深入讲解 Python 中的类与对象

深入讲解 Python 中的类与对象

一、基本概念
  1. 类(Class)
    类是对象的蓝图,定义了对象的属性和方法。
    语法:class ClassName:
    示例:

    class Dog:
        pass  # 最简单的空类
    
  2. 对象(Object)
    对象是类的实例化产物,具有类定义的属性和行为。
    示例:

    my_dog = Dog()  # 创建 Dog 类的实例
    

二、类核心要素详解
  1. 构造函数 __init__
    用于初始化对象属性,创建对象时自动调用。

    class Dog:
        def __init__(self, name, age):
            self.name = name  # 实例属性
            self.age = age
    
    my_dog = Dog("Buddy", 3)
    print(my_dog.name)  # 输出: Buddy
    
  2. 实例方法
    定义在类中的函数,第一个参数必须是 self(指向实例自身)。

    class Dog:
        def bark(self):
            print(f"{self.name} says: Woof!")
    
    my_dog.bark()  # 输出: Buddy says: Woof!
    
  3. 类属性与实例属性

    类型定义位置访问方式特点
    类属性类内部(方法外)ClassName.attr所有实例共享
    实例属性__init__ 或方法中self.attr每个实例独立

    示例:

    class Dog:
        species = "Canis lupus"  # 类属性
        def __init__(self, name):
            self.name = name      # 实例属性
    
    print(Dog.species)  # 输出: Canis lupus
    

三、面向对象三大特性
  1. 封装(Encapsulation)

    • 隐藏内部实现细节,通过方法暴露操作接口
    • 使用单下划线 _var 约定私有属性(Python 无严格私有机制)
    class BankAccount:
        def __init__(self):
            self._balance = 0  # "私有"属性
        
        def deposit(self, amount):
            self._balance += amount
        
        def get_balance(self):
            return self._balance
    
  2. 继承(Inheritance)
    子类继承父类的属性和方法,支持多继承。

    class Animal:
        def __init__(self, name):
            self.name = name
        
        def speak(self):
            raise NotImplementedError("子类必须实现此方法")
    
    class Cat(Animal):
        def speak(self):
            return "Meow!"
    
    class Dog(Animal):
        def speak(self):
            return "Woof!"
    
  3. 多态(Polymorphism)
    不同子类对同一方法的不同实现。

    animals = [Cat("Whiskers"), Dog("Buddy")]
    for animal in animals:
        print(animal.speak())
    # 输出:
    # Meow!
    # Woof!
    

四、高级特性
  1. 类方法与静态方法

    类型装饰器第一个参数典型用途
    实例方法self操作实例属性
    类方法@classmethodcls操作类属性或创建工厂方法
    静态方法@staticmethod工具函数

    示例:

    class Pizza:
        def __init__(self, ingredients):
            self.ingredients = ingredients
        
        @classmethod
        def margherita(cls):
            return cls(["tomato", "mozzarella"])
        
        @staticmethod
        def validate_ingredients(ingredients):
            return "tomato" in ingredients
    
  2. 特殊方法(Magic Methods)
    通过实现特殊方法自定义对象行为。

    class Vector:
        def __init__(self, x, y):
            self.x = x
            self.y = y
        
        def __add__(self, other):
            return Vector(self.x + other.x, self.y + other.y)
        
        def __str__(self):
            return f"Vector({self.x}, {self.y})"
    
    v1 = Vector(2, 3)
    v2 = Vector(1, 4)
    print(v1 + v2)  # 输出: Vector(3, 7)
    
  3. 属性装饰器 @property
    控制属性的访问和修改。

    class Circle:
        def __init__(self, radius):
            self._radius = radius
        
        @property
        def radius(self):
            return self._radius
        
        @radius.setter
        def radius(self, value):
            if value <= 0:
                raise ValueError("半径必须为正数")
            self._radius = value
    

五、继承进阶
  1. 方法重写(Override)

    class Parent:
        def show(self):
            print("Parent method")
    
    class Child(Parent):
        def show(self):
            super().show()  # 调用父类方法
            print("Child method")
    
  2. 多继承与 MRO
    Python 使用 C3 算法确定方法解析顺序。

    class A:
        def do(self):
            print("A")
    
    class B(A):
        def do(self):
            print("B")
    
    class C(A):
        def do(self):
            print("C")
    
    class D(B, C):
        pass
    
    d = D()
    d.do()  # 输出: B
    print(D.__mro__)  # 查看继承顺序
    

六、最佳实践
  1. 组合优于继承
    优先使用对象组合而非类继承来实现代码复用。

    class Engine:
        def start(self):
            print("Engine started")
    
    class Car:
        def __init__(self):
            self.engine = Engine()
        
        def start(self):
            self.engine.start()
    
  2. 遵循 SOLID 原则

    • 单一职责原则(SRP)
    • 开放封闭原则(OCP)
    • 里氏替换原则(LSP)
    • 接口隔离原则(ISP)
    • 依赖倒置原则(DIP)

七、常见问题与解决方案
  1. 可变默认参数陷阱

    # 错误示例
    class Test:
        def __init__(self, items=[]):  # 所有实例共享同一个列表
            self.items = items
    
    # 正确写法
    class Test:
        def __init__(self, items=None):
            self.items = items if items is not None else []
    
  2. 动态属性管理
    使用 __slots__ 优化内存占用:

    class Point:
        __slots__ = ('x', 'y')  # 限制允许的属性
        def __init__(self, x, y):
            self.x = x
            self.y = y
    

八、完整示例:游戏角色系统
class Character:
    MAX_HEALTH = 100

    def __init__(self, name, attack_power):
        self.name = name
        self.health = self.MAX_HEALTH
        self.attack_power = attack_power

    def attack(self, target):
        target.take_damage(self.attack_power)

    def take_damage(self, damage):
        self.health = max(0, self.health - damage)
        print(f"{self.name}受到 {damage} 点伤害,剩余生命值: {self.health}")

class Warrior(Character):
    def __init__(self, name):
        super().__init__(name, attack_power=15)
        self.shield = 10

    def take_damage(self, damage):
        actual_damage = max(0, damage - self.shield)
        super().take_damage(actual_damage)

class Mage(Character):
    def __init__(self, name):
        super().__init__(name, attack_power=20)
        self.mana = 100

    def cast_spell(self, target):
        if self.mana >= 30:
            target.take_damage(25)
            self.mana -= 30
        else:
            print("法力不足!")

# 使用示例
warrior = Warrior("Conan")
mage = Mage("Gandalf")

warrior.attack(mage)    # Gandalf受到 5 点伤害(15-10)
mage.cast_spell(warrior) # Conan受到 25 点伤害

总结

Python 的面向对象编程提供了强大的代码组织能力,通过合理使用类与对象可以实现:

  1. 逻辑模块化
  2. 代码复用
  3. 复杂系统建模

关键要点:

  • 明确区分类属性和实例属性
  • 合理使用继承与组合
  • 善用特殊方法实现 Pythonic 对象
  • 遵循面向对象设计原则
  • 注意 Python 特有的实现细节(如 self 参数、MRO 等)
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