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title: 面向对象
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description: 面向对象
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keywords:
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- 面对对象
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tags:
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- FormalSciences/ComputerScience
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- ProgrammingLanguage/Python
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- Python/Advanced
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author: 7Wate
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date: 2023-08-10
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## 生命周期
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```mermaid
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graph TD
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A[类定义阶段: class MyClass] --> B[类对象创建]
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B --> C1[类属性访问: MyClass.class_attr]
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B --> C[实例化阶段: __new__ method]
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C --> D[初始化阶段: __init__ method]
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D --> E1[属性的设置与获取: __setattr__, __getattr__]
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D --> E2[对象的表示: __str__, __repr__]
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D --> E3[方法调用]
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D --> E4[上下文管理: __enter__, __exit__]
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D --> E5[对象比较: __eq__, __lt__]
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D --> E6[对象的计算: __add__, __mul__]
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E1 --> F
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E2 --> F
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E3 --> F
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E4 --> F
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E5 --> F
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E6 --> F
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F[对象销毁: del obj or GC] --> G[__del__ method]
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G --> H[垃圾回收: Cleanup by Python GC]
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```
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1. **类定义阶段**：在这个阶段定义类的方法和属性。
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2. **类对象创建**：当 Python 读取到类定义时，它会创建一个类对象。
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3. **类属性访问**：在实例化之前，可以访问类的静态和类属性。
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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。
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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。
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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。
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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。
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8. **方法调用**：可以调用对象的方法。
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9. **上下文管理**：使用 `with` 语句时，对象的 `__enter__` 和 `__exit__` 方法会被调用。
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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。
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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。
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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。
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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。
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## 特殊方法
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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。
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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。
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### 基础方法
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#### `__init__`
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`__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。
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```python
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class MyClass:
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def __init__(self, value):
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self.value = value # 初始化实例属性
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# 创建实例
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mc = MyClass(10)
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print(mc.value) # 输出：10
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```
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#### `__del__`
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`__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。**
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```python
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class MyClass:
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def __del__(self):
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print("Instance is being destroyed.")
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mc = MyClass() # 创建实例
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del mc # 销毁实例
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```
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#### `__str__`
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`__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。
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```python
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class MyClass:
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def __str__(self):
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return "This is a MyClass instance."
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mc = MyClass() # 创建实例
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print(mc) # 输出：This is a MyClass instance.
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```
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*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。***
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#### `__repr__`
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||
`__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。
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```python
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class MyClass:
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def __repr__(self):
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return "MyClass()"
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mc = MyClass() # 创建实例
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print(mc) # 输出：MyClass()
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```
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#### `__format__`
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`__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。
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```python
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class MyClass:
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def __format__(self, format_spec):
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if format_spec == 'fancy':
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return 'This is a fancy MyClass instance.'
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return 'This is a MyClass instance.'
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mc = MyClass() # 创建实例
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print(f"{mc:fancy}") # 输出：This is a fancy MyClass instance.
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```
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### 数学运算
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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。
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||
```python
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class Book:
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def __init__(self, title, author):
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self.title = title
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self.author = author
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def __eq__(self, other):
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if isinstance(other, Book):
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return self.title == other.title and self.author == other.author
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return False
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# 比较两本书是否具有相同的标题和作者
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book1 = Book('1984', 'George Orwell')
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book2 = Book('1984', 'George Orwell')
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book3 = Book('Brave New World', 'Aldous Huxley')
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print(book1 == book2) # 输出：True
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print(book1 == book3) # 输出：False
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```
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```python
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class Vector:
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def __init__(self, x, y):
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self.x = x
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self.y = y
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def __add__(self, other):
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if isinstance(other, Vector):
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return Vector(self.x + other.x, self.y + other.y)
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return NotImplemented
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# 使用 + 操作符组合两个向量
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v1 = Vector(1, 2)
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v2 = Vector(2, 3)
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v3 = v1 + v2
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print(v3.x, v3.y) # 输出：3 5
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```
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| 运算符 | 对应的魔术方法 | 描述 |
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| ------ | -------------- | ---------- |
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| `==` | `__eq__` | 等于 |
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| `!=` | `__ne__` | 不等于 |
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| `<` | `__lt__` | 小于 |
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| `<=` | `__le__` | 小于或等于 |
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| `>` | `__gt__` | 大于 |
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| `>=` | `__ge__` | 大于或等于 |
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| `+` | `__add__` | 加法 |
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| `-` | `__sub__` | 减法 |
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| `*` | `__mul__` | 乘法 |
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| `/` | `__truediv__` | 真除 |
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| `//` | `__floordiv__` | 整除 |
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| `%` | `__mod__` | 取模 |
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| `**` | `__pow__` | 乘方 |
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| `@` | `__matmul__` | Python 3.5+ 矩阵乘法 |
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### 容器方法
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#### `__len__`
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`__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。
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```python
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class MyClass:
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def __init__(self):
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self.data = [1, 2, 3]
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def __len__(self):
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return len(self.data)
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mc = MyClass() # 创建实例
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print(len(mc)) # 输出：3
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```
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#### `__getitem__`
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`__getitem__` 方法定义了使用索引访问元素的行为。`key` 是索引。
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```python
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class MyClass:
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def __getitem__(self, key):
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return f"You are trying to access key {key}."
