Python学习之面向对象高级编程

数据封装、继承和多态只是面向对象程序设计中最基础的3个概念。在Python中,面向对象还有很多高级特性,如:多重继承、定制类、元类等概念。

Python学习目录

  1. 在Mac下使用Python3
  2. Python学习之数据类型
  3. Python学习之函数
  4. Python学习之高级特性
  5. Python学习之函数式编程
  6. Python学习之模块
  7. Python学习之面向对象编程
  8. Python学习之面向对象高级编程
  9. Python学习之错误调试和测试
  10. Python学习之IO编程
  11. Python学习之进程和线程
  12. Python学习之正则
  13. Python学习之常用模块
  14. Python学习之网络编程

__slots__

作用:限制实例的属性。

Python允许在定义class的时候,定义一个特殊的__slots__变量,来限制该class实例能添加的属性:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
class Student(object):
__slots__ = ('name', 'age') # 用tuple定义允许绑定的属性名称

>>> s = Student() # 创建新的实例
>>> s.name = 'Michael' # 绑定属性'name'
>>> s.age = 25 # 绑定属性'age'
>>> s.score = 99 # 绑定属性'score'
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
AttributeError: 'Student' object has no attribute 'score'

由于'score'没有被放到__slots__中,所以不能绑定score属性,试图绑定score将得到AttributeError的错误。

使用__slots__要注意,__slots__定义的属性仅对当前类实例起作用,对继承的子类是不起作用的:

1
2
3
4
5
>>> class GraduateStudent(Student):
... pass
...
>>> g = GraduateStudent()
>>> g.score = 9999

除非在子类中也定义__slots__,这样,子类实例允许定义的属性就是自身的__slots__加上父类的__slots__

@property

装饰器(decorator)可以给函数动态加上功能,对于类的方法,装饰器一样起作用,Python内置的@property装饰器就是负责把一个方法变成属性调用的:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
class Student(object):

@property
def score(self):
return self._score

@score.setter
def score(self, value):
if not isinstance(value, int):
raise ValueError('score must be an integer!')
if value < 0 or value > 100:
raise ValueError('score must between 0 ~ 100!')
self._score = value

把一个getter方法变成属性,只需要加上@property就可以了,此时,@property本身又创建了另一个装饰器`@score.setter`,负责把一个setter方法变成属性赋值,于是,我们就拥有一个可控的属性操作:

1
2
3
4
5
6
7
8
>>> s = Student()
>>> s.score = 60 # OK,实际转化为s.set_score(60)
>>> s.score # OK,实际转化为s.get_score()
60
>>> s.score = 9999
Traceback (most recent call last):
...
ValueError: score must between 0 ~ 100!

注意到这个神奇的@property,我们在对实例属性操作的时候,就知道该属性很可能不是直接暴露的,而是通过getter和setter方法来实现的。

还可以定义只读属性,只定义getter方法,不定义setter方法就是一个只读属性:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
class Student(object):

@property
def birth(self):
return self._birth

@birth.setter
def birth(self, value):
self._birth = value

@property
def age(self):
return 2015 - self._birth

上面的birth是可读写属性,而age就是一个只读属性,因为age可以根据birth和当前时间计算出来。

多重继承

在设计类的继承关系时,通常,主线都是单一继承下来的,例如,Ostrich继承自Bird。但是,如果需要“混入”额外的功能,通过多重继承就可以实现,比如,让Ostrich除了继承自Bird外,再同时继承Runnable。这种设计通常称之为MixIn。

为了更好地看出继承关系,我们把RunnableFlyable改为RunnableMixInFlyableMixIn。类似的,你还可以定义出肉食动物CarnivorousMixIn和植食动物HerbivoresMixIn,让某个动物同时拥有好几个MixIn:

1
2
class Dog(Mammal, RunnableMixIn, CarnivorousMixIn):
pass

MixIn的目的就是给一个类增加多个功能,这样,在设计类的时候,我们优先考虑通过多重继承来组合多个MixIn的功能,而不是设计多层次的复杂的继承关系。

定制类

到类似__slots__这种形如__xxx__的变量或者函数名就要注意,这些在Python中是有特殊用途的。__slots__我们已经知道怎么用了,__len__()方法我们也知道是为了能让class作用于len()函数。除此之外,Python的class中还有许多这样有特殊用途的函数,可以帮助我们定制类。

__str__

1
2
3
4
5
6
7
8
>>> class Student(object):
... def __init__(self, name):
... self.name = name
... def __str__(self):
... return 'Student object (name: %s)' % self.name
...
>>> print(Student('Michael'))
Student object (name: Michael)

这样打印出来的实例,不但好看,而且容易看出实例内部重要的数据。但是直接敲变量不用print,打印出来的实例还是不好看:

1
2
3
>>> s = Student('Michael')
>>> s
<__main__.Student object at 0x109afb310>

这是因为直接显示变量调用的不是__str__(),而是__repr__(),两者的区别是__str__()返回用户看到的字符串,而__repr__()返回程序开发者看到的字符串,也就是说,__repr__()是为调试服务的。

