Python面向对象三大特性之封装

一、引入

面向对象编程有三大特性：封装、继承、多态；其中最重要的一个特性就是封装。

封装指的就是把数据与功能都整合到一起，听起来是不是很熟悉，没错，我们之前所说的”整合“二字其实就是封装的通俗说法。除此之外，针对封装到对象或者类中的属性，我们还可以严格控制对它们的访问，分两步实现：隐藏与开放接口。

二、隐藏属性

Python的隐藏机制采用双下划线开头的方式将属性隐藏起来（设置成私有的），但其实这仅仅只是一种变形操作，类中所有双下滑线开头的属性都会在类定义阶段、检测语法时自动变成“_类名__属性名”的形式：

class Foo:
    __N = 0  # 变形为_Foo__N

    def __init__(self):  # 定义函数时，会检测函数语法，所以__开头的属性会变形
        self.__x = 10  # 变形为self._Foo__x

    def __f1(self):  # 变形为_Foo__f1
        print('__f1 run')

    def f2(self):  # 定义函数时，会检测函数语法，所以__开头的方法也会变形
        self.__f1()  # 变形为self._Foo__f1()


print(Foo.__N)  # 报错AttributeError:类Foo没有属性__N

obj = Foo()
print(obj.__x)  # 报错AttributeError:对象obj没有属性__x

这种变形需要注意的问题是：

1、在类外部无法直接访问双下划线开头的属性，但知道了类名和属性名就可以拼出名字：_类名__属性,然后就可以访问了，如：Foo._Foo__N，所以说这种操作并没有严格意义上地限制外部访问，仅仅只是一种语法意义上的变形。

>>> Foo.__dict__
{..., '_Foo__N': 0, ...}
 
>>> obj.__dict__
{'_Foo__x': 10}
 
>>> Foo._Foo__N
0
>>> obj._Foo__x
10
>>> obj._Foo__N
0

2、在类内部是可以直接访问双下滑线开头的属性的(对外不对内)，比如self.__f1()，因为在类定义阶段类内部双下滑线开头的属性统一发生了变形：

>>> obj.f2()
__f1 run

3、变形操作只在类定义阶段发生一次，在类定义之后的赋值操作，不会变形：

>>> Foo.__M = 100
>>> Foo.__dict__
{..., '__M': 100, ...}
>>> Foo.__M
100
 
>>> obj.__y = 20
>>> obj.__dict__
{'__y': 20, '_Foo__x': 10}
>>> obj.__y
20

三、开放接口

定义属性就是为了使用，所以隐藏并不是目的。

3.1 隐藏数据属性

将数据隐藏起来就限制了类外部对数据的直接操作，然后类内应该提供相应的接口来允许外部间接地操作数据，接口之上可以附加额外的逻辑来对数据的操作进行严格的控制：

class Teacher:
    def __init__(self, name, age):  # 将名字和年纪都隐藏起来
        self.__name = name
        self.__age = age

    def tell_info(self):  # 对外提供访问老师信息的接口
        print('姓名:%s,年龄:%s' % (self.__name, self.__age))

    def set_info(self, name, age):  # 对外提供设置老师信息的接口，并附加类型检查的逻辑
        if not isinstance(name, str):
            raise TypeError('姓名必须是字符串类型')
        if not isinstance(age, int):
            raise TypeError('年龄必须是整型')
        self.__name = name
        self.__age = age

t = Teacher('lili', 18)
t.set_info('LiLi', '19')

可以看到代码的参数传递中，年龄不为整形，会抛出如下异常：

Traceback (most recent call last):
  File "C:/Program Files/PycharmProjects/Python面向对象/面向对象相关/三大特性之封装.py", line 19, in <module>
    t.set_info('LiLi', '19')
  File "C:/Program Files/PycharmProjects/Python面向对象/面向对象相关/三大特性之封装.py", line 13, in set_info
    raise TypeError('年龄必须是整型')
TypeError: 年龄必须是整型

