Python OOP 一站式教程：从类与对象到项目开发的系统指南

Python OOP 一站式教程：从类与对象到项目开发的系统指南

内容简介

本系列文章是为 Python3 学习者精心设计的一套全面、实用的学习指南，旨在帮助读者从基础入门到项目实战，全面提升编程能力。文章结构由 5 个版块组成，内容层层递进，逻辑清晰。

1. 基础速通：n 个浓缩提炼的核心知识点，夯实编程基础；
2. 经典范例：10 个贴近实际的应用场景，深入理解 Python3 的编程技巧和应用方法；
3. 避坑宝典：10 个典型错误解析，提供解决方案，帮助读者避免常见的编程陷阱；
4. 水平考试：10 道测试题目，检验学习成果，附有标准答案，以便自我评估；
5. 实战案例：3 个迷你项目开发，带领读者从需求分析到代码实现，掌握项目开发的完整流程。

无论你是 Python3 初学者，还是希望提升实战能力的开发者，本系列文章都能为你提供清晰的学习路径和实用的编程技巧，助你快速成长为 Python3 编程高手。

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阅读建议

• 初学者：建议从 “基础速通” 开始，系统学习 Python3 的基础知识，然后通过 “经典范例” 和 “避坑宝典” 加深理解，最后通过 “水平考试” 和 “实战案例” 巩固所学内容；
• 有经验的开发者：可以直接跳转到 “经典范例” 和 “避坑宝典”，快速掌握 Python3 的高级应用技巧和常见错误处理方法，然后通过 “实战案例” 提升项目开发能力；
• 选择性学习：如果读者对某个特定主题感兴趣，可以直接选择相应版块学习。各版块内容既相互独立又逻辑关联，方便读者根据自身需求灵活选择；
• 测试与巩固：完成每个版块的学习后，建议通过 “水平考试” 检验学习效果，并通过 “实战案例” 将理论知识转化为实际技能；
• 项目实战优先：如果你更倾向于实战学习，可以直接从 “实战案例” 入手，边做边学，遇到问题再回溯相关知识点。

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一、基础速通

Python 的面向对象程序设计（Object-Oriented Programming，OOP） 是一种以“对象”为核心的程序设计范式。它将数据和操作数据的方法封装在对象中，通过类和对象的概念组织代码，使程序更模块化、可复用、易维护。以下是其核心概念和 Python 的实现方式：

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1. 类（Class）与对象（Object）

• 类：是对象的蓝图或模板，定义对象的属性（数据）和方法（函数）。

  class Dog:  # 定义一个类
      def __init__(self, name, age):  # 构造函数，初始化属性
          self.name = name
          self.age = age
      
      def bark(self):  # 方法
          print(f"{self.name} 汪汪叫！")
  

• 对象：是类的实例，具有类定义的属性和方法。

  my_dog = Dog("旺财", 3)  # 创建对象
  my_dog.bark()  # 调用方法 → 输出 "旺财 汪汪叫！"
  

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2. 面向对象的四大特性

(1) 封装（Encapsulation）

• 将数据和方法包装在类中，隐藏内部细节，仅暴露必要接口。
• Python 通过命名约定实现封装：
  • public：默认（如 self.name）
  • _protected：单下划线开头（约定为“受保护”，但外部仍可访问）
  • __private：双下划线开头（名称会被改写为 _类名__属性名，实现伪私有）

  class BankAccount:
      def __init__(self):
          self.__balance = 0  # 私有属性
      
      def deposit(self, amount):  # 公开方法操作私有属性
          self.__balance += amount
  

(2) 继承（Inheritance）

• 子类继承父类的属性和方法，实现代码复用和扩展。

  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):  # 继承自 Animal
      def speak(self):  # 重写父类方法
          return "喵喵"
  

(3) 多态（Polymorphism）

• 同一方法在不同对象中表现不同行为，通常通过继承和方法重写实现。

  def animal_sound(animal):
      print(animal.speak())
  
  animal_sound(Cat("咪咪"))  # 输出 "喵喵"
  animal_sound(Dog("旺财"))  # 输出 "汪汪"
  

