【Python】类和对象的深入解析

前言

什么是类？

定义一个类

创建对象

访问和修改属性

方法

类的继承

多态

封装

特殊方法

属性装饰器

总结

前言

Python 是一种面向对象的编程语言，它允许程序员通过类和对象来组织和管理代码。面向对象编程（OOP）是一种编程范式，它使用"对象"来设计软件，对象可以包含数据和代码，即属性和方法。本文将详细介绍 Python 中的类和对象，包括它们的定义、使用和一些高级特性。

什么是类？

在 Python 中，类是创建对象的蓝图或模板。它定义了一组属性和方法，这些属性和方法可以被类的对象所共享。类本身不包含数据，它只是一个构造函数，用于创建具有初始状态的对象。

定义一个类

在 Python 中，使用 class 关键字来定义一个类。下面是一个简单的类定义示例：

class Car:
    def __init__(self, brand, model):
        self.brand = brand
        self.model = model

这个 Car 类有两个属性：brand 和 model。__init__ 方法是一个特殊的方法，被称为类的构造器，它在创建新对象时被调用。

创建对象

使用类定义，我们可以创建对象，这些对象是类的实例。创建对象使用类名后跟括号，括号中可以传递构造器需要的参数：

my_car = Car("Toyota", "Corolla")

这行代码创建了一个 Car 类的实例，名为 my_car，其 brand 属性为 "Toyota"，model 属性为 "Corolla"。

访问和修改属性

对象的属性可以通过点号（.）访问和修改：

print(my_car.brand)  # 输出: Toyota
my_car.model = "Camry"
print(my_car.model)  # 输出: Camry

方法

类可以包含方法，这些方法是对象可以调用的函数。方法通常用于对对象的状态进行操作。下面是一个添加到 Car 类中的方法示例：

class Car:
    def __init__(self, brand, model):
        self.brand = brand
        self.model = model

    def start_engine(self):
        print(f"The {self.model}'s engine has started.")

# 使用方法
my_car.start_engine()  # 输出: The Camry's engine has started.

类的继承

继承是面向对象编程的一个核心概念，它允许我们创建一个新类，这个新类继承现有类的属性和方法。这使得代码重用变得容易。下面是一个继承的例子：

class ElectricCar(Car):  # ElectricCar 继承自 Car
    def __init__(self, brand, model, battery_size):
        super().__init__(brand, model)
        self.battery_size = battery_size

    def charge_battery(self):
        print(f"Charging the {self.battery_size}kWh battery.")

ElectricCar 类继承自 Car 类，并添加了一个新的属性 battery_size 和一个方charge_battery。super().__init__(brand, model) 调用父类的构造器。

多态

多态性是 OOP 的另一个重要概念，它允许我们使用统一的接口来处理不同类型的对象。在 Python 中，多态性是通过方法重写实现的：

class Vehicle:
    def start(self):
        pass

class Car(Vehicle):
    def start(self):
        print("Car engine starts.")

class Boat(Vehicle):
    def start(self):
        print("Boat engine starts.")

def start_vehicle(vehicle):
    vehicle.start()

car = Car()
boat = Boat()
start_vehicle(car)  # 输出: Car engine starts.
start_vehicle(boat)  # 输出: Boat engine starts.

封装

封装是将数据（属性）和代码（方法）捆绑在一起的过程，并对外部隐藏内部实现细节。在 Python 中，可以通过使用私有属性和方法来实现封装：

class Car:
    def __init__(self, brand, model):
        self.__brand = brand  # 私有属性
        self.__model = model  # 私有属性

    def get_details(self):
        return f"{self.__brand}, {self.__model}"

my_car = Car("Toyota", "Corolla")
print(my_car.get_details())  # 输出: Toyota, Corolla
# print(my_car.__brand)  # 这将引发错误，因为 __brand 是私有的

特殊方法

Python 类可以定义一些特殊的方法，这些方法有特殊的名字，当执行某些操作时会自动调用。例如：

__str__：当使用 print() 函数时被调用，用于返回对象的字符串表示。
__len__：当使用 len() 函数时被调用，用于返回容器类型的长度。

class Car:
    def __init__(self, brand, model):
        self.brand = brand
        self.model = model

    def __str__(self):
        return f"{self.brand} {self.model}"

my_car = Car("Toyota", "Corolla")
print(my_car)  # 输出: Toyota Corolla

属性装饰器

属性装饰器是一种特殊的方法，用于拦截和修改对属性的访问。Python 提供了几个内置的装饰器：

@property：将一个方法变成属性，使其可以像访问普通属性一样访问。
@<property_name>.setter：定义设置属性值时调用的方法。
@<property_name>.deleter：定义删除属性时调用的方法。

class Car:
    def __init__(self, brand, model):
        self._brand = brand
        self._model = model

    @property
    def brand(self):
        return self._brand

    @brand.setter
    def brand(self, value):
        if len(value) < 4:
            raise ValueError("Brand must be at least 4 characters long")
        self._brand = value

    @property
    def model(self):
        return self._model

    @model.setter
    def model(self, value):
        if len(value) < 3:
            raise ValueError("Model must be at least 3 characters long")
        self._model = value

my_car = Car("Toy", "Cor")
my_car.brand = "Toyota"  # 正常设置
my_car.model = "Corolla"  # 正常设置