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第十章：类和对象

10.1 什么是类？

​ 类就像一个制造小盒子的模具，你可以用这个模具制造出很多相似的小盒子（对象）。每个小盒子都有自己的特性（属性）和行为（方法），它们都遵循同一个设计蓝图。

​ 我们可以理解为把数据和函数包在一起。

# 定义一个简单的类classStudent:"""学生类"""# 数据def__init__(self,name,score):self.name=name# 属性：姓名self.score=score# 属性：成绩# 方法（函数）defprint_info(self):"""方法：打印学生信息"""print(f"学生姓名：{self.name}，成绩：{self.score}")

10.2 类和对象的基本概念

10.2.1 类与对象的关系

• 类：是抽象的蓝图，定义了一组对象共有的属性和方法
• 对象：是类的实例，具有类所定义的属性和方法

# 使用类创建对象student1=Student("张三",90)student2=Student("李四",85)# 每个对象都有自己的属性print(student1.name)# 张三print(student2.name)# 李四# 调用对象的方法student1.print_info()# 学生姓名：张三，成绩：90student2.print_info()# 学生姓名：李四，成绩：85

10.2.2 类的组成

一个类通常包含：

• 属性：对象的特征或数据
• 方法：对象的行为或功能
• 构造函数：初始化对象的方法

10.3 定义类

10.3.1 基本语法

使用class关键字定义类：

classClassName:"""类的文档字符串"""def__init__(self,参数1,参数2,...):# 初始化方法，用于设置对象的初始状态self.属性1=参数1self.属性2=参数2# ...def方法1(self,参数...):# 方法定义pass

10.3.2 初始化方法__init__

__init__是一个特殊的方法，在创建对象时自动调用，用于初始化对象的属性：

classDog:"""狗类"""def__init__(self,name,age):self.name=name self.age=age self.breed="未知"# 设置默认值# 创建对象时必须提供__init__中必需的参数my_dog=Dog("旺财",3)

self参数是对当前对象的引用，在类的方法中必须作为第一个参数：

• 通过self可以访问对象的属性和其他方法
• 在调用方法时，不需要手动传递self，Python会自动处理

10.4 属性和方法

10.4.1 实例属性

实例属性属于每个对象实例，每个对象都有自己的属性副本：

classCar:"""汽车类"""def__init__(self,brand,color):self.brand=brand# 实例属性self.color=color# 实例属性car1=Car("丰田","白色")car2=Car("本田","黑色")print(car1.brand)# 丰田print(car2.brand)# 本田

10.4.2 实例方法

实例方法是在类中定义的函数，第一个参数是self，用于定义对象的行为：

classCar:def__init__(self,brand,color):self.brand=brand self.color=color self.speed=0# 初始速度defaccelerate(self,increment):"""加速方法"""self.speed+=incrementprint(f"{self.brand}车加速到{self.speed}km/h")defbrake(self,decrement):"""刹车方法"""self.speed-=decrementifself.speed<0:self.speed=0print(f"{self.brand}车减速到{self.speed}km/h")# 使用实例方法my_car=Car("宝马","蓝色")my_car.accelerate(20)# 宝马车加速到20km/hmy_car.brake(5)# 宝马车减速到15km/h

10.4.3 类属性

类属性属于类本身，所有对象实例共享同一个类属性：

classCar:# 类属性wheels=4# 所有汽车都有4个轮子def__init__(self,brand,color):self.brand=brand# 实例属性self.color=color# 实例属性# 通过类名访问类属性print(Car.wheels)# 4# 通过对象实例也可以访问类属性my_car=Car("奥迪","红色")print(my_car.wheels)# 4# 修改类属性会影响所有实例Car.wheels=6print(my_car.wheels)# 6

10.4.4 类方法

类方法使用@classmethod装饰器定义，第一个参数是cls（表示类本身）：

classCar:wheels=4count=0# 记录创建的汽车数量def__init__(self,brand,color):self.brand=brand self.color=color Car.count+=1# 每次创建对象时计数增加@classmethoddefget_count(cls):"""类方法：获取汽车数量"""returncls.count@classmethoddefset_wheels(cls,number):"""类方法：设置轮子数量"""cls.wheels=number# 使用类方法print(Car.get_count())# 0（还没有创建对象）car1=Car("奔驰","黑色")car2=Car("大众","白色")print(Car.get_count())# 2Car.set_wheels(6)print(car1.wheels)# 6