(4) 抽象（Abstraction）

• 定义接口规范，隐藏复杂实现细节。Python 通过 abc 模块实现抽象类。

  from abc import ABC, abstractmethod
  
  class Shape(ABC):
      @abstractmethod
      def area(self):
          pass
  
  class Circle(Shape):
      def __init__(self, radius):
          self.radius = radius
      
      def area(self):
          return 3.14 * self.radius ** 2
  

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3. Python 的特殊方法（Magic Methods）

• 以双下划线 __ 包裹的方法，用于自定义类的行为（如运算符重载、字符串表示等）：

  class Vector:
      def __init__(self, x, y):
          self.x = x
          self.y = y
      
      def __add__(self, other):  # 重载 + 运算符
          return Vector(self.x + other.x, self.y + other.y)
      
      def __str__(self):  # 定义对象的字符串表示
          return f"Vector({self.x}, {self.y})"
  

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4. 面向对象的优势

• 模块化：将功能拆分到不同的类中，便于协作开发。
• 复用性：通过继承减少重复代码。
• 可维护性：封装使代码修改影响范围可控。
• 扩展性：多态和继承支持灵活的功能扩展。

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5. 何时使用面向对象？

• 当程序需要管理复杂状态（如游戏角色、GUI 组件）。
• 当多个实体共享相似行为（如电商系统的用户、商品）。
• 当需要清晰的代码结构（如大型项目）。

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通过面向对象编程，Python 能够以更贴近现实世界的方式组织代码，提升开发效率和代码质量。掌握 OOP 是成为 Python 高级开发者的关键一步！

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二、经典范例

以下是 10 个经典的 Python 面向对象编程应用场景，每个场景都附有完整代码、解释和运行结果。

1. 创建类与对象

class Dog:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age
    
    def bark(self):
        print(f"{self.name} 汪汪叫！")

# 创建对象
my_dog = Dog("旺财", 3)
my_dog.bark()  # 输出: 旺财 汪汪叫！

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2. 封装与私有属性

class BankAccount:
    def __init__(self, balance):
        self.__balance = balance  # 私有属性
    
    def deposit(self, amount):
        self.__balance += amount
    
    def get_balance(self):
        return self.__balance

account = BankAccount(100)
account.deposit(50)
print(account.get_balance())  # 输出: 150

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3. 继承与多态

class Animal:
    def speak(self):
        raise NotImplementedError("子类必须实现此方法")

class Dog(Animal):
    def speak(self):
        return "汪汪"

class Cat(Animal):
    def speak(self):
        return "喵喵"

animals = [Dog(), Cat()]
for animal in animals:
    print(animal.speak())  # 输出: 汪汪, 喵喵

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4. 方法重写

class Vehicle:
    def drive(self):
        print("驾驶中...")

class Car(Vehicle):
    def drive(self):
        print("汽车驾驶中...")

car = Car()
car.drive()  # 输出: 汽车驾驶中...

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5. 抽象类

from abc import ABC, abstractmethod

class Shape(ABC):
    @abstractmethod
    def area(self):
        pass

class Circle(Shape):
    def __init__(self, radius):
        self.radius = radius
    
    def area(self):
        return 3.14 * self.radius ** 2

circle = Circle(5)
print(circle.area())  # 输出: 78.5

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6. 运算符重载

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(4, 5)
print(v1 + v2)  # 输出: Vector(6, 8)

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7. 静态方法与类方法

class MathUtils:
    @staticmethod
    def add(a, b):
        return a + b
    
    @classmethod
    def info(cls):
        return "这是一个数学工具类"

print(MathUtils.add(2, 3))  # 输出: 5
print(MathUtils.info())     # 输出: 这是一个数学工具类

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8. 属性装饰器

class Person:
    def __init__(self, name):
        self._name = name
    
    @property
    def name(self):
        return self._name
    
    @name.setter
    def name(self, value):
        self._name = value

person = Person("Alice")
print(person.name)  # 输出: Alice
person.name = "Bob"
print(person.name)  # 输出: Bob

