Python系列（8）- Python 类和对象、模块和包
1. 类和对象
Python 语言在设计之初，就定位为一门面向对象的编程语言，"Python 中一切皆对象" 就是对 Python 这门编程语言的完美诠释。
类和对象是 Python 的重要特征，相比其它面向对象语言，Python 很容易就可以创建出一个类和对象。同时，Python 也支持面向对象的三大特征：封装、继承和多态。
1) 面向对象
面向对象编程（Object-oriented Programming，简称 OOP），是一种代码封装的方法。
函数封装是一种将程序段或功能打包成可重用的代码块的过程。函数是一种面向过程的编程方法，它将一段可以执行特定任务的代码封装起来，形成一个独立的单元。
类封装是面向对象编程的核心概念之一。类是一种用户定义的应用数据类型，它包含了属性（变量）和方法（函数）。类封装将数据和操作封装在一起，形成一个有机的整体。类提供了更高的抽象层次，可以定义对象的行为和状态。
类封装更适合于复杂系统的开发，而函数封装则适用于简单的功能实现。
面向对象相关术语：
(1) 类(Class): 用来描述具有相同的属性 (变量）和方法（函数）的对象的集合；
(2) 对象：对象是类的实例化，类是一个模板，对象是根据这个模板创建的具体实例；
(3) 类属性（或称类变量）: 在类体中方法（函数）之外的变量，它是类的所有实例化对象共享的变量；
(4) 实例属性（或称实例变量）：在类体中方法（函数）之内，以 "self.变量名=值" 的方式定义的变量；
(5) 局部变量：在类体中方法（函数）之内，以 "变量名=值" 的方式定义的变量；
(6) 方法：；
(7) 继承：即一个派生类（derived class）继承基类（base class）的属性和方法。继承也允许把一个派生类的对象作为一个基类对象对待；
(8) 方法重写：如果从父类继承的方法不能满足子类的需求，可以对其进行改写，这个过程叫方法的覆盖（override），也称为方法的重写；
(9) 多态：；
注：属性和变量是两个不同的概念，变量是面向过程编程、面向对象编程中都会用到的概念，属性则是面向对象编程中的一个概念，通常在类中一个属性对应一个变量，并通过 getter 和 setter 方法进行读写。即在面向对象编程时，定义/读写属性，需要比定义/读写变量采用更严谨的规范要求。
方法和函数也是两个不同的概念，函数是面向过程编程、面向对象编程中都会用到的概念，方法则是面向对象编程中的一个概念，通常在类中一个方法对应一个函数。
2) 类的定义和实例化
Python 定义类使用 class 关键字，语法格式如下：
class 类名:
[类属性 = 值]
def __init__(self, [参数列表]):
[self.实例属性 = 参数值]
def 方法(self, [参数列表]):
[self.实例属性 = 参数值]
[局部变量 = 参数值]
名词解释：
(1) 类名：一个符合 Python 语法的标识符，类名要能够体现出该类的特征；
(2) [类属性 = 值]: 是可选项，表示定义一个类属性，并赋值；
(3) __init__(self, [参数列表])： __init__ (双下划线开头/结尾)是类的构造方法，创建类的对象时，会自动调用这个方法；self 表示类实例化的对象本身；[参数列表] 是可选项，和函数参数列表一样，多个参数之间用逗号分隔；
(4) [self.实例属性 = 参数值]：是可选项，表示定义一个实例属性，并赋值；
(5) 方法(self, [参数列表])： 方法是类的成员函数；self 表示类实例化的对象本身；[参数列表] 是可选项，和函数参数列表一样，多个参数之间用逗号分隔；
注：[] 括表示非必选项。
类的实例化（即创建对象），语法格式如下：
变量 = 类名([参数列表])
名词解释：
(1) 类名: 就是定义类时的类名；
(2) [参数列表]: 和函数参数列表一样，多个参数之间用逗号分隔；
(3) 变量: 类实例化的对象。
示例：
#!/usr/bin/python3 # -*- coding: UTF-8 -*- class Dog: def display(self): print('This is a dog') class Person: def __init__(self, name): self.name = name def display(self): print('name:', self.name) if __name__ == "__main__": dog = Dog() dog.display() person = Person('Python') person.display()
输出结果如下：
This is a dog
name: Python
注：Dog 类没有 __init__() 构造方法，Python 也会自动给 Dog 类添加一个仅包含 self 参数的构造方法，这种构造方法被称为类的默认构造方法。
3) 类中的属性
根据变量定义的位置不同，以及定义的方式不同，类中的属性可细分为：类属性、实例属性、局部变量、内置属性。
上文讲到，属性是面向对象编程中的一个概念，通常在类中一个属性对应一个变量。局部变量是类中方法内的变量，根据面向对象编程的概念，我们也可以把局部变量称为局部属性。
但是，局部变量和类的属性在定义和使用上有明显的区别，为了不把问题复杂化，我们这里就不使用局部属性这个概念。
(1) 类属性
类属性或称类变量，在类体中方法（函数）之外的变量，它是类的所有实例化对象共享的变量。类变量既可以使用 '类名.变量名' 方式调用，也可以使用 '对象.变量名' 方式调用（不推荐这种方式，见下文）。
示例：
