3.6　面向?qū)ο蠡A(chǔ)

20世紀(jì)60年代，人們首次提出面向?qū)ο螅∣bject Oriented，OO）的概念，發(fā)展至今已成為一種成熟的編程思想，并逐步成為軟件開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的主流技術(shù)。面向?qū)ο缶幊蹋∣bject Oriented Programming，OOP）主要針對(duì)大型軟件開(kāi)發(fā)，可以使軟件設(shè)計(jì)更加靈活，并且能更好地進(jìn)行代碼復(fù)用。

面向?qū)ο笾械膶?duì)象（Object）通常是指客觀世界中存在的對(duì)象，具有唯一性，對(duì)象之間各不相同，各有各的特點(diǎn)，每一個(gè)對(duì)象都有自己的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和內(nèi)部狀態(tài)；對(duì)象與對(duì)象之間可以相互聯(lián)系，相互作用。另外，對(duì)象也可以是一個(gè)抽象的事物，例如，可以從圓形、正方形、三角形等圖形抽象出一個(gè)簡(jiǎn)單圖形，簡(jiǎn)單圖形就是一個(gè)對(duì)象，它有自己的屬性和行為，圖形中邊的個(gè)數(shù)是它的屬性，圖形的面積也是它的屬性，輸出圖形的面積就是它的行為。概括地講，面向?qū)ο蠹夹g(shù)是一種從組織結(jié)構(gòu)上模擬客觀世界的方法。

3.6.1　面向?qū)ο蟾攀?/h4>

1．對(duì)象

世間萬(wàn)物皆對(duì)象，現(xiàn)實(shí)世界中的任意一個(gè)事物都是對(duì)象。對(duì)象是事物存在的實(shí)體，如一個(gè)人，如圖3.56所示。

通常將對(duì)象劃分為兩個(gè)部分，即靜態(tài)部分與動(dòng)態(tài)部分。靜態(tài)部分被稱(chēng)為“屬性”，任何對(duì)象都具備自身屬性，這些屬性不僅是客觀存在的，而且是不能被忽視的，如人的性別，如圖3.57所示；動(dòng)態(tài)部分指的是對(duì)象的行為，即對(duì)象可執(zhí)行的動(dòng)作，如人可以跑步，如圖3.58所示。

圖3.56　對(duì)象“人”的示意圖

圖3.57　靜態(tài)屬性“性別”示意圖

圖3.58　動(dòng)態(tài)屬性“跑步”示意圖

2．類(lèi)

類(lèi)是封裝對(duì)象的屬性和行為的載體，反過(guò)來(lái)說(shuō)具有相同屬性和行為的一類(lèi)實(shí)體被稱(chēng)為類(lèi)。例如，把雁群比作大雁類(lèi)，那么大雁類(lèi)就具備了喙、翅膀和爪等屬性，覓食、飛行和睡覺(jué)等行為，而一只要從北方飛往南方的大雁則被視為大雁類(lèi)的一個(gè)對(duì)象。大雁類(lèi)和大雁對(duì)象的關(guān)系如圖3.59所示。

圖3.59　大雁類(lèi)和大雁對(duì)象的關(guān)系圖

在Python語(yǔ)言中，類(lèi)是一種抽象概念。如定義一個(gè)大雁類(lèi)（Geese），在該類(lèi)中可以定義每個(gè)對(duì)象共有的屬性和方法；而一只要從北方飛往南方的大雁則是大雁類(lèi)的一個(gè)對(duì)象（wildGeese），對(duì)象是類(lèi)的實(shí)例。有關(guān)類(lèi)的具體實(shí)現(xiàn)將在3.6.2節(jié)中詳細(xì)介紹。

3．面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的特點(diǎn)

