Python 面向对象进阶

1 面向对象三大特征介绍
2 继承
- 2.1 语法格式
- 2.2 类成员的继承和重写
- 2.3 查看类的继承层次结构
3 object根类
- 3.1 dir()查看对象属性
- 3.2 重写__str__()方法
4 多重继承
5 MRO()
6 super()获得父类定义
7 多态
8 特殊方法和运算符重载
9 特殊属性
10 对象的浅拷贝和深拷贝
11 组合
12 设计模式_工厂模式实现
13 设计模式_单例模式实现

1 面向对象三大特征介绍

Python是面向对象的语言，也支持面向对象编程的三大特性：继承、封装（隐藏）、多态。

封装（隐藏）
隐藏对象的属性和实现细节，只对外提供必要的方法。相当于将“细节封装起来”，只对外暴露“相关调用方法”。
通过前面学习的“私有属性、私有方法”的方式，实现“封装”。Python追求简洁的语法，没有严格的语法级别的“访问控制符”，更多的是依靠程序员自觉实现。
继承
继承可以让子类具有父类的特性，提高了代码的重用性。
从设计上是一种增量进化，原有父类设计不变的情况下，可以增加新的功能，或者改进已有的算法。
多态
多态是指同一个方法调用由于对象不同会产生不同的行为。生活中这样的例子比比皆是：同样是休息方法，人不同休息方法不同。张三休息是睡觉，李四休息是玩游戏，程序员休息是“敲几行代码”。

2 继承

继承是面向对象程序设计的重要特征，也是实现“代码复用”的重要手段。
如果一个新类继承自一个设计好的类，就直接具备了已有类的特征，就大大降低了工作难度。已有的类，我们称为“父类或者基类”，新的类，我们称为“子类或者派生类”。
在这里插入图片描述

2.1 语法格式

Python支持多重继承，一个子类可以继承多个父类。继承的语法格式如下：

class  子类类名(父类1[，父类2，...])：
类体

如果在类定义中没有指定父类，则默认父类是object类。也就是说，object是所有类的父类，里面定义了一些所有类共有的默认实现，比如：__new__()。

定义子类时，必须在其构造函数中调用父类的构造函数__init__()(逻辑上的必须，而不是语法的必须)。调用格式如下：

父类名.__init__(self, 参数列表)

#测试继承的基本使用
class Person:

    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.__age = age    # 私有属性, 子类继承，不能直接用

    def say_age(self):
        print("年龄，年龄，我也不知道")

class Student(Person):

    def __init__(self, name, age, score):
        Person.__init__(self, name, age)    # 必须显示的调用父类的初始化方法，不然解释器不会去调用
        self.score = score


# Student-->Person-->object类

print(Student.mro())

s = Student("gaoqi", 18, 60)
s.say_age()
print(s.name)
#print(s.age)    # 私有属性, 子类继承，不能直接用
print(dir(s))
print(s._Person__age)

运行结果：

[<class '__main__.Student'>, <class '__main__.Person'>, <class 'object'>]
年龄，年龄，我也不知道
gaoqi
['_Person__age', '__class__', '__delattr__', '__dict__', '__dir__', '__doc__', '__eq__', '__format__', '__ge__', '__getattribute__', '__gt__', '__hash__', '__init__', '__init_subclass__', '__le__', '__lt__', '__module__', '__ne__', '__new__', '__reduce__', '__reduce_ex__', '__repr__', '__setattr__', '__sizeof__', '__str__', '__subclasshook__', '__weakref__', 'name', 'say_age', 'score']
18

2.2 类成员的继承和重写

成员继承：子类继承了父类除构造方法之外的所有成员。
方法重写：子类可以重新定义父类中的方法，这样就会覆盖父类的方法，也称为“重写”

【操作】继承和重写的案例

#测试方法的重写

class Person:

    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.__age = age    # 私有属性, 子类继承，不能直接用

    def say_age(self):
        print("我的年龄:",self.__age)

    def say_introduce(self):
        print("我的名字是{0}".format(self.name))

class Student(Person):

    def __init__(self, name, age, score):
        Person.__init__(self, name, age)    # 必须显示的调用父类的初始化方法，不然解释器不会去调用
        self.score = score

    def say_introduce(self):
        """重写了父类的方法"""
        print("报告老师，我的名字是：{0}".format(self.name))


