Python 高级编程详解

引言

Python 是一种高级编程语言，以其简洁易读的语法和强大的功能而闻名。本文将基于《第一部分 3 Python 高级编程.pdf》的内容，详细介绍 Python 的一些高级编程特性，包括面向对象编程中的高级特性、类属性与实例属性、类方法与静态方法、@property 类属性以及单例模式等。

1. 面向对象高级特性

面向对象编程（OOP）是现代软件开发的基础之一。Python 提供了丰富的面向对象编程特性，使得代码更加模块化和可复用。以下是 Python 中的一些面向对象高级特性：

类属性与实例属性
类方法与静态方法
@property 类属性
单例模式

2. 类属性与实例属性

在 Python 中，类属性是属于类本身的属性，所有该类的实例都共享这些属性。实例属性则属于每个具体的实例，不同实例之间的实例属性互不影响。

示例：

class Person:
    # 类属性
    species = "Homo sapiens"

    def __init__(self, name):
        # 实例属性
        self.name = name

# 创建实例
person1 = Person("Alice")
person2 = Person("Bob")

# 访问类属性
print(Person.species)  # 输出 Homo sapiens
print(person1.species)  # 输出 Homo sapiens
print(person2.species)  # 输出 Homo sapiens

# 修改类属性
Person.species = "New Species"
print(Person.species)  # 输出 New Species
print(person1.species)  # 输出 New Species
print(person2.species)  # 输出 New Species

# 修改实例属性
person1.species = "Old Species"
print(person1.species)  # 输出 Old Species
print(person2.species)  # 输出 New Species

3. 类方法与静态方法

类方法和静态方法是两种特殊的方法类型，它们可以通过类或实例调用。

类方法：使用 @classmethod 装饰器定义，第一个参数通常是 cls，表示类本身。
静态方法：使用 @staticmethod 装饰器定义，不接收 self 或 cls 参数。

示例：

class MathUtils:
    @classmethod
    def add(cls, x, y):
        return x + y

    @staticmethod
    def multiply(x, y):
        return x * y

# 使用类方法
result1 = MathUtils.add(3, 5)
print(result1)  # 输出 8

# 使用静态方法
result2 = MathUtils.multiply(3, 5)
print(result2)  # 输出 15

4. `@property` 类属性

@property 装饰器允许你将一个方法变成属性来访问。这使得你可以像访问普通属性一样访问方法，同时可以在设置和获取属性值时进行额外的处理。

示例：

class Circle:
    def __init__(self, radius):
        self._radius = radius

    @property
    def radius(self):
        return self._radius

    @radius.setter
    def radius(self, value):
        if value < 0:
            raise ValueError("Radius cannot be negative")
        self._radius = value

    @property
    def area(self):
        return 3.14 * self._radius ** 2

# 创建实例
circle = Circle(5)

# 访问属性
print(circle.radius)  # 输出 5
print(circle.area)    # 输出 78.5

# 设置属性
circle.radius = 10
print(circle.radius)  # 输出 10
print(circle.area)    # 输出 314.0

# 尝试设置负数半径
try:
    circle.radius = -5
except ValueError as e:
    print(e)  # 输出 Radius cannot be negative

5. 单例模式

单例模式是一种设计模式，确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。在某些情况下，例如系统中只能有一个窗口管理器或文件系统时，单例模式非常有用。

实现方式：

装饰器：可以使用装饰器来实现单例模式。

示例：

def singleton(cls):
    instances = {}

    def get_instance(*args, **kwargs):
        if cls not in instances:
            instances[cls] = cls(*args, **kwargs)
        return instances[cls]

    return get_instance

@singleton
class SingletonClass:
    def __init__(self, value):
        self.value = value

# 创建实例
singleton1 = SingletonClass(10)
singleton2 = SingletonClass(20)

# 检查是否为同一个实例
print(singleton1 is singleton2)  # 输出 True
print(singleton1.value)          # 输出 10
print(singleton2.value)          # 输出 10