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)具有三大基本特征：封裝、繼承和多態(tài)。

1）封裝

封裝是面向?qū)ο缶幊痰暮诵乃枷耄瑢?duì)象的屬性和行為封裝起來(lái)，其載體就是類(lèi)。類(lèi)通常會(huì)對(duì)客戶(hù)隱藏其實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，這就是封裝的思想。例如，用戶(hù)使用計(jì)算機(jī)時(shí)，只需要使用手指敲擊鍵盤(pán)就可以實(shí)現(xiàn)一些功能，并不需要知道計(jì)算機(jī)內(nèi)部是如何工作的。

采用封裝思想可保證類(lèi)內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的完整性，使用該類(lèi)的用戶(hù)不能直接看到類(lèi)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而只能執(zhí)行類(lèi)允許公開(kāi)的數(shù)據(jù)，這樣就避免了外部對(duì)內(nèi)部數(shù)據(jù)的影響，提高了程序的可維護(hù)性。

使用類(lèi)實(shí)現(xiàn)封裝特性如圖3.60所示。

圖3.60　封裝特性示意圖

2）繼承

矩形、菱形、平行四邊形和梯形都是四邊形，它們具有共同的特征—擁有4條邊。

只要將四邊形適當(dāng)?shù)匮由欤蜁?huì)得到矩形、菱形、平行四邊形和梯形4種圖形。以平行四邊形為例，如果把平行四邊形看作四邊形的延伸，那么平行四邊形就復(fù)用了四邊形的屬性和行為，同時(shí)添加了平行四邊形特有的屬性和行為，如平行四邊形的對(duì)邊平行且相等的特性。在Python中，可以把平行四邊形類(lèi)看作是繼承四邊形類(lèi)后產(chǎn)生的類(lèi)，其中，四邊形類(lèi)稱(chēng)為父類(lèi)或超類(lèi)，平行四邊形類(lèi)稱(chēng)為子類(lèi)。值得注意的是，可以說(shuō)平行四邊形是特殊的四邊形，但不能說(shuō)四邊形是平行四邊形。同理，Python中可以說(shuō)子類(lèi)的實(shí)例都是父類(lèi)的實(shí)例，但不能說(shuō)父類(lèi)的實(shí)例是子類(lèi)的實(shí)例。四邊形類(lèi)層次結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.61所示。

綜上所述，繼承是實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用的重要手段，子類(lèi)通過(guò)繼承復(fù)用了父類(lèi)的屬性和行為，同時(shí)又添加了子類(lèi)特有的屬性和行為。

3）多態(tài)

各個(gè)子類(lèi)在繼承父類(lèi)特征的基礎(chǔ)上，增加自己獨(dú)有的新特征，將各自區(qū)別開(kāi)來(lái)的狀態(tài)，就稱(chēng)為多態(tài)。比如創(chuàng)建一個(gè)螺絲類(lèi)，螺絲類(lèi)有兩個(gè)屬性：粗細(xì)和螺紋密度；然后再創(chuàng)建了兩個(gè)類(lèi)，一個(gè)是長(zhǎng)螺絲類(lèi)，一個(gè)是短螺絲類(lèi)，并且它們都繼承了螺絲類(lèi)。這樣長(zhǎng)螺絲類(lèi)和短螺絲類(lèi)不僅具有相同的特征（粗細(xì)相同，且螺紋密度也相同），還具有不同的特征（一個(gè)長(zhǎng)，一個(gè)短，長(zhǎng)的可以用來(lái)固定大型支架，短的可以固定生活中的家具）。綜上所述，一個(gè)螺絲類(lèi)衍生出不同的子類(lèi)，子類(lèi)繼承父類(lèi)特征的同時(shí)也具備了自己的特征，并且能夠?qū)崿F(xiàn)不同的效果，這就是多態(tài)。螺絲類(lèi)層次結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.62所示。

圖3.61　四邊形類(lèi)層次結(jié)構(gòu)示意圖

圖3.62　螺絲類(lèi)層次結(jié)構(gòu)示意圖

3.6.2　類(lèi)的定義和使用

在Python中，類(lèi)表示具有相同屬性和方法的對(duì)象的集合。在使用類(lèi)時(shí)，需要先定義類(lèi)，然后再創(chuàng)建類(lèi)的實(shí)例，通過(guò)類(lèi)的實(shí)例就可以訪(fǎng)問(wèn)類(lèi)中的屬性和方法。

