[Python知识库]5.面向对象编程

面向对象编程——Object Oriented Programming，简称OOP，是一种程序设计思想。OOP把对象作为程序的基本单元，一个对象包含了数据和操作数据的函数。
在Python中，所有数据类型都可以视为对象，当然也可以自定义对象。自定义的对象数据类型就是面向对象中的类（Class）的概念。
面向对象的抽象程度又比函数要高，因为一个Class既包含数据，又包含操作数据的方法。

类和实例

面向对象最重要的概念就是类（Class）和实例（Instance），类是抽象的模板，比如Student类，而实例是根据类创建出来的一个个具体的“对象”，每个对象都拥有相同的方法，但各自的数据可能不同。
在Python中，定义类是通过class关键字，类名通常是大写开头的单词，紧接着是(object)，表示该类是从哪个类继承下来的
创建实例是通过类名+()实现
Python与静态语言不同的是可以自由地给一个实例变量绑定属性，两个实例变量可能都是同一个类的不同实例，但拥有的属性名称都可以不同
通过定义一个特殊的__init__方法，可以在创建实例的时候，把一些我们认为必须绑定的属性强制填写进去。有了__init__方法，在创建实例的时候，就不能传入空的参数了，必须传入与__init__方法匹配的参数
和普通的函数相比，在类中定义的函数只有一点不同，就是第一个参数永远是实例变量self，并且，调用时，不用传递该参数

# 定义类
class Student(object):
    pass
# 创建实例
bart = Student()
# 自由地给一个实例变量绑定属性
bart.name = 'Bart Simpson'

# 定义可强制绑定属性的类
class Student(object):

    def __init__(self, name, score):
        self.name = name
        self.score = score
# 创建带有属性的类
bart = Student('Bart Simpson', 59)

数据封装

在Student类的内部定义访问数据的函数，这样就把“数据”给封装起来了。封装数据的函数是和Student类本身是关联起来的，称之为类的方法.被“封装”起来了，调用很容易，但却不用知道内部实现的细节
封装还可以增加新的方法

class Student(object):

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

    # 封装数据和逻辑
    def print_score(self):
        print('%s: %s' % (self.name, self.score))

    # 增加新的方法
    def get_grade(self):
        if self.score >= 90:
            return 'A'
        elif self.score >= 60:
            return 'B'
        else:
            return 'C'

访问限制

如果要让内部属性不被外部访问，可以把属性的名称前加上两个下划线__，在Python中，实例的变量名如果以__开头，就变成了一个私有变量（private），只有内部可以访问，外部不能访问，这样就确保了外部代码不能随意修改对象内部的状态，这样通过访问限制的保护，代码更加健壮
如果外部代码要获取和修改属性，可以增加getter和setter
在Python中，变量名类似__xxx__，以双下划线开头并且以双下划线结尾的是特殊变量，特殊变量是可以直接访问的，不是private变量
以一个下划线开头的实例变量名按照约定俗成的规定“视为私有变量”
双下划线开头的实例变量也可以通过_(Classname)__(privateproperty)的形式访问，如可以通过_Student__name来访问__name变量，但是强烈不建议这么干，因为不同版本的Python解释器可能会把__name改成不同的变量名。
总的来说就是，Python本身没有任何机制阻止你干坏事，一切全靠自觉。

练习

请把下面的Student对象的gender字段对外隐藏起来，用get_gender()和set_gender()代替，并检查参数有效性：

# -*- coding: utf-8 -*-
class Student(object):
    def __init__(self, name, gender):
        self.name = name
        self.gender = gender
    
    def get_gender(self):
        return self.gender

    def set_gender(self, gender):
        if (gender=='male') or (gender=='female'):
            self.gender = gender
        else:
            print('Illegal Argument!')

继承和多态

在OOP程序设计中，当我们定义一个class的时候，可以从某个现有的class继承，新的class称为子类（Subclass），而被继承的class称为基类、父类或超类（Base class、Super class）。
继承获得了父类的所有功能，并且可以实现多态
对于一个变量，我们只需要知道它的父类类型，无需确切地知道它的子类型，就可以放心地调用方法，而具体调用的方法是作用在哪一个对象上，由运行时该对象的确切类型决定，这就是多态真正的威力：调用方只管调用，不管细节，而当我们新增一种父类的子类时，只要确保方法编写正确，不用管原来的代码是如何调用的。这就是著名的“开闭”原则：
对扩展开放：允许新增子类；
对修改封闭：不需要修改依赖父类类型的方法函数

鸭子（duck）类型

动态语言的“鸭子类型”，它并不要求严格的继承体系，一个对象只要“看起来像鸭子，走起路来像鸭子”，那它就可以被看做是鸭子。
动态语言的鸭子类型特点决定了继承不像静态语言那样是必须的，不用传入父类类型，只要传入的对象有一个所必须的方法即可

