面向對象編程

面向對象編程——Object Oriented Programming，簡稱OOP，是一種程序設計思想。OOP把對象作為程序的基本單元，一個對象包含了數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)的函數(shù)。
面向過程的程序設計把計算機程序視為一系列的命令集合，即一組函數(shù)的順序執(zhí)行。為了簡化程序設計，面向過程把函數(shù)繼續(xù)切分為子函數(shù)，即把大塊函數(shù)通過切割成小塊函數(shù)來降低系統(tǒng)的復雜度。
而面向對象的程序設計把計算機程序視為一組對象的集合，而每個對象都可以接收其他對象發(fā)過來的消息，并處理這些消息，計算機程序的執(zhí)行就是一系列消息在各個對象之間傳遞。
在Python中，所有數(shù)據(jù)類型都可以視為對象，當然也可以自定義對象。自定義的對象數(shù)據(jù)類型就是面向對象中的類（Class）的概念。

三大特點： 繼承 封裝 多態(tài)

1. 類和實例

面向對象最重要的概念就是類（Class）和實例（Instance），必須牢記類是抽象的模板，比如Student類，而實例是根據(jù)類創(chuàng)建出來的一個個具體的“對象”，每個對象都擁有相同的方法，但各自的數(shù)據(jù)可能不同。

仍以Student類為例，在Python中，定義類是通過class關鍵字：

class Student(object):        # object可加可不加 
    pass

class后面緊接著是類名，即Student，類名通常是大寫開頭的單詞，緊接著是(object)，表示該類是從哪個類繼承下來的，繼承的概念我們后面再講，通常，如果沒有合適的繼承類，就使用object類，這是所有類最終都會繼承的類。

定義好了Student類，就可以根據(jù)Student類創(chuàng)建出Student的實例，創(chuàng)建實例是通過類名+()實現(xiàn)的：

>>> bart = Student()
>>> bart
<__main__.Student object at 0x10a67a590>
>>> Student
<class '__main__.Student'>

可以自由地給一個實例變量綁定屬性，比如，給實例bart綁定一個name屬性：

>>> bart.name = 'Bart Simpson'
>>> bart.name
'Bart Simpson'

由于類可以起到模板的作用，因此，可以在創(chuàng)建實例的時候，把一些我們認為必須綁定的屬性強制填寫進去。通過定義一個特殊的__init__方法，在創(chuàng)建實例的時候，就把name，score等屬性綁上去：

class Student(object):

    def __init__(self, name, score):
        self.name = name
        self.score = score

注意到__init__方法的第一個參數(shù)永遠是self，表示創(chuàng)建的實例本身，因此，在__init__方法內部，就可以把各種屬性綁定到self，因為self就指向創(chuàng)建的實例本身。

有了__init__方法，在創(chuàng)建實例的時候，就不能傳入空的參數(shù)了，必須傳入與__init__方法匹配的參數(shù)，但self不需要傳，Python解釋器自己會把實例變量傳進去：

>>> bart = Student('Bart Simpson', 59)
>>> bart.name
'Bart Simpson'
>>> bart.score
59

和普通的函數(shù)相比，在類中定義的函數(shù)只有一點不同，就是第一個參數(shù)永遠是實例變量self
，并且，調用時，不用傳遞該參數(shù)。除此之外，類的方法和普通函數(shù)沒有什么區(qū)別，所以，你仍然可以用默認參數(shù)、可變參數(shù)、關鍵字參數(shù)和命名關鍵字參數(shù)。

數(shù)據(jù)封裝

面向對象編程的一個重要特點就是數(shù)據(jù)封裝。在上面的Student
類中，每個實例就擁有各自的name
和score
這些數(shù)據(jù)。我們可以通過函數(shù)來訪問這些數(shù)據(jù)，比如打印一個學生的成績：

>>> def print_score(std):...  print('%s: %s' % (std.name, std.score))...>>> print_score(bart)Bart Simpson: 59