# Student-->Person-->object类

s = Student("gaoqi", 18, 60)
s.say_age()
s.say_introduce()

执行结果：

我的年龄: 18
我的名字是gaoqi

2.3 查看类的继承层次结构

通过类的方法mro()或者类的属性__mro__可以输出这个类的继承层次结构。

【操作】查看类的继承层次结构

class A:pass
class B(A):pass
class C(B):pass

print(C.mro())

执行结果：

[<class '__main__.C'>, <class '__main__.B'>, <class '__main__.A'>, <class 'object'>]

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3 object根类

object类是所有类的父类，因此所有的类都有object类的属性和方法。我们显然有必要深入研究一下object类的结构。对于我们继续深入学习Python很有好处。

3.1 dir()查看对象属性

为了深入学习对象，我们先学习内置函数dir()，他可以让我们方便的看到指定对象所有的属性。

【测试】查看对象所有属性以及和object进行比对

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

    def say_age(self):
        print(self.name,"的年龄是：",self.age)


obj = object()
print(dir(obj))

s2 = Person("高淇",18)
print(dir(s2))

执行结果：

['__class__', '__delattr__', '__dir__', '__doc__', '__eq__', '__format__', '__ge__', '__getattribute__', '__gt__', '__hash__', '__init__', '__init_subclass__', '__le__', '__lt__', '__ne__', '__new__', '__reduce__', '__reduce_ex__', '__repr__', '__setattr__', '__sizeof__', '__str__', '__subclasshook__']

['__class__', '__delattr__', '__dict__', '__dir__', '__doc__', '__eq__', '__format__', '__ge__', '__getattribute__', '__gt__', '__hash__', '__init__', '__init_subclass__', '__le__', '__lt__', '__module__', '__ne__', '__new__', '__reduce__', '__reduce_ex__', '__repr__', '__setattr__', '__sizeof__', '__str__', '__subclasshook__', '__weakref__', 'age', 'name', 'say_age']

从上面我们可以发现这样几个要点：

Person对象增加了六个属性：

__dict__   __module__  __weakref__   age   name   say_age

object的所有属性，Person类作为object的子类，显然包含了所有的属性。
我们打印age、name、say_age，发现say_age虽然是方法，实际上也是属性。只不过，这个属性的类型是“method”而已。

	age <class 'int'>
	name <class 'str'>
	say_age <class 'method'>

【注】关于object这些属性的详细学习，会在后面学习中逐个涉及。在此，无法一一展开。

3.2 重写str()方法

object有一个__str__()方法，用于返回一个对于“对象的描述”，对应于内置函数str()经常用于print()方法，帮助我们查看对象的信息。str()可以重写。

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

    def __str__(self):    # 不重写时，默认打印类的信息<__main__.Person object at 0x000001EC814F6610>
        '''将对象转化成一个字符串，一般用于print方法'''
        return "名字是：{0},年龄是{1}".format(self.name,self.__age)

p = Person("高淇",18)
print(p)    #重写后调用重写后的方法

运行结果：

名字是：高淇,年龄是18

4 多重继承

Python支持多重继承，一个子类可以有多个“直接父类”。这样，就具备了“多个父类”的特点。但是由于，这样会被“类的整体层次”搞的异常复杂，尽量避免使用。

#多重继承
class A:
    def aa(self):
        print("aa")

class B:
    def bb(self):
        print("bb")

class C(B,A):
    def cc(self):
        print("cc")

c = C()
c.cc()
c.bb()
c.aa()

运算结果：

cc
bb
aa

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5 MRO()

Python支持多继承，如果父类中有相同名字的方法，在子类没有指定父类名时，解释器将“从左向右”按顺序搜索。
MRO（Method Resolution Order）：方法解析顺序。我们可以通过mro()方法获得“类的层次结构”，方法解析顺序也是按照这个“类的层次结构”寻找的。

#多重继承
class A:
    def aa(self):
        print("aa")

    def say(self):
        print("say AAA!")

class B:
    def bb(self):
        print("bb")

    def say(self):
        print("say BBB!")
class C(B,A):
    def cc(self):
        print("cc")

c = C()
print(C.mro())          #打印类的层次结构
c.say()                 #解释器寻找方法是“从左到右”的方式寻找，此时会执行B类中的say()