1．定義類(lèi)

Python中，類(lèi)的定義使用class關(guān)鍵字來(lái)實(shí)現(xiàn)，語(yǔ)法如下：

class ClassName:
'''類(lèi)的幫助信息'''         #類(lèi)文檔字符串
    statement              #類(lèi)體

參數(shù)說(shuō)明：

　ClassName：用于指定類(lèi)名，一般使用大寫(xiě)字母開(kāi)頭。如果類(lèi)名中包括兩個(gè)單詞，第二個(gè)單詞的首字母也大寫(xiě)，這種命名方法也稱(chēng)為“駝峰式命名法”。當(dāng)然，也可根據(jù)自己的習(xí)慣命名，但是一般推薦按照慣例來(lái)命名。

　'''類(lèi)的幫助信息'''：用于指定類(lèi)的文檔字符串，定義該字符串后，在創(chuàng)建類(lèi)的對(duì)象時(shí)，輸入類(lèi)名和左側(cè)的括號(hào)“(”后，將顯示該信息。

　statement：類(lèi)體，主要由類(lèi)變量（或類(lèi)成員）、方法和屬性等定義語(yǔ)句組成。如果在定義類(lèi)時(shí)，沒(méi)想好類(lèi)的具體功能，也可以在類(lèi)體中直接使用pass語(yǔ)句代替。

例如，下面以大雁為例聲明一個(gè)類(lèi)，代碼如下：

class Geese:
'''大雁類(lèi)'''
    pass

2．創(chuàng)建類(lèi)的實(shí)例

定義完類(lèi)后，并不會(huì)真正創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例。類(lèi)的定義有點(diǎn)像汽車(chē)的設(shè)計(jì)圖紙，可以告訴你汽車(chē)長(zhǎng)什么樣，但它本身并不是一個(gè)汽車(chē)，你不能駕駛它，卻可以用它來(lái)建造真正的汽車(chē)，而且可以用來(lái)制造很多汽車(chē)。

如何創(chuàng)建實(shí)例呢？class語(yǔ)句本身并不創(chuàng)建該類(lèi)的任何實(shí)例。所以在類(lèi)定義完成以后，可以創(chuàng)建類(lèi)的實(shí)例，即實(shí)例化該類(lèi)的對(duì)象。創(chuàng)建類(lèi)的實(shí)例的語(yǔ)法如下：

ClassName(parameterlist)

其中，ClassName是必選參數(shù)，用于指定具體的類(lèi)；parameterlist是可選參數(shù)，當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)類(lèi)時(shí)，沒(méi)有創(chuàng)建__init__()方法，或者_(dá)_init__()方法只有一個(gè)self參數(shù)時(shí)，parameterlist可以省略。

例如，創(chuàng)建上文定義的Geese類(lèi)的實(shí)例，可以使用下面的代碼：

wildGoose = Geese()         #創(chuàng)建大雁類(lèi)的實(shí)例
print(wildGoose)

執(zhí)行上面的代碼，將顯示類(lèi)似下面的內(nèi)容：

<__main__.Geese object at 0x0000000002F47AC8>

從上面的執(zhí)行結(jié)果中可以看出，wildGoose是Geese類(lèi)的實(shí)例。

3．創(chuàng)建__init__()方法

創(chuàng)建完一個(gè)類(lèi)后，需要為其創(chuàng)建__init__()方法。該方法類(lèi)似于Java語(yǔ)言中的構(gòu)造方法，每當(dāng)創(chuàng)建類(lèi)的新實(shí)例時(shí)，Python都會(huì)自動(dòng)執(zhí)行它。__init__()方法必須包含一個(gè)self參數(shù)，并且必須是第1個(gè)參數(shù)。self參數(shù)是一個(gè)指向?qū)嵗旧淼囊茫糜谠L(fǎng)問(wèn)類(lèi)中的屬性和方法。在方法調(diào)用時(shí)會(huì)自動(dòng)傳遞實(shí)際參數(shù)self，因此當(dāng)__init__()方法只有一個(gè)參數(shù)時(shí)，創(chuàng)建類(lèi)的實(shí)例時(shí)將不再需要指定實(shí)際參數(shù)。