#!/usr/bin/python3 # -*- coding: UTF-8 -*- class Dog: def display(self): print('This is a dog') class Person: count = 0 __count = 0 def __init__(self, name): self.name = name def display(self): print('name:', self.name) if __name__ == "__main__": dog = Dog() Dog.count = 10 # 动态为 Dog 类添加类变量 count print('dog.count:', dog.count) person1 = Person('Python') person2 = Person('Java') print('Person.count:', Person.count) Person.count = 1 print('Person.count = 1') print('Person.count:', Person.count, ', person1.count:', person1.count, ', person2.count:', person2.count) person1.count = 3 # 这不是给 Person 的类变量 count 赋值，而是给对象 person1 定义新的实例变量 count print('person1.count = 3') print('Person.count:', Person.count, ', person1.count:', person1.count, ', person2.count:', person2.count) Person.count = 5 print('Person.count = 5') print('Person.count:', Person.count, ', person1.count:', person1.count, ', person2.count:', person2.count)
输出结果如下：
dog.count: 10
Person.count: 0
Person.count = 1
Person.count: 1 , person1.count: 1 , person2.count: 1
person1.count = 3
Person.count: 1 , person1.count: 3 , person2.count: 1
Person.count = 5
Person.count: 5 , person1.count: 3 , person2.count: 5
注：Python 的类变量，在默认情况下可以直接读写，尽量使用 '类名.变量名' 方式调用类变量。使用 '对象.变量名' 方式调用类变量，可能会导致给对象添加同名的实例变量的误操作。实例变量和类变量可以同名，但这种情况下，对象无法调用同名的类变量，它会首选实例变量。
(2) 实例属性
实例属性或称实例变量，在类体中方法（函数）之内，以 "self.变量名=值" 的方式定义的变量。实例变量只能使用 '对象.变量名' 方式调用，无法使用 '类名.变量名' 方式调用。
示例：
#!/usr/bin/python3 # -*- coding: UTF-8 -*- class Person: name='Person' def __init__(self, name): self.name = name def display(self): print('name:', self.name) if __name__ == "__main__": person1 = Person('Python') person2 = Person('Java') print('Person.name:', Person.name, ', person1.name:', person1.name, ', person2.name:', person2.name) Person.name = 'Person 2' person1.name = 'Python 2' person2.name = 'Java 2' print('Person.name:', Person.name, ', person1.name:', person1.name, ', person2.name:', person2.name) person1.age = 20 print('person1.age:', person1.age) if hasattr(Person, 'age'): print('Person.age:', Person.age) else: print('age not in Person') if hasattr(person2, 'age'): print('person2.age:', person2.age) else: print('age not in person2')
输出结果如下：
Person.name: Person , person1.name: Python , person2.name: Java
Person.name: Person 2 , person1.name: Python 2 , person2.name: Java 2
person1.age: 20
age not in Person
age not in person2
注：给对象添加实例变量，或修改对象的实例变量的值，不会影响类的其它实例化对象，也不会影响同名的类变量。hasattr() 函数用来判断属性或方法是否存在。
(3) 局部变量
在类体中方法（函数）之内，以 "变量名=值" 的方式定义的变量。
示例：
#!/usr/bin/python3 # -*- coding: UTF-8 -*- class Person: def __init__(self, name): self.name = name def display(self): age = 20 print('name:', self.name, ', age:', age) if __name__ == "__main__": person = Person('Local') if hasattr(person, 'age'): print('before: person.age:', person.age) else: print('before: age not in person') person.display() if hasattr(person, 'age'): print('after: person.age:', person.age) else: print('after: age not in person')
输出结果如下：
before: age not in person
name: Local , age: 20
after: age not in person
