考慮通過多重繼承來組合多個MixIn的功能，而不是設計多層次的復雜的繼承關系，

在Python 3.5.2 源代碼 socketserver.py 中的639到643行可以看到以下四個類的定義

class ForkingUDPServer(ForkingMixIn, UDPServer): pass
class ForkingTCPServer(ForkingMixIn, TCPServer): pass

class ThreadingUDPServer(ThreadingMixIn, UDPServer): pass
class ThreadingTCPServer(ThreadingMixIn, TCPServer): pass
  • BaseServer：server類的基類
  • UDPServer：UDP server class，繼承自BaseServer
  • TCPServer：TCP server class，繼承自BaseServer
  • ForkingMixIn：Mix-in class to handle each request in a new process.
  • ThreadingMixIn：Mix-in class to handle each request in a new thread.

Python自帶了TCPServer和UDPServer這兩類網路服務，而要同時服務多個用戶就必須使用多行程或多執行緒模型，這兩種模型由ForkingMixIn和ThreadingMixIn提供，通過組合，就可以得到以上四個類，

這幾個類之間的關系如下圖：

socketserver繼承關系

可以看到，從BaseServer開始逐層繼承的程序中，混入(MixIn)了ForkingMixIn類和ThreadingMixIn類，

這樣的多重繼承的技巧稱為MixIn，

如果不采用MixIn技術，而是采用層次復雜的單繼承實作，則類的數量會呈指數增長，

具體不采用MixIn技術設計的繼承層次關系參見：廖雪峰-多重繼承與MixIn中的Animal類的設計思路，

MixIn總結

MixIn其實也是一種組合的方式，通常來說，組合優于繼承

Mixin 類的限制

  • Mixin類不應該有初始化方法
  • Mixin類通常不能獨立作業
  • Mixin類的祖先也應該是Mixin類

通常情況下，Mixin類總在繼承串列的第一位

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