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mc = MyClass() # 创建实例
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print(mc[10]) # 输出：You are trying to access key 10.
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```
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#### `__setitem__`
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`__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。
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```python
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class MyClass:
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def __setitem__(self, key, value):
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print(f"Set key {key} to {value}.")
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mc = MyClass() # 创建实例
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mc[10] = "value" # 输出：Set key 10 to value.
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```
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#### `__delitem__`
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`__delitem__` 方法定义了使用索引删除元素的行为。`key` 是索引。
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```python
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class MyClass:
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||
def __delitem__(self, key):
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print(f"Deleted key {key}.")
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mc = MyClass() # 创建实例
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del mc[10] # 输出：Deleted key 10.
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```
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#### `__iter__`、`__next__`
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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。
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- `__iter__` 返回对象本身，它应该返回一个实现了 `__next__` 的迭代器对象。
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- `__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。
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```python
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class Counter:
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def __init__(self, start, end):
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self.current = start
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self.end = end
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def __iter__(self):
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return self
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def __next__(self):
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if self.current < self.end:
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value = self.current
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self.current += 1
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return value
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else:
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raise StopIteration
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# 使用Counter迭代器
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counter = Counter(1, 4)
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for number in counter:
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print(number)
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# 输出：
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# 1
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# 2
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# 3
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```
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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。
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### 属性访问
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#### `__dir__`
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`__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。
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||
```python
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||
class MyClass:
|
||
def __dir__(self):
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return ["custom_attr1", "custom_attr2"]
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mc = MyClass()
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print(dir(mc)) # 输出：['custom_attr1', 'custom_attr2']
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```
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#### `__getattr__`
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||
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。
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```python
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class MyClass:
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||
def __getattr__(self, name):
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||
return f"{name} does not exist."
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mc = MyClass() # 创建实例
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||
print(mc.unknown_attr) # 输出：unknown_attr does not exist.
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```
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*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。***
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#### `__setattr__`
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||
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。
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```python
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||
class MyClass:
|
||
def __setattr__(self, name, value):
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||
self.__dict__[name] = value # 防止无限递归, 需要在__dict__中设置属性
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||
print(f"Set {name} to {value}.")
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mc = MyClass() # 创建实例
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||
mc.attr = 10 # 输出：Set attr to 10.
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```
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#### `__delattr__`
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||
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。
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```python
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class MyClass:
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attr = 10
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def __delattr__(self, name):
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del self.__dict__[name] # 防止无限递归, 需要在__dict__中删除属性
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||
print(f"Deleted {name}.")
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||
mc = MyClass() # 创建实例
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||
del mc.attr # 输出：Deleted attr.
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```
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#### `__getattribute__`
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||
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。
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```python
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class MyClass:
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||
def __getattribute__(self, name):
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||
return f"You are trying to access {name}."
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||
mc = MyClass() # 创建实例
|
||
print(mc.attr) # 输出：You are trying to access attr.
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||
```
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||
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。***
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### 上下文管理
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#### `__enter__`、`__exit__`
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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。
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||
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`。
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```python
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class ContextManager:
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||
def __enter__(self):
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||
print("Entering the context")
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return self
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def __exit__(self, exc_type, exc_val, exc_tb):
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if exc_type is None:
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||
print("Exiting the context without any exception.")
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else:
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print(f"Exiting the context with exception: {exc_val}")
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def say_hello(self):
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print("Hello from inside the context!")
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with ContextManager() as cm:
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cm.say_hello()
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# 输出：
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# Entering the context
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# Hello from inside the context!
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||
# Exiting the context without any exception.
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```
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||
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。
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||
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。
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||
### 描述符
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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。
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||
#### `__get__`
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||
`__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。
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||
```python
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||
class Descriptor:
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||
def __get__(self, instance, owner):
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||
print(f"Getting value from {instance.__class__.__name__}")
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class MyClass:
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||
attr = Descriptor()
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mc = MyClass()
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||
mc.attr
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# 输出：
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||
# Getting value from MyClass
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||
```
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||
#### `__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。
|
||
|
||
```python
|
||
class Descriptor:
|
||
def __set__(self, instance, value):
|
||
print(f"Setting value {value} to {instance.__class__.__name__}")
|
||
|
||
class MyClass:
|
||
attr = Descriptor()
|
||
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||
mc = MyClass()
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||
mc.attr = 10
|
||
# 输出：
|
||
# Setting value 10 to MyClass
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||
```
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||
#### `__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。
|
||
|
||
```python
|
||
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
|
||
```
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||
### 使对象可调用
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|
||
**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。
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||
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||
#### `__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。
|
||
|
||
```python
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||
class Greeter:
|
||
def __init__(self, greeting="Hello"):
|
||
self.greeting = greeting
|
||
|
||
def __call__(self, name):
|
||
return f"{self.greeting}, {name}!"
|
||
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||
# 创建一个Greeter实例
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||
hello_greeter = Greeter("Hello")
|
||
print(hello_greeter("John")) # 输出：Hello, John!
