第十三章：面向对象编程基础

本章目标

完成本章学习后，你将能够：

理解面向对象编程的核心概念
定义类和创建对象
使用属性和方法
理解self和init
掌握类变量和实例变量

面向对象基础概念

什么是面向对象编程

面向对象编程（OOP）是一种编程范式，基于“对象”的概念。对象包含数据（属性）和代码（方法）。

核心概念：

类（Class） —— 对象的蓝图/模板
对象（Object） —— 类的实例
属性（Attribute） —— 对象的数据
方法（Method） —— 对象的行为
封装（Encapsulation） —— 隐藏内部实现
继承（Inheritance） —— 基于现有类创建新类
多态（Polymorphism） —— 同一接口，不同实现

定义类

基本语法

class Dog:
    """狗的类"""
 
    # 类属性（所有实例共享）
    species = "Canis familiaris"
 
    # 构造方法（初始化方法）
    def __init__(self, name, age):
        # 实例属性（每个实例独立）
        self.name = name
        self.age = age
 
    # 实例方法
    def bark(self):
        return f"{self.name} says woof!"
 
    def get_info(self):
        return f"{self.name} is {self.age} years old"
 
# 创建实例（对象）
buddy = Dog("Buddy", 3)
miles = Dog("Miles", 5)
 
# 访问属性和方法
print(buddy.name)        # Buddy
print(buddy.age)         # 3
print(buddy.species)     # Canis familiaris
print(buddy.bark())      # Buddy says woof!
print(buddy.get_info())  # Buddy is 3 years old

init方法

class Person:
    def __init__(self, name, age=0):
        """
        构造方法，创建对象时自动调用
        self指向新创建的对象实例
        """
        self.name = name
        self.age = age
        self._id = id(self)  # 内部使用的属性
 
# 创建对象
p1 = Person("Alice", 25)  # __init__自动调用
p2 = Person("Bob")        # age使用默认值0

类属性 vs 实例属性

class Cat:
    # 类属性：所有实例共享
    species = "Felis catus"
    count = 0
 
    def __init__(self, name):
        # 实例属性：每个实例独立
        self.name = name
        Cat.count += 1  # 修改类属性
 
# 测试
cat1 = Cat("Whiskers")
cat2 = Cat("Felix")
 
print(Cat.count)      # 2
print(cat1.count)     # 2（通过实例访问类属性）
print(cat2.count)     # 2
 
# 危险：通过实例赋值会创建实例属性
cat1.species = "Unknown"  # 创建实例属性，不影响类属性
print(Cat.species)    # Felis catus（不变）
print(cat1.species)   # Unknown（实例属性）
print(cat2.species)   # Felis catus（仍访问类属性）

方法类型

class MyClass:
    class_var = "class variable"
 
    def __init__(self, value):
        self.instance_var = value
 
    # 实例方法：第一个参数是self
    def instance_method(self):
        return f"instance: {self.instance_var}"
 
    # 类方法：第一个参数是cls，可以访问类属性
    @classmethod
    def class_method(cls):
        return f"class: {cls.class_var}"
 
    # 静态方法：没有特殊参数，不需要访问类或实例
    @staticmethod
    def static_method():
        return "static method"
 
    # 替代构造函数（工厂方法）
    @classmethod
    def from_string(cls, string):
        """从字符串创建对象"""
        value = int(string)
        return cls(value)
 
# 使用
obj = MyClass(42)
print(obj.instance_method())   # 实例方法
print(MyClass.class_method())  # 类方法
print(MyClass.static_method()) # 静态方法
 
# 工厂方法
obj2 = MyClass.from_string("100")

属性访问控制

class BankAccount:
    def __init__(self, owner, balance=0):
        self.owner = owner
        self._balance = balance       # 单下划线：约定为内部使用
        self.__transaction_log = []   # 双下划线：名称改写（私有）
 
    # getter
    @property
    def balance(self):
        """获取余额（只读）"""
        return self._balance
 
    # setter
    @balance.setter
    def balance(self, value):
        if value < 0:
            raise ValueError("Balance cannot be negative")
        self._balance = value
 
    def deposit(self, amount):
        if amount <= 0:
            raise ValueError("Amount must be positive")
        self._balance += amount
        self.__log_transaction(f"Deposit: {amount}")
 
    def __log_transaction(self, message):
        """私有方法"""
        self.__transaction_log.append(message)
 
# 使用
account = BankAccount("Alice", 100)
print(account.balance)      # 访问属性（实际调用getter）
# account.balance = -50     # ValueError
account.deposit(50)         # 通过方法修改
print(account.balance)      # 150
 
# 名称改写
# print(account.__transaction_log)  # AttributeError
print(account._BankAccount__transaction_log)  # 可以访问但不推荐

特殊方法（魔术方法）

class Vector:
    def __init__(self, x, y):
        self.x = x
        self.y = y
 
    # 字符串表示
    def __str__(self):       # 用户友好
        return f"Vector({self.x}, {self.y})"
 
    def __repr__(self):      # 开发者友好，eval(repr(obj))应该能重建对象
        return f"Vector({self.x!r}, {self.y!r})"
 
    # 算术运算
    def __add__(self, other):
        return Vector(self.x + other.x, self.y + other.y)
 
    def __sub__(self, other):
        return Vector(self.x - other.x, self.y - other.y)
 
    def __mul__(self, scalar):
        return Vector(self.x * scalar, self.y * scalar)
 
    # 比较
    def __eq__(self, other):
        return self.x == other.x and self.y == other.y
 
    # 长度
    def __len__(self):
        return int((self.x ** 2 + self.y ** 2) ** 0.5)
 
    # 可调用
    def __call__(self):
        return f"Vector at ({self.x}, {self.y})"
 
# 使用
v1 = Vector(2, 3)
v2 = Vector(1, 1)
print(v1 + v2)       # Vector(3, 4)
print(v1 * 3)        # Vector(6, 9)
print(v1 == v2)      # False
print(len(v1))       # 3
print(v1())          # Vector at (2, 3)

本章练习

1. 设计类：设计一个Rectangle类，包含面积、周长计算方法 2. 银行账户：实现支持存取款的BankAccount类，包含利息计算 3. 图书管理：实现Book和Library类，支持借还书功能 4. 向量类扩展：为Vector类添加更多数学运算 5. 温度类：实现支持摄氏华氏转换的Temperature类

本章小结

本章我们学习了：

面向对象的基本概念
类的定义和对象的创建
类属性和实例属性的区别
三种方法类型
属性装饰器
特殊方法

下一章：第十四章：继承与多态

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