下面仍然以大雁為例，聲明一個(gè)Geese類(lèi)，并且創(chuàng)建__init__()方法，代碼如下：

運(yùn)行上面的代碼，將輸出以下內(nèi)容：

我是大雁類(lèi)！

從運(yùn)行結(jié)果可以看出，創(chuàng)建大雁類(lèi)實(shí)例時(shí)雖然沒(méi)有為_(kāi)_init__()方法指定參數(shù)，該方法仍會(huì)自動(dòng)執(zhí)行。

在__init__()方法中，除self參數(shù)外，還可以自定義一些參數(shù)，參數(shù)間使用逗號(hào)“,”進(jìn)行分隔。例如，下面的代碼將在創(chuàng)建__init__()方法時(shí)再指定3個(gè)參數(shù)，分別是beak、wing和claw。

執(zhí)行上面的代碼，將顯示如圖3.63所示的運(yùn)行結(jié)果。

圖3.63　創(chuàng)建__init__()方法時(shí)指定4個(gè)參數(shù)

4．創(chuàng)建類(lèi)的成員并訪(fǎng)問(wèn)

類(lèi)的成員主要由實(shí)例方法和數(shù)據(jù)成員組成。在類(lèi)中創(chuàng)建了類(lèi)成員后，可以通過(guò)類(lèi)的實(shí)例進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。

1）創(chuàng)建實(shí)例方法并訪(fǎng)問(wèn)

所謂實(shí)例方法，就是在類(lèi)中定義的函數(shù)，該函數(shù)需要在類(lèi)的實(shí)例上操作。同__init__()方法一樣，實(shí)例方法的第1個(gè)參數(shù)必須是self，并且必須包含一個(gè)self參數(shù)。創(chuàng)建實(shí)例方法的語(yǔ)法格式如下：

def functionName(self,parameterlist):
    block

參數(shù)說(shuō)明：

　functionName：用于指定方法名，一般使用小寫(xiě)字母開(kāi)頭。

　self：必要參數(shù)，表示類(lèi)的實(shí)例，其名稱(chēng)可以是self以外的單詞。

　parameterlist：用于指定除self參數(shù)外的參數(shù)，各參數(shù)間使用逗號(hào)“,”進(jìn)行分隔。

　block：方法體，表示要實(shí)現(xiàn)的具體功能。

實(shí)例方法創(chuàng)建完成后，可以通過(guò)類(lèi)的實(shí)例名稱(chēng)和點(diǎn)操作符（.）進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，語(yǔ)法格式如下：

instanceName.functionName(parametervalue)

參數(shù)說(shuō)明：

　instanceName：類(lèi)的實(shí)例名稱(chēng)。

　functionName：要調(diào)用的方法名稱(chēng)。

　parametervalue：對(duì)應(yīng)的實(shí)際參數(shù)，其數(shù)量比parameterlist的個(gè)數(shù)少1。

【實(shí)例3.19】　創(chuàng)建大雁類(lèi)并定義飛行方法。（實(shí)例位置：資源包\Code\03\19）

具體代碼如下：

運(yùn)行結(jié)果如圖3.64所示。

圖3.64　創(chuàng)建大雁類(lèi)并定義飛行方法

    def fly(self, state = "我會(huì)飛行"):

2）創(chuàng)建數(shù)據(jù)成員并訪(fǎng)問(wèn)

