超级会员免费看
高级Python编程学习指南
1. 高级Python编程学习内容概述
在高级Python编程学习中，我们将深入学习多个重要的知识点，这些知识对于编写复杂、健壮的程序至关重要。具体学习内容如下：
- 自定义类 ：学会定义自己的类，创建自定义对象，将数据和算法捆绑在一起，使代码更有条理。
- 继承的使用 ：利用继承来扩展类的功能，提高代码的复用性。
- 模块和包的组织 ：把类定义组织在模块文件中，并将模块文件打包成包，便于管理和维护。
- 异常处理 ：使用异常来优雅地处理程序运行时的错误，增强程序的稳定性。
- 自定义异常 ：定义自己的异常，实现自定义的错误处理逻辑。
- 单元测试 ：通过单元测试确保代码的正确性，避免出现漏洞。
虽然在编写短脚本时使用这些原则可能看起来有些“小题大做”，但短脚本往往会逐渐发展成大型程序，在编程初期养成良好的习惯可以节省大量的时间。
2. 编写优质软件的方法
编写优质软件需要创造力和纪律性的结合。以下是软件开发生命周期的主要阶段：
1. 需求分析 ：明确软件要实现的具体功能，并进行文档记录。这些需求将用于编写项目规范，进而确定程序的结构，如函数、类、数据和方法等。
2. 代码编写 ：根据项目规范编写实际的代码。
3. 测试 ：确保软件符合规范要求。
4. 文档编写 ：在编写代码的同时，编写文档是一个关键环节，它有助于后续的维护和理解。
5. 维护阶段 ：软件发布后，会进入维护阶段。在这个阶段，需要修复报告的漏洞，进行改进，并可能添加新功能。维护的难易程度取决于软件的设计、实现和文档质量。
这些概念同样适用于日常编写的短脚本。例如，在实现函数或类之前，可以先进行需求分析，思考其要实现的功能。一个小技巧是在编写代码之前先写好文档字符串（docstring），用它来组织思路并记录代码的输入和输出。对于复杂的代码，可以参考相关书籍、期刊文章或开源项目，避免重复造轮子。
3. 版本控制的重要性
版本控制（也称为修订控制或源代码控制）是跟踪和管理程序及文档变更的过程。即使是小型项目，版本控制工具也非常有用，而对于有多个开发者参与的大型项目，它们更是必不可少。常见的开源版本控制工具包括：
- Mercurial ：Sage项目使用的开源版本控制工具，通过 Web界面 可以浏览Sage源代码并跟踪变更。Sage还提供了在笔记本界面中使用Mercurial的功能，相关文档可参考 这里 。
- Bazaar
- Git
- Subversion
4. 面向对象编程基础
在面向对象编程中，对象是包含数据并具有操作这些数据的方法的结构。类定义了对象中数据的存储方式以及可用于操作数据的方法。可以将类比作建造房屋的蓝图，而对象则是根据蓝图建造的房屋。虽然多栋房屋可以基于相同的蓝图建造，具有相同的结构，但每栋房屋都是独立的实体，其内部内容可以不同。在Python中，对象也被称为类的实例。
如果是面向对象编程的新手，可以先将对象作为现实世界中具体事物的模型。熟悉概念后，就可以用对象来表示各种概念。更多关于面向对象编程的一般原则可参考 这里 。
5. 定义表示坦克的类
下面通过一个具体的例子来学习如何定义类。我们将定义一个表示坦克的类，坦克通常由履带、炮塔和火炮等部件组成。为了简化示例，我们使用点值来表示坦克的装甲强度和主炮造成的伤害。
class Cannon():
"""Model of a large cannon."""
def __init__(self, damage):
"""Create a Cannon instance
Arguments:
damage Integer that represents
the damage inflicted by the cannon
"""
# _damage amount of damage inflicted by cannon (integer)
# _operational True if operational, False if disabled
self._damage = damage
self._operational = True
def __str__(self):
return 'Damage value:' + str(self._damage)
class Track():
"""Model of a continuous track."""
def __init__(self):
# _operational True if operational, False if disabled
self._operational = True
class Turret():
"""Model of a tank turret."""
def __init__(self, gun):
"""Create a Turret instance
Arguments:
gun instance of Gun class
"""
# _gun instance of Gun class
# _operational True if operational, False if disabled
self._gun = gun
self._operational = True
def __str__(self):
return(str(self._gun))
class Tank():
"""Model of an armored fighting vehicle."""
