Python面向对象编程：合集篇（类、对象、封装、继承和多态）

标签：__ name Python self 多态面向对象编程方法 def 属性

Python语言设计之初，就是为了面向对象。所以Python的面向对象更加易于理解。如果你以前学过Java、C++你大概就懂得什么是面向对象，但如果你是第一门编程语言就选择Python，那么也不要害怕。这篇文章，我们将会尽量详细的讲解，把Python面向对象编程的知识讲清楚。

接下来我们先来简单的了解下面向对象的一些基本特征。

1. 什么是面向对象编程（OOP）？

面向对象编程（Object-Oriented Programming，OOP）是一种程序设计范式，它以对象为中心，将数据和操作数据的方法（函数）组合到一个单元中，这个单元就是对象。每个对象都是类的一个实例，而类则定义了对象的属性（数据）和方法（代码）。换句话说，面向对象编程将现实世界中的实体抽象为程序中的对象，这些对象可以相互交互、传递消息，并且可以继承和扩展。

面向对象编程通常具有以下几个核心概念：

类（Class）：定义了对象的模板，包括数据和方法。
对象（Object）：类的实例，具有特定的属性和方法。
封装（Encapsulation）：将数据（属性）和操作数据的方法（函数）封装到对象中，使得对象的内部细节对外部不可见。
继承（Inheritance）：允许一个类（子类）继承另一个类（父类）的属性和方法，并且可以添加自己的特定属性和方法。
多态（Polymorphism）：允许不同类的对象对同一个方法做出不同的响应，提高代码的灵活性和可重用性。

很好，上面的概念，你已经云里雾里了。那么下面我们简单来讲一下。

一个简单的例子：

假设我们要模拟一个动物园中的动物。我们可以使用定义一个 Animal（动物）类，并创建具体的动物对象。这就是面向对象编程的两个概念了，类、对象。

# 定义 Animal（动物）类
class Animal:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age

    def make_sound(self):
        pass

# 定义具体的动物类：猫（Cat）和狗（Dog）
class Cat(Animal):
    def make_sound(self):
        return "Meow"

class Dog(Animal):
    def make_sound(self):
        return "Woof"

# 创建动物对象
cat1 = Cat("Kitty", 3)
dog1 = Dog("Buddy", 5)

# 调用动物对象的方法
print(cat1.name, "says:", cat1.make_sound())  # 输出：Kitty says: Meow
print(dog1.name, "says:", dog1.make_sound())  # 输出：Buddy says: Woof

上面的代码，我们一步步来说：

第一步：首先定义了一个 Animal（动物）类，它有两个属性 name（名字）和 age（年龄）。在 __init__ 构造函数中，我们初始化了这两个属性。

第二步：Animal 类有一个 make_sound（发出声音）方法，但在基类中我们只定义了方法的签名，没有具体的实现。这是因为我们无法确定所有动物的叫声，具体的叫声会在子类中实现。

第三步：然后我们定义了两个具体的动物类 Cat（猫）和 Dog（狗），它们都继承自 Animal 类。这意味着 Cat 和 Dog 类会继承 Animal 类的属性和方法，并且可以根据需要添加自己的属性和方法。

第四步：在 Cat 类和 Dog 类中，我们重写了 make_sound 方法，分别返回了猫和狗的叫声

第五步：最后，我们创建了两个具体的动物对象 cat1 和 dog1，分别是一只名叫 "Kitty" 的猫和一只名叫 "Buddy" 的狗。

第六步：我们调用了这两个动物对象的 make_sound 方法，并打印出它们的名字和叫声。

上面总共讲了6步，6步里面涉及到了：类（Class）、对象（Object）、封装（Encapsulation）、继承（Inheritance）、多态（Polymorphism）。这些概念，具体怎么看呢？往下看：

类：Animal、Cat、Dog 分别是类，它们定义了对象的模板，包括属性和方法。
对象：cat1 和 dog1 是 Cat 和 Dog 类的对象，它们是具体的实例，具有特定的属性和方法。
封装：每个动物对象封装了自己的属性 name 和 age，并且调用了自己的 make_sound 方法。
继承：Cat 和 Dog 类继承了 Animal 类的属性和方法，避免了重复定义。
多态：make_sound 方法在不同的子类中表现出不同的行为，根据对象的类型返回不同的叫声。

那么，你现在将这些概念，一个个对应到前面的六步中去，你就大概明白了。明白个大概也行！

下面接着讲.......