數(shù)據(jù)成員是指在類(lèi)中定義的變量，即屬性。根據(jù)定義位置，又可以分為類(lèi)屬性和實(shí)例屬性。

　類(lèi)屬性：定義在類(lèi)中，并且在函數(shù)體外的屬性。類(lèi)屬性可以在類(lèi)的所有實(shí)例之間共享值，也就是在所有實(shí)例化的對(duì)象中公用。類(lèi)屬性可以通過(guò)類(lèi)名或者實(shí)例名進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。

例如，定義一個(gè)大雁類(lèi)Geese，在該類(lèi)中定義3個(gè)類(lèi)屬性，用于記錄雁類(lèi)的特征，代碼如下：

創(chuàng)建上面的類(lèi)Geese，然后創(chuàng)建該類(lèi)的實(shí)例，代碼如下：

geese = Geese()         #實(shí)例化一個(gè)雁類(lèi)的對(duì)象

應(yīng)用上面的代碼創(chuàng)建完Geese類(lèi)的實(shí)例后，將顯示以下內(nèi)容：

我屬于雁類(lèi)！我有以下特征：
脖子較長(zhǎng)
振翅頻率高
腿位于身體的中心支點(diǎn)，行走自如

下面通過(guò)一個(gè)具體的實(shí)例演示類(lèi)屬性在類(lèi)的所有實(shí)例之間共享值的應(yīng)用。

【實(shí)例3.20】　創(chuàng)建大雁類(lèi)并共享類(lèi)屬性。（實(shí)例位置：資源包\Code\03\20）

定義一個(gè)大雁類(lèi)Geese，并在該類(lèi)中定義4個(gè)類(lèi)屬性，前3個(gè)用于記錄大雁類(lèi)的特征，第4個(gè)用于記錄實(shí)例編號(hào)，然后定義一個(gè)構(gòu)造方法，在該構(gòu)造方法中將記錄實(shí)例編號(hào)的類(lèi)屬性進(jìn)行加1操作，并輸出4個(gè)類(lèi)屬性的值，最后通過(guò)for循環(huán)創(chuàng)建4個(gè)大雁類(lèi)的實(shí)例，代碼如下：

運(yùn)行結(jié)果如圖3.65所示。

圖3.65　通過(guò)類(lèi)屬性統(tǒng)計(jì)類(lèi)的實(shí)例個(gè)數(shù)

Python中除了可以通過(guò)類(lèi)名稱(chēng)訪(fǎng)問(wèn)類(lèi)屬性，還可以動(dòng)態(tài)地為類(lèi)和對(duì)象添加屬性。例如，在實(shí)例3.20的基礎(chǔ)上為雁類(lèi)添加一個(gè)beak屬性，并通過(guò)類(lèi)的實(shí)例訪(fǎng)問(wèn)該屬性，可以在上面代碼的后面再添加以下代碼：

01  Geese.beak = "喙的基部較高，長(zhǎng)度和頭部的長(zhǎng)度幾乎相等"  #添加類(lèi)屬性
02  print("第2只大雁的喙：",list1[1].beak)                 #訪(fǎng)問(wèn)類(lèi)屬性

　實(shí)例屬性：指定義在類(lèi)的方法中的屬性，只作用于當(dāng)前實(shí)例。

例如，定義一個(gè)雁類(lèi)Geese，在該類(lèi)的__init__()方法中定義3個(gè)實(shí)例屬性，用于記錄雁類(lèi)的特征，代碼如下：

