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类 —— Python 的实现

Author
Tenni Go
Published
2022/04/29
Updated
2021/07/04
Article Outline

类 —— Python 的实现

既然已经在不碰代码的情况下，把 OOP 中的主要概念梳理清楚了，以下的行文中，那些概念就直接用英文罢，省得理解上还得再绕个弯……

Defining Class

Class 使用 class 关键字进行定义。

与函数定义不同的地方在于，Class 接收参数不是在 class Classname(): 的括号里完成 —— 那个圆括号有另外的用处。

让我们先看看代码，而后再逐一解释：

from IPython.core.interactiveshell import InteractiveShell
InteractiveShell.ast_node_interactivity = "all"
import datetime

class Golem:

    def __init__(self, name=None):
        self.name = name
        self.built_year = datetime.date.today().year

    def say_hi(self):
        print('Hi!')

g = Golem('Clay')
g.name
g.built_year
g.say_hi
g.say_hi()
type(g)
type(g.name)
type(g.built_year)
type(g.__init__)
type(g.say_hi)
'Clay'
2019
<bound method Golem.say_hi of <__main__.Golem object at 0x10430e7b8>>
Hi!
__main__.Golem
str
int
method
method

以上，我们创建了一个 Class:

class Golem:

    def __init__(self, name=None):
        self.name = name
        self.built_year = datetime.date.today().year

其中定义了当我们根据这个 Class 创建一个实例的时候，那个 Object 的初始化过程，即 __init__() 函数 —— 又由于这个函数是在 Class 中定义的，我们称它为 Class 的一个 Method。

这里的 self 就是个变量，跟程序中其它变量的区别在于，它是一个系统默认可以识别的变量，用来指代将来用这个 Class 创建的 Instance。

比如，我们创建了 Golem 这个 Class 的一个 Instance，g = Golem('Clay') 之后，我们写 g.name，那么解析器就去找 g 这个实例所在的 Scope 里有没有 self.name……

注意：self 这个变量的定义，是在 def __init__(self, ...) 这一句里完成的。对于这个变量的名称取名没有强制要求，你实际上可以随便用什么名字，很多 C 程序员会习惯于将这个变量命名为 this —— 但根据惯例，你最好还是只用 self 这个变量名，省得给别人造成误会。

在 Class 的代码中，如果定义了 __init__() 函数，那么系统就会将它当作 Instance 在创建后被初始化的函数。这个函数名称是强制指定的，初始化函数必须使用这个名称；注意 init 两端各有两个下划线 _。

当我们用 g = Golem('Clay') 这一句创建了一个 Golem 的 Instance 的时候，以下一连串的事情发生了：

  • g 从此之后就是一个根据 Golem 这个 Class 创建的 Instance，对使用者来说，它就是个 Object；
  • 因为 Golem 这个 Class 的代码中有 __init__()，所以，当 g 被创建的时候，g 就需要被初始化……
  • 在 g 所在的变量目录中，出现了一个叫做 self 的用来指代 g 本身的变量；
  • self.name 接收了一个参数，'Clay'，并将其保存了下来；
  • 生成了一个叫做 self.built_year 的变量，其中保存的是 g 这个 Object 被创建时的年份……

对了，Golem 和 Robot 一样，都是机器人的意思；Golem 的本义来自于犹太神话，一个被赋予了生命的泥人……

Inheritance

我们刚刚创建了一个 Golem Class，如果我们想用它 Inherite 一个新的 Class，比如，Running_Golem，一个能跑的机器人，那就像以下的代码那样做 —— 注意 class Running_Golem 之后的圆括号：

from IPython.core.interactiveshell import InteractiveShell
InteractiveShell.ast_node_interactivity = "all"
import datetime

class Golem:

    def __init__(self, name=None):
        self.name = name
        self.built_year = datetime.date.today().year

    def say_hi(self):
        print('Hi!')

class Running_Golem(Golem):      # 刚刚就说，这个圆括号另有用途……

    def run(self):
        print("Can't you see? I'm running...")

rg = Running_Golem('Clay')

rg.run
rg.run()
rg.name
rg.built_year
rg.say_hi()
<bound method Running_Golem.run of <__main__.Running_Golem object at 0x1068b37b8>>
Can't you see? I'm running...
'Clay'
2019
Hi!