2. 类和对象

让我们以一个仍然用上面的例子来说明什么是类和对象。我们创建了一个"动物"（Animal）类，然后创建该类的对象，比如"狗"（Dog）和"猫"（Cat）。

2.1 类的定义和创建

我们可以定义一个"动物"（Animal）类，该类具有一些基本属性（如名称和年龄），以及一些行为（如发出声音）。

class Animal:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age

    def make_sound(self):
        pass  # 此处留空，因为这是一个抽象的动作，每种动物发出的声音不同，后续会在子类中实现

在这个类中，我们定义了一个构造函数 __init__()，它接收 name 和 age 作为参数，并将它们分配给对象的属性。我们还定义了一个 make_sound() 方法，但目前它什么也不做，因为每种动物发出的声音都不同，所以我们会在子类中覆盖这个方法。

2.2 对象的创建和使用

现在，让我们创建具体的动物对象，比如一个狗对象和一个猫对象，并使用它们的属性和方法。

class Dog(Animal):
    def make_sound(self):
        return "Woof!"

class Cat(Animal):
    def make_sound(self):
        return "Meow!"

# 创建狗对象和猫对象
my_dog = Dog("Buddy", 3)
my_cat = Cat("Whiskers", 5)

# 访问对象的属性
print(f"My dog's name is {my_dog.name} and it is {my_dog.age} years old.")
print(f"My cat's name is {my_cat.name} and it is {my_cat.age} years old.")

# 调用对象的方法
print(f"My dog says: {my_dog.make_sound()}")
print(f"My cat says: {my_cat.make_sound()}")

2.3 类和对象的关系

在这个例子中，Animal 是一个基类（父类），它定义了动物的基本属性和方法。然后，Dog 和 Cat 是 Animal 类的子类（也可以称为派生类），它们继承了 Animal 类的属性和方法，并且还可以定义自己独特的属性和方法。

当我们创建 my_dog 和 my_cat 时，实际上是在内存中实例化了两个对象，每个对象都有自己的 name 和 age 属性，并且可以调用 make_sound() 方法。

类是对对象的抽象，它定义了对象的属性和方法。
对象是类的实例，它具体化了类的定义，并可以执行类中定义的操作。

类和对象之间的关系就像是模具和制造出的产品之间的关系：模具定义了产品的形状和特性，而产品则是模具的具体实例。

2.4 属性和方法

2.4.1 实例属性和类属性

实例属性：实例属性是指属于特定实例的属性。它们在创建实例时被赋予，并且每个实例都可以有不同的值。通常在类的 __init__ 方法中初始化。

class Car:
    def __init__(self, make, model, year):
        self.make = make
        self.model = model
        self.year = year

在这里，make, model, 和 year 就是 Car 类的实例属性。

类属性：属于类本身的属性，被所有类的实例共享。可以直接在类定义中设置。

class Car:
    num_cars = 0  # 类属性

    def __init__(self, make, model, year):
        self.make = make
        self.model = model
        self.year = year
        Car.num_cars += 1  # 每创建一个实例，num_cars 加一

在这里，num_cars 就是 Car 类的类属性，它被所有 Car 类的实例共享。

2.4.2 实例方法和类方法

实例方法：操作实例属性的方法，第一个参数通常是 self，代表对象本身。可以访问实例属性，并且可以改变实例的状态。

class Car:
    def __init__(self, brand):
        self.brand = brand
        self.speed = 0

    def accelerate(self, amount):
        self.speed += amount

    def brake(self, amount):
        self.speed -= amount

car1 = Car("Toyota")
print(car1.speed)  # 输出: 0
car1.accelerate(50)
print(car1.speed)  # 输出: 50
car1.brake(20)
print(car1.speed)  # 输出: 30