6 super()获得父类定义

在子类中，如果想要获得父类的方法时，我们可以通过super()来做。
super()代表父类的定义，不是父类对象。

# 测试super()，代表父类的定义

class A:

    def say(self):
        print("A",self)

class B(A):

    def say(self):
        # A.say(self)    # 调用父类的say方法
        super().say()    # 通过super()调用父类的方法，与 A.say(self) 效果一样
        print("B", self)

B().say()

运行结果：

A <__main__.B object at 0x0000024EDA1F6BE0>
B <__main__.B object at 0x0000024EDA1F6BE0>

7 多态

多态（polymorphism）是指同一个方法调用由于对象不同可能会产生不同的行为。在现实生活中，我们有很多例子。比如：同样是调用人的休息方法，张三的休息是睡觉，李四的休息是玩游戏，高淇老师是敲代码。同样是吃饭的方法，中国人用筷子吃饭，英国人用刀叉吃饭，印度人用手吃饭。
关于多态要注意以下2点：

多态是方法的多态，属性没有多态。
多态的存在有2个必要条件：继承、方法重写。

# 多态

class Man:
    def eat(self):
        print("饿了，吃法啦！")

class Chinese(Man):
    def eat(self):
        print("中国人用筷子吃饭")

class English(Man):
    def eat(self):
        print("英国人用叉子吃饭")

class Indian(Man):
    def eat(self):
        print("印度人用右手吃饭")

def manEat(m):
    if isinstance(m,Man):
        m.eat()    # 多态，一个方法调用，根据对象不同调用不同的方法
    else:
        print("不能吃饭")

manEat(Chinese())
manEat(English())
Chinese().eat()    # 与 m.eat() 效果相同

运行结果：

中国人用筷子吃饭
英国人用叉子吃饭
中国人用筷子吃饭

8 特殊方法和运算符重载

Python的运算符实际上是通过调用对象的特殊方法实现的（方法叫重写，运算符叫重载）。比如：

a = 20
b = 30
c = a+b
d = a.__add__(b)
print("c=",c)
print("d=",d)

运算结果：

c= 50
d= 50

常见的特殊方法统计如下：
注意

方法	说明	例子
`__init__`	构造方法	对象创建：p = Person()
`__del__`	析构方法	对象回收
`__repr__,__str__`	打印，转换	print(a)
`__call__`	函数调用	a()
`__getattr__`	点号运算	a.xxx
`__setattr__`	属性赋值	a.xxx = value
`__getitem__`	索引运算	a[key]
`__setitem__`	索引赋值	a[key]=value
`__len__`	长度	len(a)

每个运算符实际上都对应了相应的方法，统计如下：

运算符	特殊方法	说明
运算符+	`__add__`	加法
运算符-	`__sub__`	减法
<,<=,==	`__lt__,__le__，__eq__`	比较运算符

,>=,!= |__gt__,__ge__,__ne__ |比较运算符
|,^,& |__or__,__xor__,__and__ |或、异或、与
<<,>>| __lshift__,__rshift__| 左移、右移
*,/,%,//| __mul__,__truediv__,__mod__,__floordiv__ |乘、浮点除、模运算（取余）、整数除
** |__pow__| 指数运算

我们可以重写上面的特殊方法，即实现了“运算符的重载”。

# 测试运算符重载

class Person:
    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def __add__(self, other):
        if isinstance(other, Person):
            return "{0}——{1}".format(self.name, other.name)
        else:
            return "不是同类对象，不能相加"

    def __mul__(self, other):
        if isinstance(other, int):
            return self.name*other
        else:
            return "不是同类对象，不能相乘"

p1 = Person("高淇")
p2 = Person("高希希")

x = p1 + p2
print(x)

print(p1*3)

运算结果：

高淇——高希希
高淇高淇高淇

9 特殊属性

Python对象中包含了很多双下划线开始和结束的属性，这些是特殊属性，有特殊用法。这里我们列出常见的特殊属性：

特殊方法	含义
`obj.__dict__`	对象的属性字典
`obj.__class__`	对象所属的类
`class.__bases__`	类的基类元组（多继承）
`class.__base__`	类的基类
`class.__mro__`	类层次结构
`class.__subclasses__()`	子类列表

#特殊属性
class A:
    pass

class B:
    pass

class C(B,A):

    def __init__(self, nn):
        self.nn = nn

    def cc(self):
        print("cc")

c = C(3)

print(dir(c))    # 获得所有属性
print(c.__dict__)    # 获得属性字典
print(c.__class__)    # 获取所属类
print(C.__bases__)    # 获取类的基类元组
print(C.mro())    # 获取类层次结构
print(A.__subclasses__())    # 获取子类列表