10.4.5 静态方法

静态方法使用@staticmethod装饰器定义，不需要self或cls参数：

classCar:def__init__(self,brand,color):self.brand=brand self.color=color@staticmethoddefis_valid_brand(brand):"""静态方法：检查品牌是否有效"""valid_brands=["丰田","本田","宝马","奔驰","奥迪"]returnbrandinvalid_brands# 使用静态方法print(Car.is_valid_brand("宝马"))# Trueprint(Car.is_valid_brand("比亚迪"))# False# 也可以通过对象调用my_car=Car("宝马","蓝色")print(my_car.is_valid_brand("丰田"))# True

10.5 封装

封装是将数据（属性）和行为（方法）包装在一起，并控制对内部数据的访问。

10.5.1 访问控制

在Python中，使用命名约定来控制访问：

• 公有属性和方法：正常命名，如name、print_info()
• 受保护的属性和方法：以单个下划线开头，如_protected_var
• 私有的属性和方法：以双下划线开头，如__private_var

classBankAccount:"""银行账户类"""def__init__(self,account_holder,balance):self.account_holder=account_holder# 公有属性self._account_number="123456789"# 受保护属性（约定上不直接访问）self.__balance=balance# 私有属性（无法直接访问）# 公有方法defget_balance(self):"""获取余额（公有方法）"""returnself.__balancedefdeposit(self,amount):"""存款"""ifamount>0:self.__balance+=amountreturnTruereturnFalsedefwithdraw(self,amount):"""取款"""if0<amount<=self.__balance:self.__balance-=amountreturnTruereturnFalse# 使用封装account=BankAccount("张三",1000)print(account.account_holder)# 张三（可以访问公有属性）# print(account.__balance) # 错误！无法直接访问私有属性print(account.get_balance())# 1000（通过公有方法访问私有属性）account.deposit(500)print(account.get_balance())# 1500account.withdraw(200)print(account.get_balance())# 1300

10.5.2 属性装饰器

使用@property装饰器可以创建只读属性，或者定义getter、setter方法：

classCircle:"""圆类"""def__init__(self,radius):self._radius=radius@propertydefradius(self):"""radius属性的getter方法"""returnself._radius@radius.setterdefradius(self,value):"""radius属性的setter方法"""ifvalue>=0:self._radius=valueelse:raiseValueError("半径不能为负")@propertydefarea(self):"""计算面积（只读属性）"""return3.14159*self._radius**2@propertydefcircumference(self):"""计算周长（只读属性）"""return2*3.14159*self._radius# 使用属性装饰器circle=Circle(5)print(circle.radius)# 5（调用getter方法）circle.radius=10# 调用setter方法print(circle.radius)# 10print(circle.area)# 314.159（只读属性）print(circle.circumference)# 62.8318（只读属性）# circle.radius = -5 # 会抛出ValueError

10.6 继承

继承允许我们定义一个类，它继承另一个类的属性和方法。

10.6.1 基本继承

# 父类（基类）classAnimal:"""动物类"""def__init__(self,name,age):self.name=name self.age=agedefeat(self):print(f"{self.name}正在吃东西")defsleep(self):print(f"{self.name}正在睡觉")# 子类（派生类）classDog(Animal):"""狗类，继承自动物类"""def__init__(self,name,age,breed):# 调用父类的初始化方法super().__init__(name,age)self.breed=breed# 子类特有的属性# 子类特有的方法defbark(self):print(f"{self.name}在汪汪叫")# 重写父类的方法defeat(self):print(f"{self.name}正在吃狗粮")# 使用继承my_dog=Dog("旺财",3,"金毛")# 调用继承的方法my_dog.eat()# 旺财正在吃狗粮（重写后的方法）my_dog.sleep()# 旺财正在睡觉（继承的方法）# 调用子类特有的方法my_dog.bark()# 旺财在汪汪叫print(my_dog.breed)# 金毛（子类特有的属性）