accelerate 、brake 就是 Car 类的实例方法，用于打印汽车信息。

类方法：操作类属性的方法，使用 @classmethod 装饰器定义，第一个参数通常是 cls，代表类本身。可以访问类属性，并且可以在整个类上执行操作。

class Dog:
    num_of_dogs = 0

    def __init__(self, name):
        self.name = name
        Dog.num_of_dogs += 1

    @classmethod
    def get_num_of_dogs(cls):
        return cls.num_of_dogs

dog1 = Dog("Buddy")
dog2 = Dog("Max")
print(Dog.get_num_of_dogs())  # 输出: 2

get_num_of_dogs 就是 Dog 类的类方法，用于显示狗总数。

2.4.3 静态方法

静态方法：不操作实例属性或类属性的方法，使用 @staticmethod 装饰器定义。它们与类无关，不传递 self 或 cls 参数。可以在类中定义，但是不能访问 self 或 cls。

class Math:
    @staticmethod
    def add(x, y):
        return x + y

result = Math.add(5, 10)
print(result)  # 输出: 15

add 就是 Math 类的静态方法，提供关于类的一般信息。

以上是关于Python中类（Class）、对象（Object）以及属性和方法的基本概念。希望对你的理解有帮助。

封装、继承和多态作为Python面向对象编程（OOP）三个核心概念，它们是面向对象程序设计的基石，允许我们以更加模块化、可维护的方式编写代码。下面我们一起来学习。

3. 封装 (Encapsulation)

封装是指将数据（属性）和操作数据的方法（方法）捆绑在一起的机制。在封装中，对象的内部细节被隐藏起来，只有特定的方法才能访问和操作这些细节。这有助于确保数据的安全性和代码的可维护性。

封装具有以下优势：

优势	描述
安全性	隐藏对象的实现细节，防止外部直接访问和修改对象的内部状态，从而保护数据的安全性。
简化调用	使用者无需了解对象的内部实现细节，只需知道如何使用对象提供的接口即可。这简化了调用对象的过程，降低了使用的复杂度。
降低耦合度	封装使得对象的内部改变不会影响到外部的代码。对象的内部细节可以自由改变，而不会影响到使用该对象的其他部分。
提高代码的可维护性	封装使得代码模块化，每个模块都有清晰的功能和接口。当需要修改代码时，可以更容易地定位和修改相关的部分。

3.1 如何实现封装？

封装可以通过访问控制和访问修饰符来实现。主要有两种访问修饰符：公有属性和方法、私有属性和方法。

公有属性和方法 (Public Attributes and Methods)

可以被类的外部访问。在 Python 中，默认情况下，类的所有属性和方法都是公有的。

class Person:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name   # 公有属性
        self.age = age     # 公有属性

    def get_name(self):
        return self.name   # 公有方法

# 使用公有属性和方法
person1 = Person("Tiyong", 30)
print(person1.name)  # 输出: Tiyong
print(person1.get_name())  # 输出: Tiyong

在这个例子中，Person类有一个公有方法 get_name()，那么其他类或代码可以通过调用这个方法来获取对象的名称。同样，有一个公有属性 age，那么其他类或代码可以直接访问和修改这个属性。所以，我们的实例对象就可以访问公共的属性和方法。

私有属性和方法 (Private Attributes and Methods)

只能在类的内部访问，外部无法直接访问。在 Python 中，可以在属性名或方法名前加上双下划线 ‘__’ 来定义私有属性和方法。

class Person:
    def __init__(self, name, age):
        self.__name = name   # 私有属性
        self.__age = age     # 私有属性

    def __display_info(self):
        return f"Name: {self.__name}, Age: {self.__age}"   # 私有方法

# 外部无法直接访问私有属性和方法
person1 = Person("TiYong", 25)
# print(person1.__name)  # 这会引发错误，因为__name是私有属性
# print(person1.__display_info())  # 这会引发错误，因为__display_info()是私有方法