必须符合名字为字符串类型，年龄为整形的规则，才可以正常设置：

t.set_info('LiLi', 19)  # 名字为字符串类型，年龄为整形，可以正常设置
t.tell_info()  # 姓名:LiLi,年龄:19

3.2 隐藏函数属性

隐藏的目的是为了隔离复杂度，例如ATM程序的取款功能，该功能有很多其他功能组成，比如插卡、身份认证、输入金额、打印小票、取钱等，而对使用者来说，只需要开发取款这个功能接口即可,其余功能我们都可以隐藏起来：

class ATM:
    def __card(self):  # 插卡
        print('插卡')

    def __auth(self):  # 身份认证
        print('用户认证')

    def __input(self):  # 输入金额
        print('输入取款金额')

    def __print_bill(self):  # 打印小票
        print('打印账单')

    def __take_money(self):  # 取钱
        print('取款')

    def withdraw(self):  # 取款功能
        self.__card()
        self.__auth()
        self.__input()
        self.__print_bill()
        self.__take_money()


obj = ATM()
obj.withdraw()

总结：

隐藏属性与开放接口，本质就是为了明确地区分内外，类内部可以修改封装内的东西而不影响外部调用者的代码；而类外部只需拿到一个接口，只要接口名、参数不变，则无论设计者如何改变内部实现代码，使用者均无需改变代码。这就提供一个良好的合作基础，只要接口这个基础约定不变，则代码的修改不足为虑。

四、property的使用

BMI指数是用来衡量一个人的体重与身高对健康影响的一个指标，计算公式为：

体质指数（BMI）= 体重（kg）÷身高^2（m）
EX：70kg ÷（1.75×1.75）= 22.86

身高或体重是不断变化的，因而每次想查看BMI值都需要通过计算才能得到，但很明显BMI听起来更像是一个特征而非功能，为此Python专门提供了一个装饰器property，可以将类中的函数“伪装成”对象的数据属性，对象在访问该特殊属性时会触发功能的执行，然后将返回值作为本次访问的结果，例如：

class People:
    def __init__(self, name, weight, height):
        self.name = name
        self.weight = weight
        self.height = height

    @property
    def bmi(self):
        return self.weight / (self.height ** 2)


obj = People('lili', 75, 1.85)
print(obj.bmi)  # 打印结果: 21.913805697589478
"""触发方法bmi的执行，将obj自动传给self，执行后返回值作为本次引用的结果"""

使用property有效地保证了属性访问的一致性。另外property还提供设置和删除属性的功能，如：

class Foo:
    def __init__(self, val):
        self.__NAME = val  # 将属性隐藏起来

    @property
    def name(self):
        return self.__NAME

    @name.setter
    def name(self, value):
        if not isinstance(value, str):  # 在设定值之前进行类型检查
            raise TypeError('%s must be str' % value)
        self.__NAME = value  # 通过类型检查后,将值value存放到真实的位置self.__NAME

    @name.deleter
    def name(self):
        raise PermissionError('Can not delete')

        
f = Foo('lili')
print(f.name)  # 打印结果: lili

f.name = 'LiLi'  # 触发name.setter装饰器对应的函数name(f, 'LiLi')
f.name = 123  # 触发name.setter对应的的函数name(f, 123),抛出异常TypeError: 123 must be str
del f.name  # 触发name.deleter对应的函数name(f),抛出异常PermissionError: Can not delete

上述代码中Foo类的写法还可以使用另外一种形式，即不使用装饰器语法糖的语法格式，如下：

class Foo:
    def __init__(self, val):
        self.__NAME = val  # 将属性隐藏起来

    def name(self):
        return self.__NAME

    def set_name(self, value):
        if not isinstance(value, str):  # 在设定值之前进行类型检查
            raise TypeError('%s must be str' % value)
        self.__NAME = value  # 通过类型检查后,将值value存放到真实的位置self.__NAME

    def del_name(self):
        raise PermissionError('Can not delete')

    name = property(name, set_name, del_name)  # 括号内对应函数的名字需按照读取，修改，删除这个顺序来放置

后续的使用方式与之前一样，没有任何区别，该方式仅作为了解即可，这里还是更推荐第一种写法。