創(chuàng)建上面的類(lèi)Geese，然后創(chuàng)建該類(lèi)的實(shí)例，代碼如下：

geese = Geese()          #實(shí)例化一個(gè)雁類(lèi)的對(duì)象

應(yīng)用上面的代碼創(chuàng)建Geese類(lèi)的實(shí)例后，將顯示以下內(nèi)容：

我屬于雁類(lèi)！我有以下特征：
脖子較長(zhǎng)
振翅頻率高
腿位于身體的中心支點(diǎn)，行走自如

對(duì)于實(shí)例屬性也可以通過(guò)實(shí)例名稱(chēng)修改，與類(lèi)屬性不同，通過(guò)實(shí)例名稱(chēng)修改實(shí)例屬性后，并不影響該類(lèi)的另一個(gè)實(shí)例中相應(yīng)的實(shí)例屬性的值。例如，定義一個(gè)雁類(lèi)，并在__init__()方法中定義一個(gè)實(shí)例屬性，然后創(chuàng)建兩個(gè)Geese類(lèi)的實(shí)例，并且修改第一個(gè)實(shí)例的實(shí)例屬性，最后分別輸出這兩個(gè)實(shí)例的實(shí)例屬性，代碼如下：

運(yùn)行上面的代碼，將顯示以下內(nèi)容：

脖子較長(zhǎng)
脖子較長(zhǎng)
goose1的neck屬性： 脖子沒(méi)有天鵝的長(zhǎng)
goose2的neck屬性： 脖子較長(zhǎng)

5．訪(fǎng)問(wèn)限制

在類(lèi)內(nèi)定義的屬性和方法，在類(lèi)外可以直接調(diào)用，從而隱藏類(lèi)內(nèi)部的復(fù)雜邏輯。Python并沒(méi)有對(duì)屬性和方法的訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限進(jìn)行限制。為了保證類(lèi)內(nèi)部的某些屬性或方法不被外部所訪(fǎng)問(wèn)，可以在屬性或方法名前面添加單下畫(huà)線(xiàn)（_foo）、雙下畫(huà)線(xiàn)（__foo）或首尾加雙下畫(huà)線(xiàn)（__foo__），從而限制訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限。

　首尾雙下畫(huà)線(xiàn)表示定義特殊方法，一般是系統(tǒng)定義名字，如__init__()。

　以單下畫(huà)線(xiàn)開(kāi)頭的表示protected（保護(hù)）類(lèi)型的成員，只允許類(lèi)本身和子類(lèi)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，但不能使用“from module import *”語(yǔ)句導(dǎo)入。

例如，創(chuàng)建一個(gè)Swan類(lèi)，定義保護(hù)屬性_neck_swan，并使用__init__()方法訪(fǎng)問(wèn)該屬性，然后創(chuàng)建Swan類(lèi)的實(shí)例，并通過(guò)實(shí)例名輸出保護(hù)屬性_neck_swan，代碼如下：

執(zhí)行上面的代碼，將顯示以下內(nèi)容：

__init__(): 天鵝的脖子很長(zhǎng)
直接訪(fǎng)問(wèn): 天鵝的脖子很長(zhǎng)

從上面的運(yùn)行結(jié)果可以看出，保護(hù)屬性可以通過(guò)實(shí)例名訪(fǎng)問(wèn)。

　雙下畫(huà)線(xiàn)表示private（私有）類(lèi)型的成員，只允許定義該方法的類(lèi)本身進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，而且也不能通過(guò)類(lèi)的實(shí)例進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，但是可以通過(guò)“類(lèi)的實(shí)例名._類(lèi)名__xxx”方式訪(fǎng)問(wèn)。

例如，創(chuàng)建一個(gè)Swan類(lèi)，定義私有屬性__neck_swan，并使用__init__()方法訪(fǎng)問(wèn)該屬性，然后創(chuàng)建Swan類(lèi)的實(shí)例，并通過(guò)實(shí)例名輸出私有屬性__neck_swan，代碼如下：

執(zhí)行上面的代碼后，將輸出如圖3.66所示的結(jié)果。

圖3.66　訪(fǎng)問(wèn)私有屬性

從上面的運(yùn)行結(jié)果可以看出，私有屬性不能直接通過(guò)實(shí)例名＋屬性名訪(fǎng)問(wèn)，可以在類(lèi)的實(shí)例方法中訪(fǎng)問(wèn)，也可以通過(guò)“實(shí)例名._類(lèi)名__xxx”的方式訪(fǎng)問(wèn)。