在上面的例子中：person1对象就不能访问__name私有属性和__display_info()私有方法。

尽管外部无法直接访问私有属性和方法，但我们仍然可以通过公有方法来间接访问和操作它们。这种间接访问的方式使得我们可以控制对象的状态和行为，确保数据的一致性和安全性。

class Person:
    def __init__(self, name, age):
        self.__name = name   # 私有属性
        self.__age = age     # 私有属性

    def get_name(self):
        return self.__name   # 公有方法

    def set_name(self, new_name):
        self.__name = new_name   # 公有方法，用于修改私有属性

    def display_info(self):
        return f"Name: {self.__name}, Age: {self.__age}"   # 公有方法

# 通过公有方法访问和修改私有属性
person1 = Person("TiYong", 30)
print(person1.get_name())  # 输出: TiYong
person1.set_name("Toy")
print(person1.display_info())  # 输出: Name: Toy, Age: 30

那么，封装通过隐藏对象的内部细节、定义清晰的接口，提高了代码的安全性、可维护性和复用性，这就使得我们的程序更加健壮和易于开发与维护了。

4. 继承（Inheritance）

继承就是允许一个类（称为子类或派生类）继承另一个类（称为父类或基类）的属性和方法。子类可以继承父类的特性，并且可以在此基础上添加自己的新特性。这种机制允许代码的重用和层次化的设计。继承，就是字面上意思，继承。

4.1 继承的类型

4.1.1 单继承

单继承是指一个子类只能继承一个父类的属性和方法。这是最简单和最常见的继承类型。

class ParentClass:
    def parent_method(self):
        print("Parent method")

class ChildClass(ParentClass):
    def child_method(self):
        print("Child method")

# 子类继承父类的方法
child = ChildClass()
child.parent_method()  # 输出: Parent method
child.child_method()   # 输出: Child method

4.1.2 多继承

多继承是指一个子类可以同时继承多个父类的属性和方法。这使得子类可以具有多个父类的特性，但也可能引发一些复杂性和歧义。

class ParentClass1:
    def method1(self):
        print("Method 1 from ParentClass1")

class ParentClass2:
    def method2(self):
        print("Method 2 from ParentClass2")

class ChildClass(ParentClass1, ParentClass2):
    def child_method(self):
        print("Child method")

# 子类继承多个父类的方法
child = ChildClass()
child.method1()  # 输出: Method 1 from ParentClass1
child.method2()  # 输出: Method 2 from ParentClass2
child.child_method()  # 输出: Child method

4.1.3 Python的继承顺序（MRO）

在多继承的情况下，Python 使用 C3 线性化算法来确定方法解析顺序（Method Resolution Order, MRO）。MRO 定义了类的方法解析顺序，确保在继承链中查找方法时，按照一定的顺序进行搜索。

可以通过调用类的 mro() 方法来查看方法的解析顺序：

print(ChildClass.mro())
# 输出: [<class '__main__.ChildClass'>, <class '__main__.ParentClass1'>, <class '__main__.ParentClass2'>, <class 'object'>]

4.2 继承的优势

继承允许子类重用父类的代码，避免了重复编写相同的代码片段。子类可以直接使用父类已经定义的方法和属性。

优势	描述
代码重用	子类可以直接使用父类已经定义的方法和属性，避免了重复编写相同的代码片段。
可扩展性	子类可以在不修改父类的情况下，添加新的属性和方法，从而使得代码更具可扩展性。这样可以在不影响父类的基础上，为程序添加新的功能。

4.3 继承的实际应用

4.3.1 创建子类

通过继承可以创建子类，实现代码的重用和层次化的设计。子类可以继承父类的方法和属性，并且可以添加自己的方法和属性。

class Animal:
    def speak(self):
        pass

class Dog(Animal):
    def speak(self):
        return "Woof!"

class Cat(Animal):
    def speak(self):
        return "Meow!"

dog = Dog()
print(dog.speak())  # 输出: Woof!

cat = Cat()
print(cat.speak())  # 输出: Meow!