def __init__(self, armor_values, cannon_damage_value):
"""Create a tank instance
Arguments:
armor_values A dictionary of armor values
of the form:
{'front' : 100, 'side' : 50, 'rear' : 25,
'turret' : 75}
cannon_damage_value Integer that represents
the damage inflicted by the main gun
"""
# Initialize armor
self._frontal_armor = armor_values['front']
self._left_armor = armor_values['side']
self._right_armor = armor_values['side']
self._rear_armor = armor_values['rear']
self._turret_armor = armor_values['turret']
# Add tank components
main_gun = Cannon(cannon_damage_value)
self._turret = Turret(main_gun)
self._left_track = Track()
self._right_track = Track()
def __str__(self):
import os
ls = os.linesep
description = 'Tank parameters:' + ls
description += ' Armor values:' + ls
description += ' Front:' + str(self._frontal_armor) + ls
description += ' Left:' + str(self._left_armor) + ls
description += ' Right:' + str(self._right_armor) + ls
description += ' Rear:' + str(self._rear_armor) + ls
description += ' Turret:' + str(self._turret_armor) + ls
description += ' Weapons:' + ls
description += ' Main cannon:' + ls
description += ' ' + str(self._turret) + ls
return description
# Define parameters for the tank
armor_values = {'front' : 100, 'side' : 50, 'rear' : 25,
'turret' : 75}
main_gun_damage = 50
# Create a tank object
tank = Tank(armor_values, main_gun_damage)
print(tank)
在这个例子中，我们使用了对现实世界中坦克的了解，构建了坦克的概念模型，并使用Python实现了面向对象的表示。定义了 Tank 类，使用点值来跟踪坦克的装甲量。每个 Tank 类的实例都关联一个 Turret 类的实例，而 Turret 类又包含一个 Cannon 类的实例。此外，每个 Tank 实例还有两个 Track 类的实例，分别表示左右履带。
6. Python类定义的语法和规则
在Python中，类定义使用 class 关键字，后面跟着类名、括号和冒号。按照惯例，Python类名以大写字母开头，使用大小写混合的方式分隔单词（称为驼峰命名法），这样可以帮助我们区分对象和类。括号用于继承，后续会详细介绍。类的方法使用函数定义语法定义，并通过缩进来表示它们是类定义的一部分。方法的第一个参数是特殊的，按照惯例使用 self ，它指的是实例本身。通过 self 参数，方法可以访问类或实例的数据并调用其他方法，使用 self.method_name() 的语法。但从类外部调用方法时， self 关键字会被省略。
每个类定义的第一个方法通常是 __init__ ，在Python中， __init__ 方法在实例首次创建时会自动调用，其作用类似于其他面向对象语言中的构造函数。如果每次创建实例时都需要初始化数据，那么这些代码应该放在 __init__ 方法中。如果不需要初始化，也可以省略该方法。 Tank 类和 Turret 类的 __init__ 方法有额外的参数，用于设置对象数据的初始值，而 Cannon 和 Track 类的 __init__ 方法没有参数。 __init__ 方法也可以使用关键字参数。创建 Tank 类的实例时，可以使用函数调用的语法，使用类名代替函数名，参数列表必须与 __init__ 方法所需的参数匹配（忽略 self ）。
实例变量在 __init__ 方法中使用 self.var_name = value 的语法创建。实例变量可以是公共的或非公共的。公共实例变量可以被类外部的代码修改，而非公共变量通常只在类内部修改。按照惯例，公共实例变量使用常规名称，非公共实例变量的名称以单个下划线开头。为了鼓励用户使用方法来获取和设置值，我们将类中的实例变量定义为非公共的。方法也可以是非公共的，其名称同样以单个下划线开头。需要注意的是，Python并不阻止外部代码修改非公共变量或调用非公共方法，因此它们被称为非公共，而不是私有，Python没有真正的私有实例变量或方法。
7. 特殊方法和文档字符串的使用
另一个特殊方法是 __str__ ，它是一个可选方法，用于返回对象的字符串表示。由于我们为 Tank 和 Cannon 类定义了 __str__ 方法，因此可以使用 print(tank) 的语法来显示实例的有用数据。当实例作为 str 函数的参数时，也会调用该方法。例如， Tank 类的 __str__ 方法实际上调用了 str 函数来获取 Cannon 实例的文本表示。虽然 Tank 类的 __str__ 方法也可以直接从 Cannon 对象中获取 _damage 的值并将其转换为字符串，但这是一个不明智的捷径。因为在未来，我们可能会完全改变 Cannon 类的内部结构， _damage 变量可能会消失。通过使用方法访问对象的数据，可以使代码更有条理，避免出现漏洞。如果尝试对没有定义 __str__ 方法的实例使用 print ，只会得到关于对象类型和内存地址的晦涩消息。
在每个类定义和函数定义之后，通常会有一个三引号字符串，称为文档字符串（docstring）。这个字符串用于记录类或函数的用途。当请求关于类或实例的帮助时，Sage和Python会使用文档字符串提供帮助。例如：
sage: Tank?