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9. 多重继承

class A:
    def greet(self):
        print("来自 A 的问候")

class B:
    def greet(self):
        print("来自 B 的问候")

class C(A, B):
    pass

c = C()
c.greet()  # 输出: 来自 A 的问候（A 在继承列表中优先）

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10. 单例模式

class Singleton:
    _instance = None
    
    def __new__(cls):
        if cls._instance is None:
            cls._instance = super().__new__(cls)
        return cls._instance

s1 = Singleton()
s2 = Singleton()
print(s1 is s2)  # 输出: True

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三、避坑宝典

以下是 10 个 Python 面向对象编程中的典型陷阱，包含错误代码、原因分析、修正方案及执行结果注释：

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1. 方法忘记 self 参数

错误代码：

class MyClass:
    def print_value(value):  # 缺少 self
        print(value)

obj = MyClass()
obj.print_value(10)  # 报错: TypeError

原因：实例方法必须将 self 作为第一个参数。
修正：

class MyClass:
    def print_value(self, value):  # 添加 self
        print(value)

obj = MyClass()
obj.print_value(10)  # 输出: 10

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2. 类变量与实例变量混淆

错误代码：

class Dog:
    tricks = []  # 类变量（所有实例共享）
    def add_trick(self, trick):
        self.tricks.append(trick)

d1 = Dog()
d1.add_trick("打滚")
d2 = Dog()
print(d2.tricks)  # 输出: ["打滚"]（预期应为空）

原因：直接修改类变量，导致所有实例共享同一列表。
修正：

class Dog:
    def __init__(self):
        self.tricks = []  # 实例变量（每个实例独立）
    def add_trick(self, trick):
        self.tricks.append(trick)

d1 = Dog()
d1.add_trick("打滚")
d2 = Dog()
print(d2.tricks)  # 输出: []

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3. 忘记调用父类 __init__

错误代码：

class Animal:
    def __init__(self, name):
        self.name = name

class Cat(Animal):
    def __init__(self, age):
        self.age = age  # 未调用父类 __init__

cat = Cat(2)
print(cat.name)  # 报错: AttributeError

修正：

class Cat(Animal):
    def __init__(self, name, age):
        super().__init__(name)  # 调用父类 __init__
        self.age = age

cat = Cat("咪咪", 2)
print(cat.name)  # 输出: 咪咪

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4. 可变对象作为默认参数

错误代码：

class Student:
    def __init__(self, name, grades=[]):  # 默认空列表
        self.grades = grades
        self.name = name

s1 = Student("Alice")
s1.grades.append(90)
s2 = Student("Bob")
print(s2.grades)  # 输出: [90]（预期应为空）

修正：

class Student:
    def __init__(self, name, grades=None):
        self.grades = grades if grades else []  # 每次新建列表
        self.name = name

s1 = Student("Alice")
s1.grades.append(90)
s2 = Student("Bob")
print(s2.grades)  # 输出: []

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5. 错误的多继承方法解析

错误代码：

class A:
    def show(self):
        print("A")

class B(A):
    def show(self):
        print("B")

class C(A):
    def show(self):
        print("C")

class D(B, C):
    pass

d = D()
d.show()  # 输出: B（可能预期为 C）

原因：继承顺序影响方法解析（MRO）。
修正：

class D(C, B):  # 调整继承顺序
    pass

d = D()
d.show()  # 输出: C

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6. 静态方法与实例方法混淆

错误代码：

class Calculator:
    @staticmethod
    def add(a, b):
        return a + b

calc = Calculator()
print(calc.add(2, 3))  # 正确但不符合规范
print(Calculator.add(2,3))  # 更推荐的方式

说明：静态方法无需实例即可调用，但通过实例调用不会报错。

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7. 动态添加未绑定的方法

错误代码：

class MyClass:
    pass

def new_method():
    print("Hello")

obj = MyClass()
obj.method = new_method
obj.method()  # 报错: TypeError（缺少 self 参数）

修正：

import types
obj.method = types.MethodType(new_method, obj)  # 绑定实例
obj.method()  # 输出: Hello

