wiki/FormalSciences/ComputerScience/ProgrammingLanguage/Python/2.核心进阶/2.1面向对象编程进阶.md

title	description	keywords	tags	author	date
面向对象	面向对象	面对对象	Python/进阶 技术/程序语言	7Wate	2023-08-10

生命周期

graph TD
A[类定义阶段: class MyClass] --> B[类对象创建]
B --> C1[类属性访问: MyClass.class_attr]
B --> C[实例化阶段: __new__ method]
C --> D[初始化阶段: __init__ method]
D --> E1[属性的设置与获取: __setattr__, __getattr__]
D --> E2[对象的表示: __str__, __repr__]
D --> E3[方法调用]
D --> E4[上下文管理: __enter__, __exit__]
D --> E5[对象比较: __eq__, __lt__]
D --> E6[对象的计算: __add__, __mul__]
E1 --> F
E2 --> F
E3 --> F
E4 --> F
E5 --> F
E6 --> F
F[对象销毁: del obj or GC] --> G[__del__ method]
G --> H[垃圾回收: Cleanup by Python GC]

1. 类定义阶段：在这个阶段定义类的方法和属性。
2. 类对象创建：当 Python 读取到类定义时，它会创建一个类对象。
3. 类属性访问：在实例化之前，可以访问类的静态和类属性。
4. 实例化阶段：使用类名创建对象时，首先调用 __new__ 方法来分配内存。
5. 初始化阶段：紧随其后，__init__ 方法会被调用，对新对象进行初始化。
6. 属性的设置与获取：在对象的生命周期中，你可以使用 __getattr__, __setattr__, __getattribute__ 等特殊方法来控制属性的访问。
7. 对象的表示：当尝试显示对象时（例如，通过 print），__str__ 和 __repr__ 方法可以被调用。
8. 方法调用：可以调用对象的方法。
9. 上下文管理：使用 with 语句时，对象的 __enter__ 和 __exit__ 方法会被调用。
10. 对象比较：使用比较操作符时（如==或>），__eq__, __lt__, __le__ 等特殊方法会被调用。
11. 对象的计算：如加法或乘法等运算符，会调用 __add__, __mul__ 等特殊方法。
12. 对象销毁：当对象的引用计数减少到零或者被明确销毁（使用 del 语句）时，__del__ 方法会被调用。
13. 垃圾回收：Python 的垃圾回收器会识别循环引用，并在适当的时候销毁相关对象。

特殊方法

Python 中的类包含了许多特殊方法，它们经常被称为魔术方法（magic methods）或者双下方法（dunder methods），因为它们的名字都是以双下划线开始和结束的。这些特殊方法为 Python 的对象提供了许多内置的功能，如算术运算、迭代和字符串表示。

魔术方法是 Python 类的特殊方法，它们定义了许多 Python 中基本的操作。例如，当你为一个对象定义了 __add__ 方法时，这个对象就可以使用 + 运算符。这些方法的名称都是以两个下划线开始和结束，这也是为什么它们被称为双下方法的原因。

基础方法

__init__

__init__ 方法是类的构造函数，当我们创建类的实例时，__init__ 方法会被自动调用。我们可以在 __init__ 方法中初始化实例的属性。

class MyClass:
    def __init__(self, value):
        self.value = value  # 初始化实例属性

# 创建实例
mc = MyClass(10)
print(mc.value)  # 输出：10

__del__

__del__ 方法是类的析构函数，当一个实例被销毁时（例如被垃圾回收器回收时），__del__ 方法会被自动调用。注意，我们通常不需要在 __del__ 方法中做清理工作，Python 的垃圾回收器会自动清理对象的资源。

class MyClass:
    def __del__(self):
        print("Instance is being destroyed.")

mc = MyClass()  # 创建实例
del mc  # 销毁实例

__str__

__str__ 方法返回一个表示该对象的字符串，这个字符串通常用于给用户看。当我们调用 str() 或 print() 时，会使用 __str__ 的返回值。

class MyClass:
    def __str__(self):
        return "This is a MyClass instance."

mc = MyClass()  # 创建实例
print(mc)  # 输出：This is a MyClass instance.