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||
|
||
bonjour_greeter = Greeter("Bonjour")
|
||
print(bonjour_greeter("Pierre")) # 输出：Bonjour, Pierre!
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||
```
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||
### 值比较
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||
#### `__hash__`
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||
|
||
`__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。
|
||
|
||
```python
|
||
class MyClass:
|
||
def __init__(self, value):
|
||
self.value = value
|
||
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||
def __eq__(self, other):
|
||
if isinstance(other, MyClass):
|
||
return self.value == other.value
|
||
return NotImplemented
|
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|
||
def __hash__(self):
|
||
return hash(self.value)
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||
obj1 = MyClass(5)
|
||
obj2 = MyClass(5)
|
||
my_dict = {obj1: "a"}
|
||
print(my_dict[obj2]) # 输出：a
|
||
```
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||
|
||
#### `__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`。
|
||
|
||
```python
|
||
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
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```
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### 类型转换
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#### `__int__`
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`__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。
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```python
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class MyClass:
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def __int__(self):
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return 42
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obj = MyClass()
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print(int(obj)) # 输出：42
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```
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#### `__float__`
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`__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。
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```python
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class MyClass:
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def __float__(self):
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return 42.0
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obj = MyClass()
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print(float(obj)) # 输出：42.0
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```
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#### `__complex__`
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`__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。
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```python
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class MyClass:
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def __complex__(self):
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return 3 + 4j
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obj = MyClass()
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print(complex(obj)) # 输出：(3+4j)
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```
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#### `__bytes__`
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`__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。
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```python
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class MyClass:
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def __bytes__(self):
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return b'MyClass instance'
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mc = MyClass() # 创建实例
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print(bytes(mc)) # 输出：b'MyClass instance'
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```
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## 类和静态方法
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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。
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### 实例方法
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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**。
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```python
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class Example:
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def instance_method(self):
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return "This is an instance method", self
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e = Example()
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print(e.instance_method())
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# 输出 ('This is an instance method', <__main__.Example object at 0x7f49af98f610>)
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```
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### 类方法
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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。
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```python
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class Example:
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class_var = "Class Variable"
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@classmethod
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def class_method(cls):
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return "This is a class method accessing:", cls.class_var
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print(Example.class_method())
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# 输出 ('This is a class method accessing:', 'Class Variable')
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```
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### 静态方法
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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。
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```python
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class Example:
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@staticmethod
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def static_method():
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return "This is a static method"
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print(Example.static_method())
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# 输出 This is a static method
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```
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### 类方法 Vs 静态方法
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| 类型 | 用途 | 优点 | 缺点 |
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| ------------ | ----------------------------------------------------- | ----------------------------- | ---------------------------- |
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| **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 |
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| **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 |
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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。
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## 属性
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### `@property` 装饰器
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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。
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```python
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class Example:
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def __init__(self, number):
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self._number = number
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@property
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def number(self):
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return self._number
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e = Example(5)
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print(e.number)
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# 输出 5
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```
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### 使用 Setter 和 Getter 方法
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Setter 和 Getter 在 Python 中用于控制属性的访问和赋值。
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#### `@<property_name>.setter`
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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。
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```python
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class Example:
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def __init__(self, number):
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self._number = number
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@property
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def number(self):
|
||
return self._number
|
||
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||
@number.setter
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def number(self, value):
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self._number = value
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e = Example(5)
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e.number = 10
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print(e.number)
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# 输出 10
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```
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#### `@<property_name>.deleter`
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除了设置和获取属性，我们还可以定义如何删除属性。
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```python
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class Example:
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def __init__(self, number):
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self._number = number
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@property
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def number(self):
|
||
return self._number
|
||
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@number.deleter
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def number(self):
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print("Deleting number")
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del self._number
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e = Example(5)
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del e.number
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```
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### 属性保护
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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。**
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- **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。
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- **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。
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```python
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class Example:
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def __init__(self):
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self.__private_attr = "I am private"
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self._protected_attr = "I am protected"
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def reveal(self):
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print(self.__private_attr)
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e = Example()
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print(e._protected_attr)
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# print(e.__private_attr) # 将会抛出错误异常
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e.reveal() # 正常工作
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```
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#### `__slots__` 限制动态属性的添加
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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。
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```python
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class Example:
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__slots__ = ['name', 'age']
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e = Example()
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e.name = "ChatGPT"
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# e.salary = 10000 # 将会抛出错误异常
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```
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