但是，既然Student實例本身就擁有這些數(shù)據(jù)，要訪問這些數(shù)據(jù)，就沒有必要從外面的函數(shù)去訪問，可以直接在Student類的內部定義訪問數(shù)據(jù)的函數(shù)，這樣，就把“數(shù)據(jù)”給封裝起來了。這些封裝數(shù)據(jù)的函數(shù)是和Student類本身是關聯(lián)起來的，我們稱之為類的方法：

class Student(object):

    def __init__(self, name, score):
        self.name = name
        self.score = score

    def print_score(self):         # self 必填
        print('%s: %s' % (self.name, self.score))

要定義一個方法，除了第一個參數(shù)是self外，其他和普通函數(shù)一樣。要調用一個方法，只需要在實例變量上直接調用，除了self不用傳遞，其他參數(shù)正常傳入：

>>> bart.print_score()
Bart Simpson: 59

這樣一來，我們從外部看Student類，就只需要知道，創(chuàng)建實例需要給出name和score，而如何打印，都是在Student類的內部定義的，這些數(shù)據(jù)和邏輯被“封裝”起來了，調用很容易，但卻不用知道內部實現(xiàn)的細節(jié)。

小結

類是創(chuàng)建實例的模板，而實例則是一個一個具體的對象，各個實例擁有的數(shù)據(jù)都互相獨立，互不影響；

方法就是與實例綁定的函數(shù)，和普通函數(shù)不同，方法可以直接訪問實例的數(shù)據(jù)；

通過在實例上調用方法，我們就直接操作了對象內部的數(shù)據(jù)，但無需知道方法內部的實現(xiàn)細節(jié)。

和靜態(tài)語言不同，Python允許對實例變量綁定任何數(shù)據(jù)，也就是說，對于兩個實例變量，雖然它們都是同一個類的不同實例，但擁有的變量名稱都可能不同：

>>> bart = Student('Bart Simpson', 59)
>>> lisa = Student('Lisa Simpson', 87)
>>> bart.age = 8
>>> bart.age
8
>>> lisa.age
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
AttributeError: 'Student' object has no attribute 'age'

2. 訪問限制

在Class內部，可以有屬性和方法，而外部代碼可以通過直接調用實例變量的方法來操作數(shù)據(jù)，這樣，就隱藏了內部的復雜邏輯。

但是，從前面Student類的定義來看，外部代碼還是可以自由地修改一個實例的name、score屬性：

>>> bart = Student('Bart Simpson', 98)
>>> bart.score
98
>>> bart.score = 59
>>> bart.score
59

如果要讓內部屬性不被外部訪問，可以把屬性的名稱前加上兩個下劃線__，在Python中，實例的變量名如果以__開頭，就變成了一個私有變量（private），只有內部可以訪問，外部不能訪問，所以，我們把Student類改一改：

class Student(object):

    def __init__(self, name, score):
        self.__name = name
        self.__score = score

    def print_score(self):
        print('%s: %s' % (self.__name, self.__score))

改完后，對于外部代碼來說，沒什么變動，但是已經(jīng)無法從外部訪問實例變量.__name和實例變量.__score了：

>>> bart = Student('Bart Simpson', 98)
>>> bart.__name
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
AttributeError: 'Student' object has no attribute '__name'

這樣就確保了外部代碼不能隨意修改對象內部的狀態(tài)，這樣通過訪問限制的保護，代碼更加健壯。

但是如果外部代碼要獲取name和score怎么辦？可以給Student類增加get_name和get_score這樣的方法：

class Student(object):
    ...

    def get_name(self):
        return self.__name

    def get_score(self):
        return self.__score

如果又要允許外部代碼修改score怎么辦？可以再給Student類增加set_score方法：

class Student(object):
    ...

    def set_score(self, score):
        self.__score = score

你也許會問，原先那種直接通過bart.score = 59也可以修改啊，為什么要定義一個方法大費周折？因為在方法中，可以對參數(shù)做檢查，避免傳入無效的參數(shù)：

class Student(object):
    ...

    def set_score(self, score):
        if 0 <= score <= 100:
            self.__score = score
        else:
            raise ValueError('bad score')

需要注意的是，在Python中，變量名類似__xxx__的，也就是以雙下劃線開頭，并且以雙下劃線結尾的，是特殊變量，特殊變量是可以直接訪問的，不是private變量，所以，不能用__name__、__score__這樣的變量名。

有些時候，你會看到以一個下劃線開頭的實例變量名，比如_name，這樣的實例變量外部是可以訪問的，但是，按照約定俗成的規(guī)定，當你看到這樣的變量時，意思就是，“雖然我可以被訪問，但是，請把我視為私有變量，不要隨意訪問”。

3 繼承和多態(tài)

在OOP程序設計中，當我們定義一個·class的時候，可以從某個現(xiàn)有的class繼承，新的class稱為子類（Subclass），而被繼承的class稱為基類、父類或超類（Base class、Super class）。

比如，我們已經(jīng)編寫了一個名為Animal的class，有一個run()方法可以直接打?。?/p>

class Animal(object):
    def run(self):
        print('Animal is running...')