运行结果：

['__class__', '__delattr__', '__dict__', '__dir__', '__doc__', '__eq__', '__format__', '__ge__', '__getattribute__', '__gt__', '__hash__', '__init__', '__init_subclass__', '__le__', '__lt__', '__module__', '__ne__', '__new__', '__reduce__', '__reduce_ex__', '__repr__', '__setattr__', '__sizeof__', '__str__', '__subclasshook__', '__weakref__', 'cc', 'nn']
{'nn': 3}
<class '__main__.C'>
(<class '__main__.B'>, <class '__main__.A'>)
[<class '__main__.C'>, <class '__main__.B'>, <class '__main__.A'>, <class 'object'>]
[<class '__main__.C'>]

10 对象的浅拷贝和深拷贝

变量的赋值操作
只是形成两个变量，实际还是指向同一个对象。
浅拷贝
Python拷贝一般都是浅拷贝。拷贝时，对象包含的子对象内容不拷贝。因此，源对象和拷贝对象会引用同一个子对象。
深拷贝
使用copy模块的deepcopy函数，递归拷贝对象中包含的子对象。源对象和拷贝对象所有的子对象也不同。

# 测试对象的引用赋值、浅拷贝、深拷贝

import copy

class MobilePhone:
    def __init__(self,cpu,screen):
        self.cpu = cpu
        self.screen = screen

class CPU:
    def calculate(self):
        print("算你个12345")
        print("cpu对象：",self)

class Screen:
    def show(self):
        print("显示一个好看的画面，亮瞎你的钛合金大眼")
        print("screen对象：", self)

# 测试变量赋值
print("测试变量赋值。。。")
c1 = CPU()
c2 = c1    #两个变量，但是指向了同一个对象
print(c1)
print(c2)
print("测试浅复制。。。")
# 测试浅复制
s1 = Screen()
m1 = MobilePhone(c1, s1)
m2 = copy.copy(m1)    #m2和m1拥有了一样的cpu对象和screen对象

print(m1, m1.cpu, m1.screen)
print(m2, m2.cpu, m2.screen)
print("测试深复制。。。")
# 测试深复制
m3 = copy.deepcopy(m1)    #m3和m1拥有不一样的cpu对象和screen对象

print(m1, m1.cpu, m1.screen)
print(m3, m3.cpu, m3.screen)

运算结果：

测试变量赋值。。。
<__main__.CPU object at 0x000001F6B87396D0>
<__main__.CPU object at 0x000001F6B87396D0>
测试浅复制。。。
<__main__.MobilePhone object at 0x000001F6B8739670> <__main__.CPU object at 0x000001F6B87396D0> <__main__.Screen object at 0x000001F6B8739190>
<__main__.MobilePhone object at 0x000001F6B87AC310> <__main__.CPU object at 0x000001F6B87396D0> <__main__.Screen object at 0x000001F6B8739190>
测试深复制。。。
<__main__.MobilePhone object at 0x000001F6B8739670> <__main__.CPU object at 0x000001F6B87396D0> <__main__.Screen object at 0x000001F6B8739190>
<__main__.MobilePhone object at 0x000001F6B87AC580> <__main__.CPU object at 0x000001F6B87DD370> <__main__.Screen object at 0x000001F6B87DD3A0>

11 组合

“is-a”关系，我们可以使用“继承”。从而实现子类拥有的父类的方法和属性。“is-a”关系指的是类似这样的关系：狗是动物，dog is animal。狗类就应该继承动物类。
“has-a”关系，我们可以使用“组合”，也能实现一个类拥有另一个类的方法和属性。”has-a”关系指的是这样的关系：手机拥有CPU。 MobilePhone has a CPU。
【操作】测试组合

# 测试组合

# 使用继承实现代码的复用
class A1:

    def say_a1(self):
        print("a1, a1, a1")

class B1(A1):
    pass

b1 = B1()
b1.say_a1()

# 使用组合实现代码的复用
class A2:
    def say_a2(self):
        print("a2, a2, a2")

class B2:
    def __init__(self, a):
        self.a = a

a2 = A2()
b2 = B2(a2)
b2.a.say_a2()