获取对象信息

获取对象的类型和方法：使用type()函数判断对象类型，对于class的继承关系可以使用isinstance()函数
总是优先使用isinstance()判断类型，可以将指定类型及其子类“一网打尽”
要获得一个对象的所有属性和方法，可以使用dir()函数，它返回一个包含字符串的list，比如，获得一个str对象的所有属性和方法：

>>> dir('123')
['__add__', '__class__', '__contains__', '__delattr__', '__dir__', '__doc__', '__eq__', '__format__', '__ge__', '__getattribute__', '__getitem__', '__getnewargs__', '__gt__', '__hash__', '__init__', '__init_subclass__', '__iter__', '__le__', '__len__', '__lt__', '__mod__', '__mul__', '__ne__', '__new__', '__reduce__', '__reduce_ex__', '__repr__', '__rmod__', '__rmul__', '__setattr__', '__sizeof__', '__str__', '__subclasshook__', 'capitalize', 'casefold', 'center', 'count', 'encode', 'endswith', 'expandtabs', 'find', 'format', 'format_map', 'index', 'isalnum', 'isalpha', 'isascii', 'isdecimal', 'isdigit', 'isidentifier', 'islower', 'isnumeric', 'isprintable', 'isspace', 'istitle', 'isupper', 'join', 'ljust', 'lower', 'lstrip', 'maketrans', 'partition', 'replace', 'rfind', 'rindex', 'rjust', 'rpartition', 'rsplit', 'rstrip', 'split', 'splitlines', 'startswith', 'strip', 'swapcase', 'title', 'translate', 'upper', 'zfill']

类似__xxx__的属性和方法在Python中都是有特殊用途的，比如__len__方法返回长度。在Python中，如果调用len()函数试图获取一个对象的长度，实际上在len()函数内部会自动去调用该对象的__len__()方法
配合getattr()、setattr()以及hasattr()，我们可以直接操作一个对象的状态：has判断有没有该属性，get获得该属性，set设置属性

>>> class MyObject(object):
...     def __init__(self):
...         self.x = 9
...     def power(self):
...         return self.x * self.x
...
>>> obj = MyObject()
# getattr()、setattr()以及hasattr()的用法
>>> hasattr(obj, 'x') # 有属性'x'吗？
True
>>> obj.x
9
>>> hasattr(obj, 'y') # 有属性'y'吗？
False
>>> setattr(obj, 'y', 19) # 设置一个属性'y'
>>> hasattr(obj, 'y') # 有属性'y'吗？
True
>>> getattr(obj, 'y') # 获取属性'y'
19
>>> obj.y # 获取属性'y'
19

# 如果试图获取不存在的属性，会抛出AttributeError的错误
>>> getattr(obj, 'z') # 获取属性'z'
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
AttributeError: 'MyObject' object has no attribute 'z'

# 可以传入一个default参数，如果属性不存在，就返回默认值
>>> getattr(obj, 'z', 404) # 获取属性'z'，如果不存在，返回默认值404
404

# 获取属性方法
>>> hasattr(obj, 'power') # 有属性'power'吗？
True
>>> getattr(obj, 'power') # 获取属性'power'
<bound method MyObject.power of <__main__.MyObject object at 0x10077a6a0>>
>>> fn = getattr(obj, 'power') # 获取属性'power'并赋值到变量fn
>>> fn # fn指向obj.power
<bound method MyObject.power of <__main__.MyObject object at 0x10077a6a0>>
>>> fn() # 调用fn()与调用obj.power()是一样的
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只有在不知道对象信息的时候，我们才会去获取对象信息
假设希望从文件流fp中读取图像，首先要判断该fp对象是否存在read方法，如果存在，则该对象是一个流，如果不存在，则无法读取。hasattr()就派上了用场。
请注意，在Python这类动态语言中，根据鸭子类型，有read()方法，不代表该fp对象就是一个文件流，它也可能是网络流，也可能是内存中的一个字节流，但只要read()方法返回的是有效的图像数据，就不影响读取图像的功能。

实例属性和类属性

Python是动态语言，根据类创建的实例可以任意绑定属性。给实例绑定属性的方法是通过实例变量，或者通过self变量
如果Student类本身需要绑定一个属性呢？可以直接在class中定义属性，这种属性是类属性，归Student类所有，当定义了一个类属性后，这个属性虽然归类所有，但类的所有实例都可以访问到。类似于Java中的static member
在编写程序的时候，千万不要对实例属性和类属性使用相同的名字，因为相同名称的实例属性将屏蔽掉类属性，但是当你删除实例属性后，再使用相同的名称，访问到的将是类属性。

class Student(object):
    name = 'Student' # 类属性

练习

为了统计学生人数，可以给Student类增加一个类属性，每创建一个实例，该属性自动增加：

# -*- coding: utf-8 -*-
class Student(object):
    count = 0

    def __init__(self, name):
        self.name = name
        Student.count = Student.count + 1