解决办法是再定义一个__repr__()。但是通常__str__()__repr__()代码都是一样的,所以,有个偷懒的写法:

1
2
3
4
5
6
class Student(object):
def __init__(self, name):
self.name = name
def __str__(self):
return 'Student object (name=%s)' % self.name
__repr__ = __str__

__iter__

如果一个类想被用于for ... in循环,类似list或tuple那样,就必须实现一个__iter__()方法,该方法返回一个迭代对象,然后,Python的for循环就会不断调用该迭代对象的__next__()方法拿到循环的下一个值,直到遇到StopIteration错误时退出循环。

我们以斐波那契数列为例,写一个Fib类,可以作用于for循环:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
class Fib(object):
def __init__(self):
self.a, self.b = 0, 1 # 初始化两个计数器a,b

def __iter__(self):
return self # 实例本身就是迭代对象,故返回自己

def __next__(self):
self.a, self.b = self.b, self.a + self.b # 计算下一个值
if self.a > 100000: # 退出循环的条件
raise StopIteration()
return self.a # 返回下一个值

现在,试试把Fib实例作用于for循环:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
>>> for n in Fib():
... print(n)
...
1
1
2
3
5
...
46368
75025

__getitem__

像list那样按照下标取出元素,需要实现__getitem__()方法:

1
2
3
4
5
6
class Fib(object):
def __getitem__(self, n):
a, b = 1, 1
for x in range(n):
a, b = b, a + b
return a

现在,就可以按下标访问数列的任意一项了:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
>>> f = Fib()
>>> f[0]
1
>>> f[1]
1
>>> f[2]
2
>>> f[3]
3
>>> f[10]
89
>>> f[100]
573147844013817084101

但是list有个神奇的切片方法:

1
2
>>> list(range(100))[5:10]
[5, 6, 7, 8, 9]

对于Fib却报错。原因是__getitem__()传入的参数可能是一个int,也可能是一个切片对象slice,所以要做判断:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
class Fib(object):
def __getitem__(self, n):
if isinstance(n, int): # n是索引
a, b = 1, 1
for x in range(n):
a, b = b, a + b
return a
if isinstance(n, slice): # n是切片
start = n.start
stop = n.stop
if start is None:
start = 0
a, b = 1, 1
L = []
for x in range(stop):
if x >= start:
L.append(a)
a, b = b, a + b
return L

__getattr__

Python有一个机制,那就是写一个__getattr__()方法,动态返回一个属性:

1
2
3
4
5
6
7
8
class Student(object):

def __init__(self):
self.name = 'Michael'

def __getattr__(self, attr):
if attr=='score':
return 99

当调用不存在的属性时,比如score,Python解释器会试图调用__getattr__(self, 'score')来尝试获得属性,这样,我们就有机会返回score的值:

1
2
3
4
5
>>> s = Student()
>>> s.name
'Michael'
>>> s.score
99

返回函数也是完全可以的:

1
2
3
4
5
class Student(object):

def __getattr__(self, attr):
if attr=='age':
return lambda: 25

只是调用方式要变为:

1
2
>>> s.age()
25

注意,只有在没有找到属性的情况下,才调用__getattr__,已有的属性,比如name,不会在__getattr__中查找。

此外,注意到任意调用如s.abc都会返回None,这是因为我们定义的__getattr__默认返回就是None。要让class只响应特定的几个属性,我们就要按照约定,抛出AttributeError的错误:

1
2
3
4
5
6
class Student(object):

def __getattr__(self, attr):
if attr=='age':
return lambda: 25
raise AttributeError('\'Student\' object has no attribute \'%s\'' % attr)

__call__

一个对象实例可以有自己的属性和方法,当我们调用实例方法时,我们用instance.method()来调用。

同样的,任何类,只需要定义一个__call__()方法,就可以直接对实例进行调用。请看示例:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
class Student(object):
def __init__(self, name):
self.name = name

def __call__(self):
print('My name is %s.' % self.name)

>>> s = Student('Michael')
>>> s() # self参数不要传入
My name is Michael.