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8. 私有属性名称错误访问

错误代码：

class Secret:
    def __init__(self):
        self.__value = 42  # 名称被改写为 _Secret__value

s = Secret()
print(s.__value)  # 报错: AttributeError

修正：

print(s._Secret__value)  # 输出: 42（但不建议直接访问）

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9. 未正确重写特殊方法

错误代码：

class MyList(list):
    def __add__(self, other):
        return self + other  # 递归调用导致栈溢出

lst = MyList([1,2])
lst + [3]  # 报错: RecursionError

修正：

class MyList(list):
    def __add__(self, other):
        return MyList(super().__add__(other))

lst = MyList([1,2]) + [3]
print(lst)  # 输出: [1, 2, 3]

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10. 装饰器未保留实例属性

错误代码：

def decorator(func):
    def wrapper():
        print("Decorated")
        return func()
    return wrapper

class MyClass:
    @decorator
    def method(self):
        print("Hello")

obj = MyClass()
obj.method()  # 报错: TypeError（缺少 self 参数）

修正：

from functools import wraps
def decorator(func):
    @wraps(func)
    def wrapper(*args, **kwargs):
        print("Decorated")
        return func(*args, **kwargs)
    return wrapper

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四、水平考试

这是一套“Python 面向对象编程测试试卷”，总分：100 分，考试时间：90 分钟。

（一）选择题（15题 × 2分，共30分）

1. Python 中类的构造函数是？
   A. __init__
   B. __new__
   C. __start__
   D. __construct__
   答案：A

2. 以下哪个是私有属性的命名方式？
   A. name
   B. _name
   C. __name
   D. name_
   答案：C

3. 子类继承父类的语法是？
   A. class Child(Parent)
   B. class Parent(Child)
   C. class Child: Parent
   D. class Parent: Child
   答案：A

4. 以下代码的输出是什么？

   class A:
       def show(self):
           print("A")
   class B(A):
       def show(self):
           print("B")
   obj = B()
   obj.show()
   

   A. A
   B. B
   C. 报错
   D. 无输出
   答案：B

5. 静态方法的装饰器是？
   A. @staticmethod
   B. @classmethod
   C. @property
   D. @abstractmethod
   答案：A

6. 以下代码的错误原因是？

   class Dog:
       def __init__(self, name):
           self.name = name
       def bark():
           print("汪！")
   dog = Dog("旺财")
   dog.bark()
   

   A. 缺少 self 参数
   B. 未定义 name
   C. 构造函数错误
   D. 语法错误
   答案：A

7. 多态的实现依赖于？
   A. 继承和方法重写
   B. 封装
   C. 运算符重载
   D. 装饰器
   答案：A

8. 以下代码的输出是？

   class MyClass:
       count = 0
       def __init__(self):
           MyClass.count += 1
   a = MyClass()
   b = MyClass()
   print(MyClass.count)
   

   A. 0
   B. 1
   C. 2
   D. 报错
   答案：C

9. 以下哪个方法用于字符串表示对象？
   A. __repr__
   B. __str__
   C. __format__
   D. __print__
   答案：B

10. 以下代码的错误是？

    class A:
        def __init__(self, x):
            self.x = x
    class B(A):
        def __init__(self, y):
            self.y = y
    obj = B(5)
    print(obj.x)
    

    A. 未调用父类 __init__
    B. 变量未定义
    C. 语法错误
    D. 无错误
    答案：A

11. 以下代码的输出是？

    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)
    v1 = Vector(1, 2)
    v2 = Vector(3, 4)
    v3 = v1 + v2
    print(v3.x)
    

    A. 1
    B. 3
    C. 4
    D. 报错（未定义 __str__）
    答案：C

12. 抽象类的装饰器是？
    A. @abstract
    B. @abstractmethod
    C. @staticmethod
    D. @classmethod
    答案：B

13. 以下代码的输出是？

    class Parent:
        def greet(self):
            print("Parent")
    class Child(Parent):
        def greet(self):
            super().greet()
            print("Child")
    obj = Child()
    obj.greet()
    

    A. Parent
    B. Child
    C. Parent\nChild
    D. 报错
    答案：C

14. 以下代码的错误是？

    class MyClass:
        @property
        def value(self):
            return self._value
    obj = MyClass()
    obj.value = 10
    