當我們需要編寫Dog和Cat類時，就可以直接從Animal類繼承：

class Dog(Animal):
    pass

class Cat(Animal):
    pass

對于Dog來說，Animal就是它的父類，對于Animal來說，Dog就是它的子類。Cat和Dog類似。

繼承有什么好處？最大的好處是子類獲得了父類的全部功能。由于Animial實現(xiàn)了run()方法，因此，Dog和Cat作為它的子類，什么事也沒干，就自動擁有了run()方法：

dog = Dog()
dog.run()

cat = Cat()
cat.run()

運行結果如下：

Animal is running...
Animal is running...

當子類和父類都存在相同的run()方法時，我們說，子類的run()覆蓋了父類的run()，在代碼運行的時候，總是會調用子類的run()。這樣，我們就獲得了繼承的另一個好處：多態(tài)。

要理解什么是多態(tài)，我們首先要對數(shù)據(jù)類型再作一點說明。當我們定義一個class的時候，我們實際上就定義了一種數(shù)據(jù)類型。我們定義的數(shù)據(jù)類型和Python自帶的數(shù)據(jù)類型，比如str、list、dict沒什么兩樣：

a = list() # a是list類型
b = Animal() # b是Animal類型
c = Dog() # c是Dog類型

判斷一個變量是否是某個類型可以用isinstance()判斷：

>>> isinstance(a, list)
True
>>> isinstance(b, Animal)
True
>>> isinstance(c, Dog)
True

看來a、b、c確實對應著list、Animal、Dog這3種類型。

但是等等，試試：

>>> isinstance(c, Animal)
True

看來c不僅僅是Dog，c還是Animal！

不過仔細想想，這是有道理的，因為Dog是從Animal繼承下來的，當我們創(chuàng)建了一個Dog的實例c時，我們認為c的數(shù)據(jù)類型是Dog沒錯，但c同時也是Animal也沒錯，Dog本來就是Animal的一種！

所以，在繼承關系中，如果一個實例的數(shù)據(jù)類型是某個子類，那它的數(shù)據(jù)類型也可以被看做是父類。但是，反過來就不行：

>>> b = Animal()
>>> isinstance(b, Dog)
False

Dog可以看成Animal，但Animal不可以看成Dog。
要理解多態(tài)的好處，我們還需要再編寫一個函數(shù)，這個函數(shù)接受一個Animal類型的變量：

def run_twice(animal):
    animal.run()
    animal.run()

當我們傳入Animal的實例時，run_twice()就打印出：

>>> run_twice(Animal())
Animal is running...
Animal is running...

當我們傳入Dog的實例時，run_twice()就打印出：

>>> run_twice(Dog())
Dog is running...
Dog is running...

看上去沒啥意思，但是仔細想想，現(xiàn)在，如果我們再定義一個Tortoise類型，也從Animal派生：

class Tortoise(Animal):
    def run(self):
        print('Tortoise is running slowly...')

當我們調用run_twice()時，傳入Tortoise的實例：

>>> run_twice(Tortoise())
Tortoise is running slowly...
Tortoise is running slowly...