Type: classobj
String Form: __main__.Tank
Namespace: Interactive
File: /Applications/sage/local/lib/python2.6/site-packages/IPython/
FakeModule.py
Docstring:
Model of an armored fighting vehicle.
Constructor information:
Definition:
Tank(self, armor_values, cannon_damage_value)
Docstring:
Constructs a tank instance
Arguments:
armor_values A dictionary of armor values of the form:
{'front' : 100, 'side' : 50, 'rear' : 25, 'turret' : 75}
cannon_damage_value Integer that represents the damage
inflicted by the main gun
建议为所有公共模块、函数、类和方法编写文档字符串，编写良好文档字符串的一般指南可参考 这里 。
8. 让坦克动起来
从简单的角度来看，坦克主要有移动和射击两个功能。下面我们将为坦克模型添加移动的能力。
class Cannon():
"""Model of a large cannon."""
def __init__(self, damage):
"""Create a Cannon instance
Arguments:
damage Integer that represents
the damage inflicted by the cannon
"""
# _damage amount of damage inflicted by cannon (integer)
# _operational True if operational, False if disabled
self._damage = damage
self._operational = True
def __str__(self):
return 'Damage value:' + str(self._damage)
class Track():
"""Model of a continuous track."""
def __init__(self):
# _operational True if operational, False if disabled
self._operational = True
class Turret():
"""Model of a tank turret."""
def __init__(self, gun):
"""Create a Turret instance
Arguments:
gun instance of Gun class
"""
# _gun instance of Gun class
# _operational True if operational, False if disabled
self._gun = gun
self._operational = True
def __str__(self):
return(str(self._gun))
class Tank():
"""Model of an armored fighting vehicle."""
def __init__(self, armor_values, cannon_damage_value, position):
"""Create a tank instance
Arguments:
armor_values A dictionary of armor values
of the form:
{'front' : 100, 'side' : 50, 'rear' : 25,
'turret' : 75}
cannon_damage_value Integer that represents
the damage inflicted by the main gun
position (x,y) tuple of coordinates
"""
# Initialize armor
self._frontal_armor = armor_values['front']
self._left_armor = armor_values['side']
self._right_armor = armor_values['side']
self._rear_armor = armor_values['rear']
self._turret_armor = armor_values['turret']
# Add tank components
main_gun = Cannon(cannon_damage_value)
self._turret = Turret(main_gun)
self._left_track = Track()
self._right_track = Track()
# Intialize position
self._x = position[0]
self._y = position[1]
def __str__(self):
import os
ls = os.linesep
description = 'Tank parameters:' + ls
description += ' Armor values:' + ls
description += ' Front:' + str(self._frontal_armor) + ls
description += ' Left:' + str(self._left_armor) + ls
description += ' Right:' + str(self._right_armor) + ls
description += ' Rear:' + str(self._rear_armor) + ls
description += ' Turret:' + str(self._turret_armor) + ls
description += ' Weapons:' + ls
description += ' Main cannon:' + ls
description += ' ' + str(self._turret) + ls
return description
def move(self, direction, distance):
"""Move the tank.
Arguments:
direction floating-point number representing
the compass angle of movement in degrees. North is
0,
east is 90, south is 180, and west is 270.
0 <= direction < 360
distance distance to move (in meters)
"""
if (direction < 0) or (direction >= 360):
print("Error: Direction must be greater than or equal \
to zero and less than 360.")
elif distance < 0:
print("Error: Negative distance.")
else:
self._x += n(distance * cos(direction * pi / 180))
self._y += n(distance * sin(direction * pi / 180))
def get_position(self):
"""Returns a tuple with the (x,y) coordinates of the tank's
current location.