如此这般，我们根据 Golem 这个 Class 创造了一个 Subclass —— Running_Golem，既然它是 Golem 的 Inheritance，那么 Golem 有的 Attributes 和 Methods 它都有，并且还多了一个 Method —— self.run。

Overrides

当我们创建一个 Inherited Class 的时候，可以重写（Overriding）Parent Class 中的 Methods。比如这样：

from IPython.core.interactiveshell import InteractiveShell
InteractiveShell.ast_node_interactivity = "all"
import datetime

class Golem:

    def __init__(self, name=None):
        self.name = name
        self.built_year = datetime.date.today().year

    def say_hi(self):
        print('Hi!')

class runningGolem(Golem):

    def run(self):
        print("Can't you see? I'm running...")

    def say_hi(self):                            # 不再使用 Parent Class 中的定义，而是新的……
        print('Hey! Nice day, Huh?')

rg = runningGolem('Clay')
rg.run
rg.run()
rg.name
rg.built_year
rg.say_hi()
<bound method runningGolem.run of <__main__.runningGolem object at 0x1068c8128>>
Can't you see? I'm running...
'Clay'
2019
Hey! Nice day, Huh?

Inspecting A Class

当我们作为用户想了解一个 Class 的 Interface，即，它的 Attributes 和 Methods 的时候，常用的有三种方式：

1. help(object)
2. dir(object)
3. object.__dict__
from IPython.core.interactiveshell import InteractiveShell
InteractiveShell.ast_node_interactivity = "all"
import datetime

class Golem:

    def __init__(self, name=None):
        self.name = name
        self.built_year = datetime.date.today().year

    def say_hi(self):
        print('Hi!')

class runningGolem(Golem):

    def run(self):
        print('Can\'t you see? I\'m running...')

    def say_hi(self):                            # 不再使用 Parent Class 中的定义，而是新的……
        print('Hey! Nice day, Huh?')

rg = runningGolem('Clay')
help(rg)
dir(rg)
rg.__dict__
hasattr(rg, 'built_year')
Help on runningGolem in module __main__ object:

class runningGolem(Golem)
 |  runningGolem(name=None)
 |
 |  Method resolution order:
 |      runningGolem
 |      Golem
 |      builtins.object
 |
 |  Methods defined here:
 |
 |  run(self)
 |
 |  say_hi(self)
 |
 |  ----------------------------------------------------------------------
 |  Methods inherited from Golem:
 |
 |  __init__(self, name=None)
 |      Initialize self.  See help(type(self)) for accurate signature.
 |
 |  ----------------------------------------------------------------------
 |  Data descriptors inherited from Golem:
 |
 |  __dict__
 |      dictionary for instance variables (if defined)
 |
 |  __weakref__
 |      list of weak references to the object (if defined)

['__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__',
 'built_year',
 'name',
 'run',
 'say_hi']
{'name': 'Clay', 'built_year': 2019}
True

Scope

每个变量都属于某一个 Scope（变量的作用域），在同一个 Scope 中，变量可以被引用被操作…… 这么说非常抽象，难以理解 —— 只能通过例子说明。

我们先给 Golem 这个 Class 增加一点功能 —— 我们需要随时知道究竟有多少个 Golem 处于活跃状态…… 也因此顺带给 Golem 加上一个 Method：cease() —— 哈！机器人么，想关掉它，说关掉它，就能关掉它；

另外，我们还要给机器人设置个使用年限，比如 10 年；

…… 而外部会每隔一段时间，用 Golem.is_active() 去检查所有的机器人，所以，不需要外部额外操作，到了年头，它应该能关掉自己。—— 当然，又由于以下代码是简化书写的，核心目的是为了讲解 Scope，所以并没有专门写模拟 10 年后某些机器人自动关闭的情形……

在运行以下代码之前，需要先介绍三个 Python 的内建函数：

  • hasattr(object, attr) 查询这个 object 中有没有这个 attr，返回布尔值
  • getattr(object, attr) 获取这个 object 中这个 attr 的值
  • setattr(object, attr, value) 将这个 object 中的 attr 值设置为 value

现在的你，应该一眼望过去，就已经能掌握这三个内建函数的用法 —— 还记得之前的你吗？眼睁睁看着，那些字母放在那里对你来说没任何意义…… 这才多久啊！

from IPython.core.interactiveshell import InteractiveShell
InteractiveShell.ast_node_interactivity = "all"
import datetime

class Golem:
    population = 0
    __life_span = 10

    def __init__(self, name=None):
        self.name = name
        self.built_year = datetime.date.today().year
        self.__active = True
        Golem.population += 1          # 执行一遍之后，试试把这句改成 population += 1

    def say_hi(self):
        print('Hi!')