注意，__repr__ 和 __str__ 的区别在于，__repr__ 更侧重于开发，而 __str__ 更侧重于用户。

__repr__

__repr__ 方法返回一个表示该对象的官方字符串，这个字符串通常可以被 eval() 执行来重新得到这个对象。如果我们没有定义 __str__ 方法，那么在调用 str() 或 print() 时也会使用 __repr__ 的返回值。

class MyClass:
    def __repr__(self):
        return "MyClass()"

mc = MyClass()  # 创建实例
print(mc)  # 输出：MyClass()

__format__

__format__ 方法定义了当我们调用 format() 或使用格式化字符串（f-string）时的行为。format_spec 是一个格式说明符，它是在格式化字符串中 : 后面的部分。

class MyClass:
    def __format__(self, format_spec):
        if format_spec == 'fancy':
            return 'This is a fancy MyClass instance.'
        return 'This is a MyClass instance.'

mc = MyClass()  # 创建实例
print(f"{mc:fancy}")  # 输出：This is a fancy MyClass instance.

数学运算

比较运算的魔术方法允许类的实例之间进行比较。例如，__eq__ 定义了对象的等于操作。这些方法的使用可以使您的类实例支持标准的比较操作符，如 ==, !=, +, -, %, 和 @。类似地，可以为其他数学运算符定义其他魔术方法。

class Book:
    def __init__(self, title, author):
        self.title = title
        self.author = author

    def __eq__(self, other):
        if isinstance(other, Book):
            return self.title == other.title and self.author == other.author
        return False

# 比较两本书是否具有相同的标题和作者
book1 = Book('1984', 'George Orwell')
book2 = Book('1984', 'George Orwell')
book3 = Book('Brave New World', 'Aldous Huxley')

print(book1 == book2)  # 输出：True
print(book1 == book3)  # 输出：False

class Vector:
    def __init__(self, x, y):
        self.x = x
        self.y = y

    def __add__(self, other):
        if isinstance(other, Vector):
            return Vector(self.x + other.x, self.y + other.y)
        return NotImplemented

# 使用 + 操作符组合两个向量
v1 = Vector(1, 2)
v2 = Vector(2, 3)
v3 = v1 + v2

print(v3.x, v3.y)  # 输出：3 5

运算符	对应的魔术方法	描述
==	__eq__	等于
!=	__ne__	不等于
<	__lt__	小于
<=	__le__	小于或等于
>	__gt__	大于
>=	__ge__	大于或等于
+	__add__	加法
-	__sub__	减法
*	__mul__	乘法
/	__truediv__	真除
//	__floordiv__	整除
%	__mod__	取模
**	__pow__	乘方
@	__matmul__	Python 3.5+ 矩阵乘法

容器方法

__len__

__len__ 方法定义了 len() 的返回值。它应该返回一个整数，表示对象包含的元素的个数。

class MyClass:
    def __init__(self):
        self.data = [1, 2, 3]

    def __len__(self):
        return len(self.data)

mc = MyClass()  # 创建实例
print(len(mc))  # 输出：3

__getitem__

__getitem__ 方法定义了使用索引访问元素的行为。key 是索引。

class MyClass:
    def __getitem__(self, key):
        return f"You are trying to access key {key}."

mc = MyClass()  # 创建实例
print(mc[10])  # 输出：You are trying to access key 10.

__setitem__

__setitem__ 方法定义了使用索引设置元素的行为。key 是索引，value 是我们试图设置的值。

class MyClass:
    def __setitem__(self, key, value):
        print(f"Set key {key} to {value}.")

mc = MyClass()  # 创建实例
mc[10] = "value"  # 输出：Set key 10 to value.

__delitem__

__delitem__ 方法定义了使用索引删除元素的行为。key 是索引。

class MyClass:
    def __delitem__(self, key):
        print(f"Deleted key {key}.")

mc = MyClass()  # 创建实例
del mc[10]  # 输出：Deleted key 10.