    A. 未定义 _value
    B. 缺少 @value.setter
    C. 语法错误
    D. 无错误
    答案：B

15. 单例模式的目的是？
    A. 限制类只能创建一个实例
    B. 隐藏私有属性
    C. 实现多态
    D. 动态扩展功能
    答案：A

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（二）填空题（10题 × 3分，共30分）

1. 在 Python 中，用于初始化对象的方法是 ______。
   答案：__init__

2. 定义类方法时，装饰器是 ______。
   答案：@classmethod

3. 类的私有属性命名规则是添加 ______ 前缀。
   答案：双下划线（__）

4. 继承多个父类时，方法解析顺序由 ______ 决定。
   答案：MRO（Method Resolution Order）

5. 以下代码的输出是：

   class A:
       def __init__(self):
           self.x = 1
   class B(A):
       def __init__(self):
           super().__init__()
           self.y = 2
   obj = B()
   print(obj.x + obj.y)
   

   答案：3

6. 运算符 + 重载的方法是 ______。
   答案：__add__

7. 动态绑定实例方法需要使用的模块是 ______。
   答案：types.MethodType

8. 上下文管理器的两个特殊方法是 ______ 和 ______。
   答案：__enter__、__exit__

9. 以下代码的输出是：

   class MyClass:
       def __getattr__(self, name):
           return f"{name} 不存在"
   obj = MyClass()
   print(obj.age)
   

   答案：age 不存在

10. 实现抽象类的模块是 ______。
    答案：abc（或 from abc import ABC, abstractmethod）

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（三）编程题（5题 × 8分，共40分）

1. 定义一个 Student 类，包含属性 name 和 score，并实现一个方法 get_grade，返回“优秀”（≥90）、“及格”（≥60）或“不及格”。

   class Student:
       def __init__(self, name, score):
           self.name = name
           self.score = score
       def get_grade(self):
           if self.score >= 90:
               return "优秀"
           elif self.score >= 60:
               return "及格"
           else:
               return "不及格"
   # 测试
   s = Student("Alice", 85)
   print(s.get_grade())  # 输出: 及格
   

2. 实现一个单例模式的类 Singleton。

   class Singleton:
       _instance = None
       def __new__(cls):
           if cls._instance is None:
               cls._instance = super().__new__(cls)
           return cls._instance
   # 测试
   a = Singleton()
   b = Singleton()
   print(a is b)  # 输出: True
   

3. 定义一个 BankAccount 类，包含私有属性 __balance，并实现存款和取款方法。

   class BankAccount:
       def __init__(self):
           self.__balance = 0
       def deposit(self, amount):
           self.__balance += amount
       def withdraw(self, amount):
           if self.__balance >= amount:
               self.__balance -= amount
           else:
               print("余额不足")
       def get_balance(self):
           return self.__balance
   # 测试
   acc = BankAccount()
   acc.deposit(100)
   acc.withdraw(30)
   print(acc.get_balance())  # 输出: 70
   

4. 定义一个 Shape 抽象类，要求子类必须实现 area 方法。

   from abc import ABC, abstractmethod
   class Shape(ABC):
       @abstractmethod
       def area(self):
           pass
   class Circle(Shape):
       def __init__(self, radius):
           self.radius = radius
       def area(self):
           return 3.14 * self.radius ** 2
   # 测试
   c = Circle(3)
   print(c.area())  # 输出: 28.26
   

5. 定义一个 Vector 类，支持向量加法（+）和向量长度计算（__len__）。

   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 __len__(self):
           return int((self.x**2 + self.y**2)**0.5)
   # 测试
   v1 = Vector(3, 4)
   print(len(v1))  # 输出: 5
   