"""
return (float(self._x), float(self._y))
# Define parameters for the tank
armor_values = {'front' : 100, 'side' : 50, 'rear' : 25,
'turret' : 75}
main_gun_damage = 50
initial_position = (0.0, 0.0)
# Create a tank object
tank = Tank(armor_values, main_gun_damage, initial_position)
pos = tank.get_position()
print("Initial position: x = {0:.2f}m y = {1:.2f}m".format(pos[0],
pos[1]))
# Move 10m north
tank.move(0.0, 10.0)
pos = tank.get_position()
print("Current position: x = {0:.2f}m y = {1:.2f}m".format(pos[0],
pos[1]))
# Now move 10m east
tank.move(90.0, 10.0)
pos = tank.get_position()
print("Current position: x = {0:.2f}m y = {1:.2f}m".format(pos[0],
pos[1]))
# Move southwest, back to the origin
tank.move(225.0, sqrt(10.0**2 + 10.0**2))
pos = tank.get_position()
print("Current position: x = {0:.2f}m y = {1:.2f}m".format(pos[0],
pos[1]))
# Try a move which doesn't make sense
tank.move(-2,-1)
在这个增强版的示例中，我们定义了两个新方法，并对 __init__ 方法进行了一些更改。为了让坦克能够移动，我们为 __init__ 方法添加了一个 position 参数，用于初始化坦克的初始位置（假设坦克位于一个平面上）。同时，我们添加了 get_position 方法，用于返回坦克当前位置的 (x, y) 坐标元组。为了确保打印值时格式正确，我们将返回值强制转换为Python浮点数。因为Sage的 RealNumber 对象作为 format 参数时会被计算为字符串，所以需要将其转换为Python浮点数才能使用Python的实数格式规范。
如果从命令行运行这个示例，输出结果如下：
sage: load("4460_9_2.py")
Initial position: x = 0.00m y = 0.00m
Current position: x = 10.00m y = 0.00m
Current position: x = 10.00m y = 10.00m
Current position: x = -0.00m y = 0.00m
Error: Direction must be greater than or equal to zero and less than 360.
通过以上步骤，我们不仅学习了如何定义类和使用面向对象编程的基本概念，还为坦克模型添加了移动的功能，进一步加深了对Python编程的理解。在实际编程中，我们可以根据需求继续扩展坦克模型的功能，如添加射击功能、处理坦克的损坏情况等。同时，要始终牢记编写优质软件的原则，注重代码的组织、文档的编写和错误处理，以提高代码的可维护性和健壮性。
高级Python编程学习指南
9. 坦克移动功能的详细分析
在前面的代码中，为坦克模型添加了移动功能，下面详细分析相关代码的实现逻辑。
-
__init__方法的修改 ：在原有的基础上，增加了position参数，该参数是一个(x, y)坐标元组，用于初始化坦克的初始位置。代码通过将position元组中的值分别赋值给self._x和self._y，完成了坦克位置的初始化。
def __init__(self, armor_values, cannon_damage_value, position):
# ...原有代码...
# Intialize position
self._x = position[0]
self._y = position[1]
-
move方法 ：该方法用于实现坦克的移动功能，接收两个参数：direction和distance。direction表示移动的方向，以角度为单位（0 表示北，90 表示东，180 表示南，270 表示西）；distance表示移动的距离（单位为米）。
def move(self, direction, distance):
if (direction < 0) or (direction >= 360):
print("Error: Direction must be greater than or equal to zero and less than 360.")
elif distance < 0:
print("Error: Negative distance.")
else:
self._x += n(distance * cos(direction * pi / 180))
self._y += n(distance * sin(direction * pi / 180))
在方法内部，首先对输入的 direction 和 distance 进行合法性检查。如果 direction 不在 0 到 360 度的范围内，或者 distance 为负数，则输出相应的错误信息。如果输入合法，则根据三角函数计算坦克在 x 和 y 方向上的位移，并更新坦克的位置。
-
get_position方法 ：该方法用于获取坦克当前的位置，返回一个包含(x, y)坐标的元组。为了确保返回值能正确格式化输出，将self._x和self._y转换为 Python 浮点数。
def get_position(self):
return (float(self._x), float(self._y))
10. 面向对象编程的优势体现
通过坦克模型的例子，可以清晰地看到面向对象编程的优势，主要体现在以下几个方面：
| 优势 | 说明 |
|---|---|
| 代码组织性 | 将坦克的各个部件（如履带、炮塔、火炮）抽象为不同的类，每个类负责自己的功能和数据，使得代码结构清晰，易于理解和维护。例如， Cannon 类负责管理火炮的伤害值和状态， Track 类负责管理履带的状态等。 |
| 代码复用性 | 可以通过继承等方式扩展类的功能，提高代码的复用率。如果需要创建不同类型的坦克，只需要对现有的 Tank 类进行继承和修改，而不需要重新编写所有的代码。 |
| 可扩展性 | 可以方便地为坦克模型添加新的功能。例如，要为坦克添加射击功能，只需要在 Cannon 类或 Tank 类中添加相应的方法即可，不会影响到其他部分的代码。 |
| 数据封装 | 通过将数据封装在类的内部，使用非公共实例变量和方法，控制外部代码对数据的访问。这样可以避免外部代码直接修改数据，提高代码的安全性和稳定性。 |
11. 异常处理在坦克模型中的应用
虽然在前面的代码中，对 move 方法的输入进行了简单的检查，但可以使用异常处理机制来更优雅地处理错误。以下是修改后的代码：
class InvalidDirectionError(Exception):
pass
class NegativeDistanceError(Exception):
pass
class Cannon():