__iter__、__next__

迭代器协议的魔术方法允许对象支持迭代，这意味着您可以在对象上使用 for 循环。为了使一个对象可迭代，您需要定义 __iter__ 和 __next__ 两个魔术方法。

• __iter__ 返回对象本身，它应该返回一个实现了 __next__ 的迭代器对象。

• __next__ 方法返回序列中的下一个值。如果所有项都返回了，那么它应该引发一个 StopIteration 异常来通知迭代的完成。

class Counter:
    def __init__(self, start, end):
        self.current = start
        self.end = end

    def __iter__(self):
        return self

    def __next__(self):
        if self.current < self.end:
            value = self.current
            self.current += 1
            return value
        else:
            raise StopIteration

# 使用Counter迭代器
counter = Counter(1, 4)

for number in counter:
    print(number)
# 输出：
# 1
# 2
# 3

在上述 Counter 类中，我们定义了一个简单的迭代器，它从 start 开始，每次迭代增加 1，直到 end 为止。for 循环通过调用 __iter__ 来获取迭代器对象，并在每次迭代中调用 __next__，直到捕获 StopIteration 异常为止。

属性访问

__dir__

__dir__ 方法返回类中定义的属性、方法等的列表。它对内置的 dir() 函数的行为进行重载。

class MyClass:
    def __dir__(self):
        return ["custom_attr1", "custom_attr2"]

mc = MyClass()
print(dir(mc))  # 输出：['custom_attr1', 'custom_attr2']

__getattr__

当尝试访问一个不存在的属性时，__getattr__ 方法会被调用。name 是试图访问的属性名称。

class MyClass:
    def __getattr__(self, name):
        return f"{name} does not exist."

mc = MyClass()  # 创建实例
print(mc.unknown_attr)  # 输出：unknown_attr does not exist.

值得注意的是，__getattr__ 只有在所请求的属性不存在时才会被调用。

__setattr__

每当尝试设置一个属性值时，__setattr__ 都会被调用，不论该属性是否存在。name 是试图设置的属性的名称，而 value 是试图赋给该属性的值。

class MyClass:
    def __setattr__(self, name, value):
        self.__dict__[name] = value  # 防止无限递归, 需要在__dict__中设置属性
        print(f"Set {name} to {value}.")

mc = MyClass()  # 创建实例
mc.attr = 10  # 输出：Set attr to 10.

__delattr__

当试图删除一个属性时，__delattr__ 方法会被调用。name 是试图删除的属性的名称。

class MyClass:
    attr = 10

    def __delattr__(self, name):
        del self.__dict__[name]  # 防止无限递归, 需要在__dict__中删除属性
        print(f"Deleted {name}.")

mc = MyClass()  # 创建实例
del mc.attr  # 输出：Deleted attr.

__getattribute__

每次尝试访问一个属性时，__getattribute__ 方法都会被调用，无论该属性是否存在。

class MyClass:
    def __getattribute__(self, name):
        return f"You are trying to access {name}."

mc = MyClass()  # 创建实例
print(mc.attr)  # 输出：You are trying to access attr.

重要的是，如果 __getattribute__ 被定义，那么 __getattr__ 不会被调用，因为 __getattribute__ 的优先级更高。*

上下文管理

__enter__、__exit__

当使用 with 语句进入上下文管理时，__enter__ 方法会被调用。它应该返回上下文管理器对象本身或其他与上下文相关的对象。

当 with 语句块结束时，__exit__ 方法会被调用。它接收三个参数：exc_type、exc_val 和 exc_tb，分别代表异常类型、异常值和异常回溯。如果 with 语句块中没有发生异常，这三个参数的值都为 None。

class ContextManager:
    def __enter__(self):
        print("Entering the context")
        return self

    def __exit__(self, exc_type, exc_val, exc_tb):
        if exc_type is None:
            print("Exiting the context without any exception.")
        else:
            print(f"Exiting the context with exception: {exc_val}")

    def say_hello(self):
        print("Hello from inside the context!")
       
with ContextManager() as cm:
    cm.say_hello()

# 输出：
# Entering the context
# Hello from inside the context!
# Exiting the context without any exception.

如果在 with 语句块中引发了异常，__exit__ 方法可以选择处理这个异常（例如记录日志）并返回 True 来阻止异常向外传播，或者返回 False（或 None）让异常继续向外传播。

上下文管理器是一种非常强大的工具，特别是当涉及到需要设置和清理资源的任务时，例如文件 I/O、网络连接或数据库连接。

描述符

描述符是实现了描述符协议的对象。描述符协议由 __get__、__set__ 和 __delete__ 方法组成。描述符用于创建那些需要特殊行为的对象属性，例如类型检查或只读属性。