你會發(fā)現(xiàn)，新增一個Animal的子類，不必對run_twice()做任何修改，實際上，任何依賴Animal作為參數(shù)的函數(shù)或者方法都可以不加修改地正常運行，原因就在于[多態(tài)]。

多態(tài)的好處就是，當我們需要傳入Dog、Cat、Tortoise……時，我們只需要接收Animal類型就可以了，因為Dog、Cat、Tortoise……都是Animal類型，然后，按照Animal類型進行操作即可。由于Animal類型有run()方法，因此，傳入的任意類型，只要是Animal類或者子類，就會自動調用實際類型的run()方法，這就是多態(tài)的意思：

對于一個變量，我們只需要知道它是Animal類型，無需確切地知道它的子類型，就可以放心地調用run()方法，而具體調用的run()方法是作用在Animal、Dog、Cat還是Tortoise對象上，由運行時該對象的確切類型決定，這就是多態(tài)真正的威力：調用方只管調用，不管細節(jié)，而當我們新增一種Animal的子類時，只要確保run()方法編寫正確，不用管原來的代碼是如何調用的。這就是著名的“開閉”原則：

對擴展開放：允許新增Animal子類；
對修改封閉：不需要修改依賴Animal類型的run_twice()等函數(shù)。

靜態(tài)語言 vs 動態(tài)語言

對于靜態(tài)語言（例如Java）來說，如果需要傳入Animal類型，則傳入的對象必須是Animal類型或者它的子類，否則，將無法調用run()方法。

對于Python這樣的動態(tài)語言來說，則不一定需要傳入Animal類型。我們只需要保證傳入的對象有一個run()方法就可以了：

class Timer(object):
    def run(self):
        print('Start...')

這就是動態(tài)語言的“鴨子類型”，它并不要求嚴格的繼承體系，一個對象只要“看起來像鴨子，走起路來像鴨子”，那它就可以被看做是鴨子。

4. 獲取對象信息

當我們拿到一個對象的引用時，如何知道這個對象是什么類型、有哪些方法呢？
使用type()

首先，我們來判斷對象類型，使用type()函數(shù)：

基本類型都可以用type()判斷：

>>> type(123)
<class 'int'>
>>> type('str')
<class 'str'>
>>> type(None)
<type(None) 'NoneType'>

如果一個變量指向函數(shù)或者類，也可以用type()判斷：

>>> type(abs)
<class 'builtin_function_or_method'>
>>> type(a)
<class '__main__.Animal'>

但是type()函數(shù)返回的是什么類型呢？它返回對應的Class類型。如果我們要在if語句中判斷，就需要比較兩個變量的type類型是否相同：

>>> type(123)==type(456)
True
>>> type(123)==int
True
>>> type('abc')==type('123')
True
>>> type('abc')==str
True
>>> type('abc')==type(123)
False

判斷基本數(shù)據(jù)類型可以直接寫int，str等，但如果要判斷一個對象是否是函數(shù)怎么辦？可以使用types模塊中定義的常量：

>>> import types
>>> def fn():
...     pass
...
>>> type(fn)==types.FunctionType
True
>>> type(abs)==types.BuiltinFunctionType
True
>>> type(lambda x: x)==types.LambdaType
True
>>> type((x for x in range(10)))==types.GeneratorType
True

使用isinstance()

對于class的繼承關系來說，使用type()就很不方便。我們要判斷class的類型，可以使用isinstance()函數(shù)。

我們回顧上次的例子，如果繼承關系是：

object -> Animal -> Dog -> Husky

那么，isinstance()就可以告訴我們，一個對象是否是某種類型。先創(chuàng)建3種類型的對象：

>>> a = Animal()
>>> d = Dog()
>>> h = Husky()

然后，判斷：

>>> isinstance(h, Husky)
True

沒有問題，因為h變量指向的就是Husky對象。
再判斷：

>>> isinstance(h, Dog)
True

h雖然自身是Husky類型，但由于Husky是從Dog繼承下來的，所以，h也還是Dog類型。換句話說，isinstance()判斷的是一個對象是否是該類型本身，或者位于該類型的父繼承鏈上。

使用dir()

如果要獲得一個對象的所有屬性和方法，可以使用dir()函數(shù)，它返回一個包含字符串的list，比如，獲得一個str對象的所有屬性和方法：

>>> dir('ABC')
['__add__', '__class__', '__contains__', '__delattr__', '__dir__', '__doc__', '__eq__', '__format__', '__ge__', '__getattribute__', '__getitem__', '__getnewargs__', '__gt__', '__hash__', '__init__', ...................