注：局部变量 age 的作用域就是在 disply() 之内的范围，方法执行完成后，age 即被销毁
(4) 内置属性
内置属性或称内置变量，是指在 Python 类中用双下划线开头/结尾的特殊属性，如 __name__、__doc__ 等。
这些属性通常用于定义类的元数据，控制类的行为，或者在类的不同部分之间交互。使用 dir() 函数看类或对象的内置属性，运行如下代码：
print(dir(Person)) # 查看类
print(dir(person)) # 查看对象
内置方法也是用双下划线开头/结尾的特殊方法，如 __call__, __del__ 等，也可以使用同样方式查看。
4) 类中的方法
类中的方法可分为实例方法、类方法、静态方法、。
(1) 实例方法
在类中定义的方法默认都是实例方法，它至少包含一个 self 参数，用于绑定调用此方法的实例对象（Python 会自动完成绑定）。
示例：
#!/usr/bin/python3 # -*- coding: UTF-8 -*- class Person: def __init__(self, name): self.name = name def display(self, str): print(self.name, str) if __name__ == "__main__": person = Person('Hello') person.display('Java') Person.display(person, 'Python')
输出结果如下：
Hello Java
Hello Python
注：可以使用实例对象调用，第一个参数无需传入对象引用；也可以使用类调用，第一个参数要传入对象引用。
(2) 类方法
类方法需要使用 @classmethod 修饰，它至少包含一个 cls 参数，用于绑定调用此方法的类本身（Python 会自动完成绑定）。类方法推荐使用类名直接调用，也可以使用实例对象来调用(不推荐使用这种方式）。
示例：
#!/usr/bin/python3 # -*- coding: UTF-8 -*- class Person: name = 'class' def __init__(self, name): self.name = name @classmethod def display(cls, str): print(cls.name, str) if __name__ == "__main__": Person.display('Python') person = Person('Hello') person.display('Java')
输出结果如下：
class Python
class Java
(3) 静态方法
静态方法需要使用 @staticmethod 修饰，无需添加 self 参数或 cls 参数。
示例：
#!/usr/bin/python3 # -*- coding: UTF-8 -*- class Person: @staticmethod def display(str): print(str) if __name__ == "__main__": Person.display('Python') person = Person() person.display('Java')
输出结果如下：
Python
Java
5) 类的继承
Python 中，实现继承的类称为子类，被继承的类称为父类（也可称为基类、超类）。
类继承只需在定义类的时候，将父类作为参数传给子类，语法格式如下：
class 类名(父类1, 父类2, ...)：
# 类体
注：类定义时没有传父类参数，则默认继承 object 类，object 类是 Python 中所有类的父类。
示例：
#!/usr/bin/python3 # -*- coding: UTF-8 -*- class Person: def display(self, str): print(str) class Man(Person): pass if __name__ == "__main__": man = Man() man.display('Python')
输出结果如下:
Python
6) 方法重写和多态
方法重写就是在子类中添加与父类同名的方法，两个同名方法可以拥有不同数量的参数。
示例：
#!/usr/bin/python3 # -*- coding: UTF-8 -*- class Person: def __init__(self, prefix): self.prefix = prefix def display(self, str): print(self.prefix, ':', str) class Man(Person): def __init__(self, prefix): super().__init__(prefix) def display(self, str): print(self.prefix, ':', str) def display(obj, str): obj.display(str) if __name__ == "__main__": man = Man('Man') man.display('Python') # 通过父类调用到父类 display() 函数 Person.display(man, 'Java') # 多态 person = Person('Person') display(person, 'polymorphic') display(man, 'polymorphic')
输出结果如下:
Man : Python
Man : Java
Person : polymorphic
Man : polymorphic
注：通过子类的对象 man 无法访问被重写的父类 display() 函数，参考上文的 '实例方法' 部分，可以通过父类 Person 调用到父类 display() 函数。
子类 Man 的 __init__() 初始化时，把 prefix 值通过 super() 方式传给了父类 Person。
全局函数 display(obj, str) 中，obj.display() 表现出了多态。如果 obj 是 Person 类型，就使用 Person 的 display(); 如果 obj 是 Man 类型，就是用 Man 的 display().