__get__

__get__ 方法定义了在获取属性时应执行的行为。当试图获取属性值时，这个方法会被调用。

class Descriptor:
    def __get__(self, instance, owner):
        print(f"Getting value from {instance.__class__.__name__}")

class MyClass:
    attr = Descriptor()

mc = MyClass()
mc.attr
# 输出：
# Getting value from MyClass

__set__

__set__ 方法定义了在设置属性值时应执行的行为。当试图给属性赋值时，这个方法会被调用。

class Descriptor:
    def __set__(self, instance, value):
        print(f"Setting value {value} to {instance.__class__.__name__}")

class MyClass:
    attr = Descriptor()

mc = MyClass()
mc.attr = 10
# 输出：
# Setting value 10 to MyClass

__delete__

__delete__ 方法定义了当删除属性时应执行的行为。当试图删除属性时，这个方法会被调用。

class Descriptor:
    def __delete__(self, instance):
        print(f"Deleting value from {instance.__class__.__name__}")

class MyClass:
    attr = Descriptor()

del mc.attr
# 输出：
# Deleting value from MyClass

使对象可调用

**在 Python 中，函数是一类对象，可以调用它们。**但是，您知道您也可以使自己的对象表现得像函数一样吗？通过定义 __call__ 魔术方法，您可以使类的实例表现得像函数，从而允许对它们进行调用。

__call__

当实例作为函数被“调用”时，__call__ 方法就会被执行。这提供了一种优雅的方式来使用对象，同时保持其对象性质。通过这种方式，您的对象不仅可以表示数据，还可以表现得像函数，这增加了编码的灵活性和创造性。

class Greeter:
    def __init__(self, greeting="Hello"):
        self.greeting = greeting

    def __call__(self, name):
        return f"{self.greeting}, {name}!"

# 创建一个Greeter实例
hello_greeter = Greeter("Hello")
print(hello_greeter("John"))  # 输出：Hello, John!

bonjour_greeter = Greeter("Bonjour")
print(bonjour_greeter("Pierre"))  # 输出：Bonjour, Pierre!

值比较

__hash__

__hash__ 方法返回对象的哈希值。哈希值通常用于字典的键值和其他需要快速查找的数据结构中。如果一个对象是可变的，通常最好不要实现此方法。如果对象定义了 __eq__ 方法并且是不可变的，则通常也应定义此方法。

class MyClass:
    def __init__(self, value):
        self.value = value

    def __eq__(self, other):
        if isinstance(other, MyClass):
            return self.value == other.value
        return NotImplemented

    def __hash__(self):
        return hash(self.value)

obj1 = MyClass(5)
obj2 = MyClass(5)
my_dict = {obj1: "a"}
print(my_dict[obj2])  # 输出：a

__bool__

__bool__ 方法用于实现 bool() 内置函数的调用。当我们调用 bool() 函数或使用对象在条件语句（例如 if obj:）中作为条件时，会调用此方法。如果 __bool__ 没有被定义，__len__ 会被调用（如果已定义）。如果两者都未定义，所有实例都默认为 True。

class MyClass:
    def __init__(self, value):
        self.value = value

    def __bool__(self):
        return bool(self.value)

obj1 = MyClass(0)
obj2 = MyClass(5)
print(bool(obj1))  # 输出：False
print(bool(obj2))  # 输出：True

类型转换

__int__

__int__ 方法允许将一个对象转换为整数。当使用 int() 内置函数时，如果对象实现了此方法，会被调用。

class MyClass:
    def __int__(self):
        return 42

obj = MyClass()
print(int(obj))  # 输出：42

__float__

__float__ 方法允许将一个对象转换为浮点数。当使用 float() 内置函数时，如果对象实现了此方法，会被调用。

class MyClass:
    def __float__(self):
        return 42.0

obj = MyClass()
print(float(obj))  # 输出：42.0

__complex__

__complex__ 方法允许将一个对象转换为复数。当使用 complex() 内置函数时，如果对象实现了此方法，会被调用。

class MyClass:
    def __complex__(self):
        return 3 + 4j

obj = MyClass()
print(complex(obj))  # 输出：(3+4j)