類似__xxx__的屬性和方法在Python中都是有特殊用途的，比如__len__方法返回長度。在Python中，如果你調用len()函數(shù)試圖獲取一個對象的長度，實際上，在len()函數(shù)內部，它自動去調用該對象的__len__()方法，所以，下面的代碼是等價的：

>>> len('ABC')
3
>>> 'ABC'.__len__()
3

我們自己寫的類，如果也想用len(myObj)的話，就自己寫一個__len__()方法：

>>> class MyDog(object):
...     def __len__(self):
...         return 100
...
>>> dog = MyDog()
>>> len(dog)
100

剩下的都是普通屬性或方法，比如lower()返回小寫的字符串：

>>> 'ABC'.lower()
'abc'

僅僅把屬性和方法列出來是不夠的，配合getattr()、setattr()以及hasattr()，我們可以直接操作一個對象的狀態(tài)：

>>> class MyObject(object):
...     def __init__(self):
...         self.x = 9
...     def power(self):
...         return self.x * self.x
...
>>> obj = MyObject()

緊接著，可以測試該對象的屬性：

>>> hasattr(obj, 'x') # 有屬性'x'嗎？
True
>>> obj.x
9
>>> hasattr(obj, 'y') # 有屬性'y'嗎？
False
>>> setattr(obj, 'y', 19) # 設置一個屬性'y'
>>> hasattr(obj, 'y') # 有屬性'y'嗎？
True
>>> getattr(obj, 'y') # 獲取屬性'y'
19
>>> obj.y # 獲取屬性'y'
19

如果試圖獲取不存在的屬性，會拋出AttributeError的錯誤

小結

通過內置的一系列函數(shù)，我們可以對任意一個Python對象進行剖析，拿到其內部的數(shù)據(jù)。要注意的是，只有在不知道對象信息的時候，我們才會去獲取對象信息。如果可以直接寫：

sum = obj.x + obj.y

就不要寫：

sum = getattr(obj, 'x') + getattr(obj, 'y')

一個正確的用法的例子如下：

def readImage(fp):
    if hasattr(fp, 'read'):
        return readData(fp)
    return None

假設我們希望從文件流fp中讀取圖像，我們首先要判斷該fp對象是否存在read方法，如果存在，則該對象是一個流，如果不存在，則無法讀取。hasattr()就派上了用場。

請注意，在Python這類動態(tài)語言中，根據(jù)鴨子類型，有read()方法，不代表該fp對象就是一個文件流，它也可能是網(wǎng)絡流，也可能是內存中的一個字節(jié)流，但只要read()方法返回的是有效的圖像數(shù)據(jù)，就不影響讀取圖像的功能。

4 實例屬性和類屬性

由于Python是動態(tài)語言，根據(jù)類創(chuàng)建的實例可以任意綁定屬性。

給實例綁定屬性的方法是通過實例變量，或者通過self變量：

class Student(object):
    def __init__(self, name):
        self.name = name

s = Student('Bob')
s.score = 90

但是，如果Student類本身需要綁定一個屬性呢？可以直接在class中定義屬性，這種屬性是類屬性，歸Student類所有：

class Student(object):
    name = 'Student'

當我們定義了一個類屬性后，這個屬性雖然歸類所有，但類的所有實例都可以訪問到。來測試一下：

>>> class Student(object):
...     name = 'Student'
...
>>> s = Student() # 創(chuàng)建實例s
>>> print(s.name) # 打印name屬性，因為實例并沒有name屬性，所以會繼續(xù)查找class的name屬性
Student
>>> print(Student.name) # 打印類的name屬性
Student
>>> s.name = 'Michael' # 給實例綁定name屬性
>>> print(s.name) # 由于實例屬性優(yōu)先級比類屬性高，因此，它會屏蔽掉類的name屬性
Michael
>>> print(Student.name) # 但是類屬性并未消失，用Student.name仍然可以訪問
Student
>>> del s.name # 如果刪除實例的name屬性
>>> print(s.name) # 再次調用s.name，由于實例的name屬性沒有找到，類的name屬性就顯示出來了
Student

從上面的例子可以看出，在編寫程序的時候，千萬不要把實例屬性和類屬性使用相同的名字，因為相同名稱的實例屬性將屏蔽掉類屬性，但是當你刪除實例屬性后，再使用相同的名稱，訪問到的將是類屬性。