4.3.2 覆盖父类方法（Method Overriding）

子类可以覆盖父类的方法，即在子类中重新定义与父类同名的方法。这样做可以根据子类的需求修改方法的实现。

class Bird:
    def speak(self):
        return "Chirp!"

class Parrot(Bird):
    def speak(self):
        return "Polly wants a cracker!"

parrot = Parrot()
print(parrot.speak())  # 输出: Polly wants a cracker!

4.3.3 调用父类方法（`super()` 函数）

子类中可以通过 super() 函数调用父类的方法。这在子类需要扩展父类方法的功能时非常有用。

class Rectangle:
    def __init__(self, length, width):
        self.length = length
        self.width = width

    def area(self):
        return self.length * self.width

class Square(Rectangle):
    def __init__(self, side_length):
        super().__init__(side_length, side_length)  # 调用父类的 __init__() 方法

square = Square(5)
print(square.area())  # 输出: 25

在上面的例子中，Square 类继承自 Rectangle 类，并通过 super() 函数调用了 Rectangle 类的 __init__() 方法，实现了对正方形的初始化。

以上，就大概是继承的内容了。

5. 多态（Polymorphism）

多态是指允许对象在不同的情况下表现出不同的行为。简单地说，多态性意味着相同的方法调用可能会有不同的实现方式，具体取决于调用该方法的对象的类型或类的实现。

5.1 多态的实现方式

5.1.1 方法重写（Method Overriding）

方法重写是实现多态的一种方式，它允许子类覆盖（重写）父类的方法，以便在子类中实现特定的行为。当子类重新定义了与父类同名的方法时，调用这个方法时会执行子类的实现。通过一个例子展示方法重写：

class Animal:
    def speak(self):
        raise NotImplementedError("Subclass must implement abstract method")

class Dog(Animal):
    def speak(self):
        return "Woof!"

class Cat(Animal):
    def speak(self):
        return "Meow!"

# 多态性的体现
def animal_sound(animal):
    return animal.speak()

dog = Dog()
cat = Cat()

print(animal_sound(dog))  # 输出: Woof!
print(animal_sound(cat))  # 输出: Meow!

5.1.2 方法重载（Method Overloading）

方法重载是一种在同一个类中，方法名称相同但参数列表不同的技术。但是，在Python中，并没有像其他编程语言那样直接支持方法重载的特性，不过，可以通过一些技巧来模拟。

比如：使用默认参数值或者 *args 和 **kwargs 参数来实现类似方法重载的效果。

class Calculator:
    def add(self, a, b):
        return a + b

    def add(self, a, b, c):
        return a + b + c

calc = Calculator()
print(calc.add(2, 3))    # 输出: TypeError: add() missing 1 required positional argument: 'c'
print(calc.add(2, 3, 4))  # 输出: 9

5.2 多态的优势

优势	描述
灵活性和可扩展性	允许同一个方法有不同的实现方式，使得代码更加灵活和可扩展。当需要添加新的功能时，只需添加新的子类或覆盖现有方法，而不需要修改现有代码。
代码简洁性	可以编写更加简洁和清晰的代码。通过使用多态性，可以将相同的操作应用于不同类型的对象，从而减少了重复代码的编写。

5.3 多态的实际应用

5.3.1 多态的实例

多态在实际应用中非常多。

class Shape:
    def draw(self):
        pass

class Circle(Shape):
    def draw(self):
        return "Drawing Circle"

class Square(Shape):
    def draw(self):
        return "Drawing Square"

# 多态性的体现
def draw_shape(shape):
    return shape.draw()

circle = Circle()
square = Square()

print(draw_shape(circle))  # 输出: Drawing Circle
print(draw_shape(square))  # 输出: Drawing Square

例子，展示了在图形绘制中，不同的图形对象可以有不同的 draw 方法实现，但可以使用相同的方式进行绘制。Shape 是一个基类，Circle 和 Square 是它的子类，它们都有自己的 draw 方法实现。在调用 draw_shape 函数时，根据传入的参数不同，会执行不同子类的 draw 方法。