__bytes__

__bytes__ 方法定义了当我们调用 bytes() 时的行为。它应该返回一个字节串。

class MyClass:
    def __bytes__(self):
        return b'MyClass instance'

mc = MyClass()  # 创建实例
print(bytes(mc))  # 输出：b'MyClass instance'

类和静态方法

在 Python 中，类是一个创建对象的蓝图。对象则是基于类定义的实例。默认情况下，在类内部定义的方法是实例方法。

实例方法

实例方法的第一个参数是 self，代表类的实例对象。它可以访问和修改与实例相关的属性和方法。实例方法只能由其实例对象调用。

class Example:
    def instance_method(self):
        return "This is an instance method", self

e = Example()
print(e.instance_method()) 
# 输出 ('This is an instance method', <__main__.Example object at 0x7f49af98f610>)

类方法

类方法使用 @classmethod 装饰器定义。其第一个参数是 cls，代表类本身。类方法既可以由类直接调用，也可以被其实例调用。

class Example:
    class_var = "Class Variable"

    @classmethod
    def class_method(cls):
        return "This is a class method accessing:", cls.class_var

print(Example.class_method()) 
# 输出 ('This is a class method accessing:', 'Class Variable')

静态方法

静态方法使用 @staticmethod 装饰器定义。它不需要传递 self 或 cls 参数。静态方法不能访问或修改类或实例的属性和方法。它仅仅与它所在的类相关，但不需要访问类的特性。

class Example:
    @staticmethod
    def static_method():
        return "This is a static method"

print(Example.static_method())
# 输出 This is a static method

类方法 Vs 静态方法

类型	用途	优点	缺点
类方法	访问/修改类属性，方法继承于子类	可访问/修改类属性，适用于继承	不能访问实例特有的属性
静态方法	不需访问实例/类数据的操作，与类相关但不需访问类或实例	无需实例化，代码组织清晰	不能访问类和实例的属性或方法

在面向对象编程中，合理地使用实例方法、类方法和静态方法可以使代码更有组织性，更易于维护。

属性

@property 装饰器

在 Python 中，@property 装饰器使我们能够将类中的方法用作属性，从而实现对属性的控制。它可以用于确保属性的读取和设置遵循某种特定的逻辑。

class Example:
    def __init__(self, number):
        self._number = number

    @property
    def number(self):
        return self._number

e = Example(5)
print(e.number)
# 输出 5

使用 Setter 和 Getter 方法

Setter 和 Getter 在 Python 中用于控制属性的访问和赋值。

@<property_name>.setter

在定义了属性的 getter 方法后，我们可以使用 @<property_name>.setter 装饰器定义相应的 setter 方法，以控制该属性的赋值逻辑。

class Example:
    def __init__(self, number):
        self._number = number

    @property
    def number(self):
        return self._number

    @number.setter
    def number(self, value):
        self._number = value

e = Example(5)
e.number = 10
print(e.number)
# 输出 10

@<property_name>.deleter

除了设置和获取属性，我们还可以定义如何删除属性。

class Example:
    def __init__(self, number):
        self._number = number

    @property
    def number(self):
        return self._number

    @number.deleter
    def number(self):
        print("Deleting number")
        del self._number

e = Example(5)
del e.number

属性保护

在 Python 中，我们通常使用下划线来表示属性应该是私有的或受保护的。

• 受保护的属性: 通常使用单下划线前缀 _ 来定义，例如 _name。这只是一个约定，表示这个属性是为类内部使用的，但外部仍然可以访问。
• 私有属性: 使用双下划线前缀 __ 来定义，例如 __name。Python 会对其进行名称修饰，使得在类的外部更难直接访问。

class Example:
    def __init__(self):
        self.__private_attr = "I am private"
        self._protected_attr = "I am protected"

    def reveal(self):
        print(self.__private_attr)

e = Example()
print(e._protected_attr)
# print(e.__private_attr)  # 将会抛出错误异常
e.reveal()  # 正常工作

__slots__ 限制动态属性的添加

为了提高性能和内存效率，Python 允许在类定义中使用 __slots__ 来限制可以添加到对象的属性。这通常在需要创建大量对象时很有用。

class Example:
    __slots__ = ['name', 'age']

e = Example()
e.name = "ChatGPT"
# e.salary = 10000  # 将会抛出错误异常