__call__()还可以定义参数。对实例进行直接调用就好比对一个函数进行调用一样,所以你完全可以把对象看成函数,把函数看成对象,因为这两者之间本来就没啥根本的区别。

如果你把对象看成函数,那么函数本身其实也可以在运行期动态创建出来,因为类的实例都是运行期创建出来的,这么一来,我们就模糊了对象和函数的界限。

那么,怎么判断一个变量是对象还是函数呢?其实,更多的时候,我们需要判断一个对象是否能被调用,能被调用的对象就是一个Callable对象,比如函数和我们上面定义的带有__call__()的类实例:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
>>> callable(Student())
True
>>> callable(max)
True
>>> callable([1, 2, 3])
False
>>> callable(None)
False
>>> callable('str')
False

枚举类

「枚举类」Enum是为枚举类型定义一个class类型,然后,每个常量都是class的一个唯一实例。

1
2
3
from enum import Enum

Month = Enum('Month', ('Jan', 'Feb', 'Mar', 'Apr', 'May', 'Jun', 'Jul', 'Aug', 'Sep', 'Oct', 'Nov', 'Dec'))

这样我们就获得了Month类型的枚举类,可以直接使用Month.Jan来引用一个常量,或者枚举它的所有成员:

1
2
for name, member in Month.__members__.items():
print(name, '=>', member, ',', member.value)

value属性则是自动赋给成员的int常量,默认从1开始计数。

如果需要更精确地控制枚举类型,可以从Enum派生出自定义类:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
from enum import Enum, unique

@unique
class Weekday(Enum):
Sun = 0 # Sun的value被设定为0
Mon = 1
Tue = 2
Wed = 3
Thu = 4
Fri = 5
Sat = 6

@unique装饰器可以帮助我们检查保证没有重复值。

访问这些枚举类型可以有若干种方法:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
>>> day1 = Weekday.Mon
>>> print(day1)
Weekday.Mon
>>> print(Weekday.Tue)
Weekday.Tue
>>> print(Weekday['Tue'])
Weekday.Tue
>>> print(Weekday.Tue.value)
2
>>> print(day1 == Weekday.Mon)
True
>>> print(day1 == Weekday.Tue)
False
>>> print(Weekday(1))
Weekday.Mon
>>> print(day1 == Weekday(1))
True
>>> Weekday(7)
Traceback (most recent call last):
...
ValueError: 7 is not a valid Weekday
>>> for name, member in Weekday.__members__.items():
... print(name, '=>', member)
...
Sun => Weekday.Sun
Mon => Weekday.Mon
Tue => Weekday.Tue
Wed => Weekday.Wed
Thu => Weekday.Thu
Fri => Weekday.Fri
Sat => Weekday.Sat

可见,既可以用成员名称引用枚举常量,又可以直接根据value的值获得枚举常量。

元类

type()

动态语言和静态语言最大的不同,就是函数和类的定义,不是编译时定义的,而是运行时动态创建的。

比方说我们要定义一个Hello的class,就写一个hello.py模块:

1
2
3
class Hello(object):
def hello(self, name='world'):
print('Hello, %s.' % name)

当Python解释器载入hello模块时,就会依次执行该模块的所有语句,执行结果就是动态创建出一个Hello的class对象,测试如下:

1
2
3
4
5
6
7
8
>>> from hello import Hello
>>> h = Hello()
>>> h.hello()
Hello, world.
>>> print(type(Hello))
<class 'type'>
>>> print(type(h))
<class 'hello.Hello'>

type()函数可以查看一个类型或变量的类型,Hello是一个class,它的类型就是type,而h是一个实例,它的类型就是class Hello

我们说class的定义是运行时动态创建的,而创建class的方法就是使用type()函数。

type()函数既可以返回一个对象的类型,又可以创建出新的类型,比如,我们可以通过type()函数创建出Hello类,而无需通过class Hello(object)...的定义:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
>>> def fn(self, name='world'): # 先定义函数
... print('Hello, %s.' % name)
...
>>> Hello = type('Hello', (object,), dict(hello=fn)) # 创建Hello class
>>> h = Hello()
>>> h.hello()
Hello, world.
>>> print(type(Hello))
<class 'type'>
>>> print(type(h))
<class '__main__.Hello'>

要创建一个class对象,type()函数依次传入3个参数:

  1. class的名称;
  2. 继承的父类集合,注意Python支持多重继承,如果只有一个父类,别忘了tuple的单元素写法;
  3. class的方法名称与函数绑定,这里我们把函数fn绑定到方法名hello上。

通过type()函数创建的类和直接写class是完全一样的,因为Python解释器遇到class定义时,仅仅是扫描一下class定义的语法,然后调用type()函数创建出class。

正常情况下,我们都用class Xxx...来定义类,但是,type()函数也允许我们动态创建出类来,也就是说,动态语言本身支持运行期动态创建类,这和静态语言有非常大的不同,要在静态语言运行期创建类,必须构造源代码字符串再调用编译器,或者借助一些工具生成字节码实现,本质上都是动态编译,会非常复杂。

metaclass

除了使用type()动态创建类以外,要控制类的创建行为,还可以使用metaclass。

metaclass,直译为元类,简单的解释就是:

当我们定义了类以后,就可以根据这个类创建出实例,所以:先定义类,然后创建实例。

但是如果我们想创建出类呢?那就必须根据metaclass创建出类,所以:先定义metaclass,然后创建类。

连接起来就是:先定义metaclass,就可以创建类,最后创建实例。

所以,metaclass允许你创建类或者修改类。换句话说,你可以把类看成是metaclass创建出来的“实例”。