5.3.2 使用抽象基类（Abstract Base Classes）

abc 模块，可以通过抽象基类定义抽象方法，从而强制子类实现这些方法，实现接口的规范化。

from abc import ABC, abstractmethod

class Shape(ABC):
    @abstractmethod
    def draw(self):
        pass

class Circle(Shape):
    def draw(self):
        return "Drawing Circle"

class Square(Shape):
    def draw(self):
        return "Drawing Square"

# 多态性的体现
def draw_shape(shape):
    return shape.draw()

# 抽象基类确保子类实现了抽象方法
# rectangle = Shape()  # 会引发错误，因为 Shape 是抽象基类，不能实例化

circle = Circle()
square = Square()

print(draw_shape(circle))  # 输出: Drawing Circle
print(draw_shape(square))  # 输出: Drawing Square

在这个例子中，Shape 是一个抽象基类，定义了一个抽象方法 draw，所有继承自 Shape 的子类必须实现 draw 方法。这样可以确保所有的子类都有相同的接口，实现了多态的规范化。

通过上面的介绍，我们知道了多态使得代码更加灵活、可扩展、简洁。这也就是为什么面向对象那么受欢迎的原因了。

6. 实例展示

最后，我们通过两篇文章的学习，现在，我们通过实例代码来回顾一下所有的内容。

6.1 创建一个简单的封装类

示例： 定义一个 Car 类，封装汽车的属性和方法。

class Car:
    def __init__(self, make, model, year):
        self.make = make
        self.model = model
        self.year = year

    def __str__(self):
        return f"汽车信息：\n  品牌：{self.make}\n  型号：{self.model}\n  年份：{self.year}"

    def start(self):
        print(f"{self.make} {self.model} 已启动！")

car = Car("Toyota", "Camry", 2024)
print(car)
car.start()

输出如下：

汽车信息：
  品牌：Toyota
  型号：Camry
  年份：2024

Toyota Camry 已启动！

6.2 实现一个继承的示例

示例： 定义一个 ElectricCar 类，继承 Car 类并添加续航里程属性和方法。

# 定义Car类
class Car:
    def __init__(self, make, model, year):
        self.make = make
        self.model = model
        self.year = year

    def __str__(self):
        return f"汽车信息：\n  品牌：{self.make}\n  型号：{self.model}\n  年份：{self.year}"

    def start(self):
        print(f"{self.make} {self.model} 已启动！")

# 继承Car
class ElectricCar(Car):
    def __init__(self, make, model, year, range):
        super().__init__(make, model, year)
        self.range = range

    def __str__(self):
        return f"{super().__str__()}\n  续航里程：{self.range}公里"

electric_car = ElectricCar("Tesla", "Model 3", 2024, 600)
print(electric_car)

输出如下：

汽车信息：
  品牌：Tesla
  型号：Model 3
  年份：2024
  续航里程：600公里

6.3 演示多态的用例

示例： 定义一个 Vehicle 类，包含 drive() 方法，并定义 Car 和 Bicycle 两个子类，分别实现不同的 drive() 方法。

class Vehicle:
    def drive(self):
        raise NotImplementedError
# 多态重写
class Car(Vehicle):
    def drive(self):
        print("驾驶汽车...")

class Bicycle(Vehicle):
    def drive(self):
        print("骑自行车...")

car = Car()
bicycle = Bicycle()

vehicles = [car, bicycle]

for vehicle in vehicles:
    vehicle.drive()

输出如下：

驾驶汽车...
骑自行车...

总结

类、对象、封装、继承和多态的重要性总结如下表：

概念	描述	重要性
类	一种抽象数据类型，用于描述一组具有相同属性和方法的对象。	提高代码的组织性和可维护性，提高代码的复用性。
对象	类的实例，包含了类所定义的所有属性和方法。	提高代码的组织性和可维护性，提高代码的复用性。
封装	将对象的属性和方法隐藏在类中，对外只提供接口进行访问。	提高代码的安全性，提高代码的可维护性。
继承	允许子类继承父类的属性和方法的一种机制。	提高代码的复用性，提高代码的可扩展性。
多态	同一个方法可以对不同类型的对象执行不同的操作。	提高代码的灵活性，提高代码的可扩展性。