    def cease(self):
        self.__active = False
        Golem.population -= 1

    def is_active(self):
        if datetime.date.today().year - self.built_year >= Golem.__life_span:
            self.cease()
        return self.__active

g = Golem()
hasattr(Golem, 'population')      # True
hasattr(g, 'population')          # True
hasattr(Golem, '__life_span')     # False
hasattr(g, '__life_span')         # False
hasattr(g, '__active')            # False
Golem.population                  # 1
setattr(Golem, 'population', 10)
Golem.population                  # 10
x = Golem()
Golem.population                  # 11
x.cease()
Golem.population                  # 10
getattr(g, 'population')          # 10
g.is_active()
True
True
False
False
False
1
10
11
10
10
True

如果你试过把第 13 行的 Golem.population += 1 改成 population += 1，你会被如下信息提醒：

     12         self.__active = True
---> 13         population += 1
UnboundLocalError: local variable 'population' referenced before assignment

—— 本地变量 population 尚未赋值，就已经提前被引用…… 为什么会这样呢？因为在你所创建 g 之后，马上执行的是 __init()__ 这个初始化函数，而 population 是在这个函数之外定义的……

如果你足够细心，你会发现这个版本中，有些变量前面有两个下划线 __，比如，__life_span 和 self.__active。这是 Python 的定义，变量名前面加上一个以上下划线（Underscore）_ 的话，那么该变量是 “私有变量”（Private Variables），不能被外部引用。而按照 Python 的惯例，我们会使用两个下划线起始，去命名私有变量，如：__life_span。你可以回去试试，把所有的 __life_span 改成 _life_span（即，变量名开头只有一个 _，那么，hasattr(Golem, '_life_span') 和 hasattr(g, '_life_span') 的返回值就都变成了 True。

看看下面的图示，理解起来更为直观一些，其中每个方框代表一个 Scope：

null

整个代码启动之后，总计有 4 个 Scopes 如图所示：

  • ① class Golem 之外；
  • ② class Golem 之内；
  • ③ __init__(self, name=None) 之内；
  • ④ cease(self) 之内；

在 Scope ① 中，可以引用 Golem.population，在生成一个 Golem 的实例 g 之后，也可以引用 g.population；但 Golem.__life_span 和 g.__active 在 Scope ① 是不存在的；

在 Scope ② 中，存在两个变量，population 和 __life_span；而 __life_span 是 Private（私有变量，因为它的变量名中前两个字符是下划线 __；于是，在 Scope ① 中，不存在 Golem.__life_span —— hasattr(Golem, '__life_span') 的值为 False；

在 Scope ③ 中和 Scope ④ 中，由于都给它们传递了 self 这个参数，于是，在这两个 Scope 里，都可以引用 self.xxx，比如 self.population，比如 self.__life_span；

在 Scope ③ 中，population 是不存在的，如果需要引用这个值，可以用 Golem.population，也可以用 self.population。同样的道理，在 Scope ③ 中 __life_span 也不存在，如果想用这个值，可以用 Golem.__life_span 或者 self.__life_span；

Scope ④ 与 Scope ③ 平行存在。所以在这里，population 和 __life_span 也同样并不存在。

补充

在本例子中，在 __init__(self, name=None) 函数中 self.population 和 Golem.population 都可以使用，但使用效果是不一样的：

  • self.population 总是去读取 Golem 类中 population 的初始值，即使后面通过 setattr(Golem, 'population', 10) 更改 population 的值后，self.population 的值仍为 0，但 Golem.population 值则为 10，你可以自己动手尝试一下。

Encapsulation

到目前为止，Golem 这个 Class 看起来不错，但有个问题，它里面的数据，外面是可以随便改的 —— 虽然，我们已经通过给变量 life_span 前面加上两个下划线，变成 __life_span，使其成为私有变量，外部不能触达（你不能引用 Golem.__life_span），可 Golem.population 就不一样，外面随时可以引用，还可以随时修改它，只需要写上一句：

Golem.population = 1000000

我们干脆把 population 这个变量也改成私有的罢：__population，而后需要从外界查看这个变量的话，就在 Class 里面写个函数，返回那个值好了：

from IPython.core.interactiveshell import InteractiveShell
InteractiveShell.ast_node_interactivity = "all"
import datetime

class Golem:
    __population = 0
    __life_span = 10

    def __init__(self, name=None):
        self.name = name
        self.built_year = datetime.date.today().year
        self.__active = True
        Golem.__population += 1

    def say_hi(self):
        print('Hi!')

    def cease(self):
        self.__active = False
        Golem.__population -= 1

    def is_active(self):
        if datetime.date.today().year - self.built_year >= Golem.__life_span:
            self.cease
        return self.__active

    def population(self):
        return Golem.__population

g = Golem('Clay')
g.population
g.population()
<bound method Golem.population of <__main__.Golem object at 0x1068da160>>
1

如果，你希望外部能够像获得 Class 的属性那样，直接写 g.population，而不是必须加上一个括号 g.population() 传递参数（实际上传递了一个隐含的 self 参数），那么可以在 def population(self): 之前的一行加上一句 @property：

class Golem:
    __population = 0
    ...

