Python 3 学习笔记之类与实例

一、定义

1.1、定义

类 (class) 封装一组相关数据，使之成为一个整体，并使用一种方法持续展示和维护。

这有点像把零件组装成整车提供给用户，无须了解汽车的内部结构和工作原理，只要知道方向盘，刹车和油门这些外部接口就可以正常行驶。

类存在两种关系

1. 继承（inheritance，is-a）自某个族类

   继承可以用来表达本车属于某厂的哪个车族系列，除了继承原车系的技术和优势，还可基于某些环境进行改进。

2. 组合（composition，has-a）了哪些部件

   组合可用来表述该车使用了哪些零部件，比如最新的发动机。

类与模块的不同之处

1. 类可生成多个实例。
2. 类可被继承和扩展。
3. 类实例的生命周期可控。
4. 类支持运算符，可按需重载。

这些特性模块没有或者不需要，同时，模块粒度大，模块可用来提供游戏场景级别的解决方案，而类则是该场景下的特定家族和演员。

1.2、创建

定义类，以此为个体为例。关键字 class 同样是运行期指令，用于完成类型对象的创建。

class User:
    pass

可在函数内定义，以限制其作用范围。

类型与实例

如果类在模块中定义，那么其生命周期与模块等同，如果被放在函数内，那么每次都是新建。即便名字和内容相同，也属于不同类型。

def test():
    class X:
        pass
    return X()

>>> a,b = test(),test()
>>> a.__class__ is b.__class__
Out[1]: False

函数内定义的类型对象，在所有实例死亡后，会被垃圾回收。

类型对象除了用来创建实例，也为所有实例定义了基本操作接口，其负责管理整个家族的可共享数据和行为目标。

实例只保存私有特征，其以内部引用从所属类型或其它所属祖先类查找所需的方法，用来驱动展现个体面貌。

类.png

名字空间

类型有自己的名字空间，存储当前类型定义的字段和方法。这其中并不包括所继承的祖先成员，其同样以引用关联祖先类型，无须复制到本地。

class A:
    a = 100                 #类字段
    
    def __init__(self, x):  #实例初始化方法
        self.x = x          #实例字段
    
    def_get_x(self):        #实例方法
        return self.x
    
class B(A):                 #继承自A
    b = "hello"
    
    def __init__(self, x, y):
        super().__init__(self,x)    #调用父类的初始化方法
        self.y = y
        
    def get_y(self):
        return self.y

引用关系.png

实例 instance o 会保存所有继承层次的实例字段，因为这些都属于其私有数据。

>>> o = B(1,2)
>>> print(A.__dict__)
{
    'a': 100,
    '__init__': <function A.__init__ at 0x109d04f28>, 
    '_get_x': <function A._get_x at 0x109d046a8>, 
    ...
}
>>> print(B.__dict__)
{
    'b': 'hello', 
    '__init__': <function B.__init__ at 0x109d272f0>, 
    'get_y': <function B.get_y at 0x109d27378>, 
    ...
}

当通过实例或类访问某个成员时，会从当前对象开始（instance o 开始查找），依次由近到远向祖先类查找（即 o --> class B --> class A 进行成员查找）。

如此做的好处就是祖先类的新增功能可以直接 【广播】给所有后代。

在继承层次的不同名字空间中允许有同名成员，并按顺序优先命中。

二、字段

依照所处空间不同，我们将字段分为类型字段和实例字段。

官方将成员统称为 Attribute，我们可按例将数据当做字段。

2.1、类型字段

【类型字段】在 class 语句块内直接定义，而实例字段必须通过实例引用（self）赋值定义。

仅从执行方式来看，无论实例方法存在于哪级类型，其隐式参数 self 总指向当前调用实例。

class A:
    def test(self):             #self 总是指向引用的当前实例，这与继承层次无关
        print(self)
        self.x = 100
        
class B(A):
    pass

if __name__=="__main__":
    o = B()
    print(hex(id(o)))
    print(o.test())
    
0x109d2f358         
<__main__.B object at 0x109d2f358>  

实例参数 self 只是约定成俗的名字，这类似于其它语言中的 this，换成 this 同样有效。

2.2、字段赋值

可使用赋值语句为类型或实例添加的新字段。

class A:            
    pass

if __name__=="__main__":
    A.x = 100                   #新增类型字段
    print(A.x)
    print(vars(A))

'''
100
{x': 100, ...}
'''

可一旦实例重新赋值，就将会在其名字空间建立同名字段，并会遮蔽原字段。

a = A()
a.b = 200
print(a.b)
print(vars(a))
'''
200
{'b': 200}
'''