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五、实战案例

以下是 3 个结合 Python 面向对象编程的实用迷你项目，包含完整代码、注释及测试结果，涵盖不同应用场景和编程范式。

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项目 1：图书馆管理系统

功能：管理图书的添加、借阅、归还和查询，使用类封装核心逻辑。

class Book:
    """图书类"""
    def __init__(self, title, author, isbn):
        self.title = title
        self.author = author
        self.isbn = isbn
        self.is_borrowed = False  # 借阅状态

    def __str__(self):
        return f"《{self.title}》- {self.author} (ISBN: {self.isbn})"

class Library:
    """图书馆管理系统"""
    def __init__(self):
        self.books = {}  # ISBN: Book 对象
    
    def add_book(self, book):
        self.books[book.isbn] = book
    
    def borrow_book(self, isbn):
        if isbn in self.books:
            if not self.books[isbn].is_borrowed:
                self.books[isbn].is_borrowed = True
                print(f"成功借阅：{self.books[isbn]}")
            else:
                print("该书已被借出")
        else:
            print("未找到该图书")
    
    def return_book(self, isbn):
        if isbn in self.books:
            self.books[isbn].is_borrowed = False
            print(f"成功归还：{self.books[isbn]}")
        else:
            print("无效的 ISBN")

# 测试
library = Library()
book1 = Book("Python 编程", "Guido van Rossum", "978-1-118-82213-6")
book2 = Book("算法导论", "Thomas Cormen", "978-7-111-40701-0")

library.add_book(book1)
library.add_book(book2)

library.borrow_book("978-1-118-82213-6")  # 输出: 成功借阅：《Python 编程》...
library.borrow_book("978-1-118-82213-6")  # 输出: 该书已被借出
library.return_book("978-1-118-82213-6")  # 输出: 成功归还：《Python 编程》...

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项目 2：电商购物车系统

功能：支持商品管理、折扣策略和多商品结算。

from abc import ABC, abstractmethod

class Product:
    """商品类"""
    def __init__(self, name, price):
        self.name = name
        self.price = price

class DiscountStrategy(ABC):
    """折扣策略抽象类"""
    @abstractmethod
    def apply_discount(self, total):
        pass

class NoDiscount(DiscountStrategy):
    """无折扣"""
    def apply_discount(self, total):
        return total

class PercentageDiscount(DiscountStrategy):
    """百分比折扣"""
    def __init__(self, percentage):
        self.percentage = percentage
    
    def apply_discount(self, total):
        return total * (1 - self.percentage / 100)

class ShoppingCart:
    """购物车"""
    def __init__(self, discount_strategy=NoDiscount()):
        self.items = []
        self.discount_strategy = discount_strategy
    
    def add_item(self, product, quantity=1):
        self.items.extend([product] * quantity)
    
    def calculate_total(self):
        total = sum(p.price for p in self.items)
        return self.discount_strategy.apply_discount(total)

# 测试
iphone = Product("iPhone 15", 7999)
charger = Product("充电器", 199)

cart = ShoppingCart(PercentageDiscount(10))  # 全场 9 折
cart.add_item(iphone)
cart.add_item(charger, 2)

print(f"总价: {cart.calculate_total()} 元")  # 输出: (7999 + 199*2) * 0.9 = 7559.1 元

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项目 3：员工薪资管理系统

功能：计算不同职位员工的薪资（含奖金和扣税逻辑）。

class Employee:
    """员工基类"""
    def __init__(self, name, base_salary):
        self.name = name
        self.base_salary = base_salary
    
    def calculate_salary(self):
        return self.base_salary

class Manager(Employee):
    """经理类（额外 20% 奖金）"""
    def calculate_salary(self):
        return self.base_salary * 1.2

class Developer(Employee):
    """开发类（额外 10% 奖金）"""
    def calculate_salary(self):
        return self.base_salary * 1.1

class PayrollSystem:
    """薪资计算系统"""
    def process_payroll(self, employees):
        for emp in employees:
            print(f"{emp.name} 的薪资: {emp.calculate_salary():.2f} 元")

# 测试
emp1 = Manager("张三", 15000)
emp2 = Developer("李四", 12000)

payroll = PayrollSystem()
payroll.process_payroll([emp1, emp2])
# 输出:
# 张三 的薪资: 18000.00 元
# 李四 的薪资: 13200.00 元

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项目亮点

1. 图书馆管理：类属性管理对象状态（借阅/归还）
2. 电商购物车：策略模式实现灵活折扣
3. 薪资系统：继承与多态处理不同职位逻辑

每个项目均可直接运行，适合作为 OOP 学习模板！