    @property
    def population(self):
        return Golem.__population

如此这般之后，你就可以用 g.population 了：

from IPython.core.interactiveshell import InteractiveShell
InteractiveShell.ast_node_interactivity = "all"
import datetime

class Golem:
    __population = 0
    __life_span = 10

    def __init__(self, name=None):
        self.name = name
        self.built_year = datetime.date.today().year
        self.__active = True
        Golem.__population += 1

    def say_hi(self):
        print('Hi!')

    def cease(self):
        self.__active = False
        Golem.__population -= 1

    def is_active(self):
        if datetime.date.today().year - self.built_year >= Golem.__life_span:
            self.cease
        return self.__active

    @property
    def population(self):
        return Golem.__population

g = Golem('Clay')
g.population
# g.population = 100
1

如此这般之后，不仅你可以直接引用 g.population，并且，在外部不能再直接给 g.population 赋值了，否则会报错：

---------------------------------------------------------------------------
AttributeError                            Traceback (most recent call last)
<ipython-input-16-5d8c475304d3> in <module>
     26 g = Golem('Clay')
     27 g.population
---> 28 g.population = 100

AttributeError: can't set attribute

到此为止，Encapsulation 就做得不错了。

如果你非得希望从外部可以设置这个值，那么，你就得再写个函数，并且在函数之前加上一句：

    ...

    @property
    def population(self):
        return Golem.__population

    @population.setter
    def population(self, value):
        Golem.__population = value

这样之后，.population 这个 Attribute 就可以从外部被设定其值了（虽然在当前的例子中显得没必要让外部设定 __population 这个值…… 以下仅仅是为了举例）：

from IPython.core.interactiveshell import InteractiveShell
InteractiveShell.ast_node_interactivity = "all"
import datetime

class Golem:
    __population = 0
    __life_span = 10

    def __init__(self, name=None):
        self.name = name
        self.built_year = datetime.date.today().year
        self.__active = True
        Golem.__population += 1

    def say_hi(self):
        print('Hi!')

    def cease(self):
        self.__active = False
        Golem.__population -= 1

    def is_active(self):
        if datetime.date.today().year - self.built_year >= Golem.__life_span:
            self.cease
        return self.__active

    @property
    def population(self):
        return Golem.__population

    @population.setter
    def population(self, value):
        Golem.__population = value

g = Golem('Clay')
g.population
g.population = 100
ga = Golem('New')
g.population
ga.population
help(Golem)
Golem.__dict__
g.__dict__
hasattr(Golem, 'population')
getattr(Golem, 'population')
setattr(Golem, 'population', 10000)
g.population    # 所以，在很多的情况下，不把数据封装在 Class 内部的话，后面会有很多麻烦。
1
101
101
Help on class Golem in module __main__:
class Golem(builtins.object)
 |  Golem(name=None)
 |
 |  Methods defined here:
 |
 |  __init__(self, name=None)
 |      Initialize self.  See help(type(self)) for accurate signature.
 |
 |  cease(self)
 |
 |  is_active(self)
 |
 |  say_hi(self)
 |
 |  ----------------------------------------------------------------------
 |  Data descriptors defined here:
 |
 |  __dict__
 |      dictionary for instance variables (if defined)
 |
 |  __weakref__
 |      list of weak references to the object (if defined)
 |
 |  population
mappingproxy({'__module__': '__main__',
              '_Golem__population': 101,
              '_Golem__life_span': 10,
              '__init__': <function __main__.Golem.__init__(self, name=None)>,
              'say_hi': <function __main__.Golem.say_hi(self)>,
              'cease': <function __main__.Golem.cease(self)>,
              'is_active': <function __main__.Golem.is_active(self)>,
              'population': <property at 0x1068f9d68>,
              '__dict__': <attribute '__dict__' of 'Golem' objects>,
              '__weakref__': <attribute '__weakref__' of 'Golem' objects>,
              '__doc__': None})
{'name': 'Clay', 'built_year': 2019, '_Golem__active': True}
True
<property at 0x1068f9d68>
10000
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