运行结果：

a1, a1, a1
a2, a2, a2

【操作】测试has-a关系，使用组合

# 测试has-a关系，使用组合

class MobilePhone:
    def __init__(self,cpu,screen):
        self.cpu = cpu
        self.screen = screen

class CPU:
    def calculate(self):
        print("算你个12345")
        print("cpu对象：",self)

class Screen:
    def show(self):
        print("显示一个好看的画面，亮瞎你的钛合金大眼")
        print("screen对象：", self)

m = MobilePhone(CPU(), Screen())
m.cpu.calculate()    #通过组合，我们也能调用cpu对象的方法。相当于手机对象间接拥有了“cpu的方法”
m.screen.show()

运算结果：

算你个12345
cpu对象： <__main__.CPU object at 0x0000020C595C6610>
显示一个好看的画面，亮瞎你的钛合金大眼
screen对象： <__main__.Screen object at 0x0000020C595C6BE0>

12 设计模式_工厂模式实现

设计模式是面向对象语言特有的内容，是我们在面临某一类问题时候固定的做法，设计模式有很多种，比较流行的是：GOF（Goup Of Four）23种设计模式。当然，我们没有必要全部学习，学习几个常用的即可。
对于初学者，我们学习两个最常用的模式：工厂模式和单例模式。
工厂模式实现了创建者和调用者的分离，使用专门的工厂类将选择实现类、创建对象进行统一的管理和控制。

# 测试工厂模式

class CarFactory:
    def creat_car(self, brand):
        if brand == "奔驰":
            return Benz()
        elif brand == "宝马":
            return BMW()
        elif brand == "比亚迪":
            return BYD()
        else:
            return "未知品牌，无法创建"

class Benz:
    pass

class BMW:
    pass

class BYD:
    pass

factory = CarFactory()
c1 = factory.creat_car("奔驰")
c2 = factory.creat_car("比亚迪")
print(c1)
print(c2)

运行结果：

<__main__.Benz object at 0x000002B534166BE0>
<__main__.BYD object at 0x000002B5341979D0>

13 设计模式_单例模式实现

单例模式（Singleton Pattern）的核心作用是确保一个类只有一个实例，并且提供一个访问该实例的全局访问点。

单例模式只生成一个实例对象，减少了对系统资源的开销。当一个对象的产生需要比较多的资源，如读取配置文件、产生其他依赖对象时，可以产生一个“单例对象”，然后永久驻留内存中，从而极大的降低开销。

单例模式有多种实现的方式，我们这里推荐重写__new__()的方法。

# 测试单例模式

class MySingleton:

    __obj = None    # 类属性
    __init_flag = True

    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        if cls.__obj == None:
            cls.__obj = object.__new__(cls)

        return cls.__obj

    def __init__(self, name):
        if MySingleton.__init_flag:
            print("init......")
            self.name = name
            MySingleton.__init_flag = False


a = MySingleton("aa")
b = MySingleton("bb")
print(a)
print(b)

运算结果：

init......
<__main__.MySingleton object at 0x00000194B0B76BE0>
<__main__.MySingleton object at 0x00000194B0B76BE0>

设计模式称之为“模式”，就是一些固定的套路。我们很容易用到其他场景上，比如前面讲的工厂模式，我们需要将工厂类定义成“单例”，只需要简单的套用即可实现：

# 测试工厂模式和单例模式的整合使用

class CarFactory:

    __obj = None    # 类属性
    __init_flag = True

    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        if cls.__obj == None:
            cls.__obj = object.__new__(cls)

        return cls.__obj

    def __init__(self):
        if CarFactory.__init_flag:
            print("init CarFactory...")
            CarFactory.__init_flag = False

    def creat_car(self, brand):
        if brand == "奔驰":
            return Benz()
        elif brand == "宝马":
            return BMW()
        elif brand == "比亚迪":
            return BYD()
        else:
            return "未知品牌，无法创建"

class Benz:
    pass

class BMW:
    pass

class BYD:
    pass

factory = CarFactory()
c1 = factory.creat_car("奔驰")
c2 = factory.creat_car("比亚迪")
print(c1)
print(c2)

factory2 = CarFactory()
print(factory)
print(factory2)

运算结果：

init CarFactory...
<__main__.Benz object at 0x000001A185D38A00>
<__main__.BYD object at 0x000001A185D4C040>
<__main__.CarFactory object at 0x000001A185D06BE0>
<__main__.CarFactory object at 0x000001A185D06BE0>