10.6.2 多重继承

一个类可以继承多个父类：

classFlyable:"""可飞行的类"""deffly(self):print("正在飞行")classSwimmable:"""可游泳的类"""defswim(self):print("正在游泳")classDuck(Flyable,Swimmable):"""鸭子类，继承自Flyable和Swimmable"""def__init__(self,name):self.name=namedefquack(self):print(f"{self.name}在嘎嘎叫")# 使用多重继承duck=Duck("唐老鸭")duck.quack()# 唐老鸭在嘎嘎叫duck.fly()# 正在飞行duck.swim()# 正在游泳

10.6.3 方法解析顺序

当使用多重继承时，Python按照方法解析顺序来查找方法：

classA:deftest(self):print("A")classB(A):deftest(self):print("B")classC(A):deftest(self):print("C")classD(B,C):pass# 查看MROprint(D.__mro__)d=D()d.test()# 输出B，按照MRO顺序查找

10.7 多态

多态是指不同类的对象对同一消息（方法调用）做出不同的响应：

classAnimal:defspeak(self):passclassDog(Animal):defspeak(self):return"汪汪！"classCat(Animal):defspeak(self):return"喵喵！"classCow(Animal):defspeak(self):return"哞哞！"# 多态的例子defanimal_speak(animal):print(animal.speak())# 传入不同的对象，调用相同的方法，得到不同的结果dog=Dog()cat=Cat()cow=Cow()animal_speak(dog)# 汪汪！animal_speak(cat)# 喵喵！animal_speak(cow)# 哞哞！

10.8 特殊方法（魔术方法）

特殊方法以双下划线开头和结尾，用于实现类的特定行为：

10.8.1 常见特殊方法

classBook:"""图书类"""def__init__(self,title,author,pages):self.title=title self.author=author self.pages=pages# 字符串表示def__str__(self):returnf"《{self.title}》 by{self.author}"def__repr__(self):returnf"Book('{self.title}', '{self.author}',{self.pages})"# 长度def__len__(self):returnself.pages# 比较def__eq__(self,other):ifisinstance(other,Book):returnself.title==other.titleandself.author==other.authorreturnFalsedef__lt__(self,other):"""小于比较，按页数比较"""ifisinstance(other,Book):returnself.pages<other.pagesreturnNotImplemented# 使用特殊方法book1=Book("Python编程","John",300)book2=Book("算法导论","Tom",500)print(book1)# 《Python编程》 by John（调用__str__）print(repr(book1))# Book('Python编程', 'John', 300)（调用__repr__）print(len(book1))# 300（调用__len__）print(book1==book2)# False（调用__eq__）print(book1<book2)# True（调用__lt__）

10.8.2 算术运算特殊方法

classVector:"""向量类"""def__init__(self,x,y):self.x=x self.y=ydef__add__(self,other):"""向量加法"""ifisinstance(other,Vector):returnVector(self.x+other.x,self.y+other.y)returnNotImplementeddef__sub__(self,other):"""向量减法"""ifisinstance(other,Vector):returnVector(self.x-other.x,self.y-other.y)returnNotImplementeddef__mul__(self,scalar):"""向量数乘"""ifisinstance(scalar,(int,float)):returnVector(self.x*scalar,self.y*scalar)returnNotImplementeddef__str__(self):returnf"Vector({self.x},{self.y})"# 使用算术运算特殊方法v1=Vector(2,3)v2=Vector(1,4)v3=v1+v2# 向量加法print(v3)# Vector(3, 7)v4=v1-v2# 向量减法print(v4)# Vector(1, -1)v5=v1*3# 向量数乘print(v5)# Vector(6, 9)

本章笔记：

• 类是创建对象的蓝图，定义了对象的属性和方法。
• 使用class关键字定义类，使用__init__方法初始化对象。
• 类包含实例属性、实例方法、类属性和类方法。
• 封装通过访问控制保护对象内部数据。
• 继承允许子类继承父类的属性和方法，并可以重写或扩展。
• 多态允许不同类的对象对同一方法调用做出不同响应。
• 特殊方法（魔术方法）用于实现类的特定行为。
• 面向对象编程使代码更加模块化、可重用和易于维护。