2.3、私有字段

将私有字段暴露给用户是很危险的。因为无论是修改还是删除都无法截获，由此可能引发意外错误。因为语言没有严格意义上的访问权限设置，所以只好将它们隐藏起来。

如果成员名字以双下划线开头，但没有以双下划线结尾，那么编译器会自动对其重命名。

class X:
    __table = "user"            #类型变量
    
    def __init__(self,name):
        self.name = name        #实例变量
        
    def get_name(self):
        return self.name

同时双下划线开头课结尾的，通常是系统方法，比如 __ init __ ，__ hash __ ，__ main __等。

所谓重命名，就是编译器附加了类型名称前缀。虽然这种做法不能真正阻止用户访问，但基于名字的约定也算一种提示。这种方式让继承类也无法访问。

重命名机制总是针对当前类型，继承类型无法访问重命名后的基类成员。

可将双下划线前缀改为单下划线，这样虽然不能自动重命名，不过提示作用依旧。

class A:
    __name = "user"    #双下划线成员
    
class B(A):
    def test(self):
        print(self.__name)

>>> B().test()
'''
AttributeError: 'B' object has no attribute '_B__name'
'''

class A:
    _name = "user"    #单下划线成员
    
class B(A):
    def test(self):
        print(self._name)
        
>>> B().test()
'''
user
'''

三、属性

对私有字段会进行重命名保护，那公开字段如何处理呢？

问题是核心在于访问拦截，必须由内部逻辑决定如何返回结果。而属性（property）机制就是将读、写和删除操作映射到指定的方法调用上，从而实现操作控制。

class C:
    def __init__(self, name):
        self.__name = name
    
    @property
    def name(self):                 #读
        return self.__name

    @name.setter
    def name(self, value):          #写
        self.__name = value         
        
    @name.deleter
    def name(self):                 #删除
        raise AttributeError("can't delete attribute")

c = C("user")
print(c.name)
# user    
c.name = "abc"
print(c.name)
# abc
del c.name
print(c.name)
#can't delete attribute

这种 @ 语法被称作装饰器（decorator）。

多个方法名必须相同，默认从读方法尅是定义属性，随后以属性名定义写和删除。

如果实现只读，或禁止删除，则只需去掉对应的方法即可。

四、方法

方法是一种特殊函数，其与特定对象绑定，用来获取或修改对象状态。

实际上，无论是对象构造，初始化，析构还是运算符，都以方法实现。根据绑定目标和调用方法的不同，方法可分为实例方法，类型方法，以及静态方法。

名字以上下划线开始和结束的方法，通常有特殊用途，其由解释器和内部机制调用。

实例方法

实例方法与实例对象绑定，在其参数列表中，将绑定对象作为第一参数，以便在方法中读取或修改数据状态。在以实例引用调用方法时，无须显式传入第一实参，而由解释器自动完成。

官方建议参数名用 self，同样以 cls 作为类型方法的第一参数名。

class W:
    def __init__(self, name):
        self.__name = name
    
    def get(self):              #以实例引用调用，自动传入 self 参数
        return self.__name
    
    def set(self, value):
        self.__name = value
        
>>> w = W("python")
>>> w.get()                 #忽略第一参数
'''
python
'''

类型方法

类型方法用来维护类型状态，面向族群提供服务接口。除绑定的第一参数名称不同外，还需添加专门的装饰器，以便解释器将其实例方法区分开来。

class D:
    __data = "D.data"
    
    @classmethod                #定义为类型方法
    def get(cls):               #解释器自动将类型对象 D 作为 cls 参数传入
        return cls.__data
    
    @classmethod
    def set(cls, value):
        cls.__data = value
        
>>> D.get()                     #同样忽略 cls 参数
'''
D.data
'''

静态方法

静态方法，则更像是普通函数。其既不接收实例引用，也不参与类型处理，所以就没有自动传入第一参数。使用静态方法，更多原因是将类型作为一个作用域，或者当前类型添加便捷接口。

class DES:
    def __init__(self, key):
        self.__key = key
        
    def encrypt_bytes(self, value):
        return str(self.__key) + str(value)
    
    @staticmethod
    def encrypt(key, s):
        return DES(key).encrypt_bytes(s.encode("utf-8"))
    
>>> DES.encrypt("key", "value")
'''
keyb'value'
'''

特殊方法

下面又解释器自动调用，与对象生命周期相关的方法。

1. __ new __：构造方法，创建对象实例
2. __ init __：初始化方法，设置实例的相关属性
3. __ del __：析构方法，实例被回收时调用

创建实例时，会先调用析构方法和初始化方法。

class E:
    def __new__(cls, *args):            #与__init__接收相同的调用函数
        print("__new__", args)
        return super().__new__(cls)
    
    def __init__(self, *args):          ##self 由 __new__创建并返回
        print("__init__", args)
        
>>> E(1,2)
'''
__new__ (1, 2)
__init__ (1, 2)
'''

如果 __ new __ 返回实例与 cls 类型不符，将导致 __ init __ 无法执行。

五、总结

学习到此，我总算把类的创建，属性和方法等弄清楚了，我最想强调一点，希望读者把 实例 self 参数弄明白，后续编码过程中使用较多。
还要清楚实例方法和静态方法的区别。
下一节将详细介绍类的继承及重载。

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