# ...原有代码...
class Track():
# ...原有代码...
class Turret():
# ...原有代码...
class Tank():
def __init__(self, armor_values, cannon_damage_value, position):
# ...原有代码...
def __str__(self):
# ...原有代码...
def move(self, direction, distance):
if (direction < 0) or (direction >= 360):
raise InvalidDirectionError("Direction must be greater than or equal to zero and less than 360.")
elif distance < 0:
raise NegativeDistanceError("Negative distance.")
else:
self._x += n(distance * cos(direction * pi / 180))
self._y += n(distance * sin(direction * pi / 180))
def get_position(self):
# ...原有代码...
# 使用异常处理调用坦克移动方法
try:
armor_values = {'front': 100, 'side': 50, 'rear': 25, 'turret': 75}
main_gun_damage = 50
initial_position = (0.0, 0.0)
tank = Tank(armor_values, main_gun_damage, initial_position)
tank.move(0.0, 10.0)
tank.move(90.0, 10.0)
tank.move(225.0, sqrt(10.0**2 + 10.0**2))
tank.move(-2, -1)
except InvalidDirectionError as e:
print(f"Invalid direction error: {e}")
except NegativeDistanceError as e:
print(f"Negative distance error: {e}")
在上述代码中，定义了两个自定义异常类 InvalidDirectionError 和 NegativeDistanceError ，分别用于处理方向无效和距离为负的错误。在 move 方法中，当输入不合法时，抛出相应的异常。在主程序中，使用 try-except 语句捕获并处理这些异常，使代码更加健壮。
12. 单元测试的重要性及实现
单元测试是确保代码正确性的重要手段，它可以帮助我们在开发过程中及时发现和修复漏洞。下面使用 Python 的 unittest 模块为坦克模型编写单元测试：
import unittest
import math
class Cannon():
# ...原有代码...
class Track():
# ...原有代码...
class Turret():
# ...原有代码...
class Tank():
# ...原有代码...
class TestTank(unittest.TestCase):
def setUp(self):
armor_values = {'front': 100, 'side': 50, 'rear': 25, 'turret': 75}
main_gun_damage = 50
initial_position = (0.0, 0.0)
self.tank = Tank(armor_values, main_gun_damage, initial_position)
def test_move_north(self):
self.tank.move(0.0, 10.0)
pos = self.tank.get_position()
expected_x = 0.0
expected_y = 10.0
self.assertEqual(round(pos[0], 2), round(expected_x, 2))
self.assertEqual(round(pos[1], 2), round(expected_y, 2))
if __name__ == '__main__':
unittest.main()
在上述代码中，定义了一个 TestTank 测试类，继承自 unittest.TestCase 。在 setUp 方法中，初始化了一个坦克对象，用于每个测试方法的使用。 test_move_north 方法测试了坦克向北移动的功能，通过比较实际位置和预期位置，使用 assertEqual 方法进行断言，确保测试通过。
13. 总结
通过学习高级 Python 编程，我们掌握了自定义类、继承、模块和包的组织、异常处理、自定义异常以及单元测试等重要知识。以坦克模型为例，深入理解了面向对象编程的概念和优势，学会了如何将现实世界的事物抽象为代码模型，并为其添加功能。
在实际编程中，要注重代码的组织和规范，编写清晰的文档字符串，使用异常处理机制提高代码的健壮性，通过单元测试确保代码的正确性。同时，要养成良好的编程习惯，在项目初期就考虑到代码的可维护性和扩展性，避免后期出现难以解决的问题。
通过不断地实践和学习，我们可以更加熟练地运用这些高级编程技巧，开发出更加复杂、高效的 Python 程序。
graph TD;
A[需求分析] --> B[代码编写];
B --> C[测试];
C --> D[文档编写];
D --> E[维护阶段];
F[自定义类] --> G[面向对象编程];
G --> H[坦克模型];
H --> I[移动功能];
H --> J[射击功能];
K[异常处理] --> L[提高代码健壮性];
M[单元测试] --> N[确保代码正确性];
以上流程图展示了软件开发生命周期、面向对象编程应用以及代码质量保障的主要环节，帮助我们更直观地理解整个学习和开发过程。
扫一扫
5万+
被折叠的 条评论
为什么被折叠?
到【灌水乐园】发言