2. 模块和包
Python 模块 (Module)，是一个 Python 文件 (*.py), 可以包含多个类、函数、变量。
函数是对 Python 代码的封装，类是对方法和属性的封装，模块是比函数、类更大范围的封装。
1) import 语句
import 语句用于导入 Python 标准库的模块、第三方库的模块或自定义模块，语法格式如下：
import module1, module2 as mod2, ...
解释说明：
(1) import 语句可以导入一个模块，也可以同时导入多个模块，as 语句是给模块取别名；
(2) 多行 import 语句导入同名模块，该同名模块只会被导入一次；
(3) import 会导入模块中的所有成员（包括变量、函数、类等）;
2) from ... import 语句
from ... import 语句用于导入指定模块内的类、函数或变量，语法格式如下：
from module import name1, name2 as n2, ...
解释说明：
(1) 该语句可以导入一个模块的单个成员，也可以同时导入多个成员；
(2) from ... import * 可以导入模块中所有成员，不推荐使用这种方式。
3) 自定义模块
示例，创建一个 Python 模块文件 mod.py, 代码如下：
#!/usr/bin/python3 # -*- coding: UTF-8 -*- _var1 = 5 __var2 = 9 data = 'Test data' message = 'It is custom module' def display(str): print(str) class Format: def display(self, str): print(str) __all__ = ['message', 'display', 'Format']
注：单下划线 “_” 或者双下划线 “__” ）开头的变量 _var1、__var2, 仅在 from ... import * 导入方式时会被忽略而不导入。
仅在 from ... import * 导入方式时，如果由 __all__ 变量，只能导入 __all__ 变量指定的成员。
创建一个使用 mod 模块的 Python 文件 run_mod.py，和 mod.py 在同一级目录下, 代码如下：
#!/usr/bin/python3 # -*- coding: UTF-8 -*- import mod from mod import message, display, Format # import mod.display(mod.message) format = mod.Format() format.display('Format: ' + mod.message) # from ... import display('from ... import -> ' + message) format2 = Format() format.display('from ... import -> Format: ' + message)
输出结果如下:
It is custom module
Format: It is custom module
from ... import -> It is custom module
from ... import -> Format: It is custom Module
4) 包 (package)
Python 包（package）就是一个存放多个 Python 模块的文件夹，该文件夹下必须存在一个名为 '__init__.py' (前后都是双下划线) 的文件，__init__.py 文件可以是个空文件。
(1) 创建包
创建一个 demo_package 目录，在 demo_package 目录下创建 3 个 Python 文件 __init__.py、mod1.py、mod2.py。
文件 __init__.py, 内容如下：
__all__ = ['mod1']
文件 mod1.py, 内容如下：
#!/usr/bin/python3 # -*- coding: UTF-8 -*- message = 'It is custom module' def display(str): print(str)
文件 mod2.py, 内容如下：
#!/usr/bin/python3 # -*- coding: UTF-8 -*- def display(str): print(str)
demo_package 包的文件结构如下：
demo_package
|-- __init__.py
|-- mod1.py
|-- mod2.py
（2） 导入包
创建一个 Python 文件 test.py 和 demo_package 在同一级目录，test.py 内容如下：
#!/usr/bin/python3 # -*- coding: UTF-8 -*- import demo_package as demoPackage # 包的本质就是模块，可以用 import 导入 import demo_package.mod1 as demoMod1 import demo_package.mod2 as demoMod2 print(demoPackage.__all__) # 此时 demoPackage 对应 __init__.py 文件 demoMod1.display('1 -> ' + demoMod1.message) demoMod2.display('2 -> ' + demoMod1.message)
输出结果如下:
['mod1']
1 -> It is custom module
2 -> It is custom module
修改 test.py 内容如下：
#!/usr/bin/python3 # -*- coding: UTF-8 -*- import demo_package as demoPackage # 包的本质就是模块，可以用 import 导入 from demo_package import * print(demoPackage.__all__) # 此时 demoPackage 对应 __init__.py 文件 mod1.display('1 -> ' + mod1.message) mod2.display('2 -> ' + mod2.message)
输出结果如下:
['mod1']
1 -> It is custom module
Traceback (most recent call last):
File "d:/pythonDemo/test.py", line 16, in <module>
mod2.display('2 -> ' + mod2.message)
NameError: name 'mod2' is not defined
注：__init__.py 文件里的 __all__ 变量，仅在 from demo_package import * 导入方式时，只允许 mod1 模块被访问，
