面向对象编程 {#oop}

在至今我们编写的所有程序中，我们曾围绕函数设计我们的程序，也就是那些能够处理数据的代码块。这被称作面向过程（Procedure-oriented）的编程方式。还有另外一种组织起你的程序的方式，它将数据与功能进行组合，并将其包装在被称作“对象”的东西内。在大多数情况下，你可以使用过程式编程，但是当你需要编写一个大型程序或面对某一更适合此方法的问题时，你可以考虑使用面向对象式的编程技术。

类与对象是面向对象编程的两个主要方面。一个类（Class）能够创建一种新的类型（Type），其中对象（Object）就是类的实例（Instance）。可以这样来类比：你可以拥有类型 int 的变量，也就是说存储整数的变量是 int 类的实例（对象）。

针对静态编程语言程序员的提示

请注意，即使是整数也会被视为对象（int 类的对象）。这不同于 C++ 与 Java（1.5 版之前），在它们那儿整数是原始内置类型。[^1]

有关类的更多详细信息，请参阅 help(int)。

C# 与 Java 1.5 程序员会发现这与装箱与拆箱（Boxing and Unboxing）概念^2颇有相似之处。

对象可以使用属于它的普通变量来存储数据。这种从属于对象或类的变量叫作字段（Field）。对象还可以使用属于类的函数来实现某些功能，这种函数叫作类的方法（Method）。这两个术语很重要，它有助于我们区分函数与变量，哪些是独立的，哪些又是属于类或对象的。总之，字段与方法通称类的属性（Attribute）。

字段有两种类型——它们属于某一类的各个实例或对象，或是从属于某一类本身。它们被分别称作实例变量（Instance Variables）与类变量（Class Variables）。

通过 class 关键字可以创建一个类。这个类的字段与方法可以在缩进代码块中予以列出。

self {#self}

类方法与普通函数只有一种特定的区别——前者必须多加一个参数在参数列表开头，这个名字必须添加到参数列表的开头，但是你不用在你调用这个功能时为这个参数赋值，Python 会为它提供。这种特定的变量引用的是对象本身，按照惯例，它被赋予 self 这一名称。

尽管你可以为这一参数赋予任何名称，但是强烈推荐你使用 self 这一名称——其它的任何一种名称绝对会引人皱眉。使用一个标准名称能带来诸多好处——任何一位你的程序的读者能够立即认出它，甚至是专门的 IDE（Integrated Development Environments，集成开发环境）也可以为你提供帮助，只要你使用了 self 这一名称。

针对 C++/Java/C# 程序员的提示

Python 中的 self 相当于 C++ 中的 this 指针以及 Java 与 C# 中的 this 引用。

你一定会在想 Python 是如何给 self 赋值的，以及为什么你不必给它一个值。一个例子或许会让这些疑问得到解答。假设你有一个 MyClass 的类，这个类下有一个实例 myobject。当你调用一个这个对象的方法，如 myobject.method(arg1, arg2) 时，Python 将会自动将其转换成 MyClass.method(myobject, arg1, arg2)——这就是 self 的全部特殊之处所在。

这同时意味着，如果你有一个没有参数的方法，你依旧必须拥有一个参数——self。

类 {#class}

最简单的类（Class）可以通过下面的案例来展示（保存为 oop_simplestclass.py）：

  1. {% include "./programs/oop_simplestclass.py" %}

输出：

  1. {% include "./programs/oop_simplestclass.txt" %}

它是如何工作的

我们通过使用 class 语句与这个类的名称来创建一个新类。在它之后是一个缩进的语句块，代表这个类的主体。在本案例中，我们创建的是一个空代码块，使用 pass 语句予以标明。

然后，我们通过采用类的名称后跟一对括号的方法，给这个类创建一个对象（或是实例，我们将在后面的章节中了解有关实例的更多内容）。为了验证我们的操作是否成功，我们通过直接将它们打印出来来确认变量的类型。结果告诉我们我们在 Person 类的 __main__ 模块中拥有了一个实例。

要注意到在本例中还会打印出计算机内存中存储你的对象的地址。案例中给出的地址会与你在你的电脑上所能看见的地址不相同，因为 Python 会在它找到的任何空间来存储对象。

方法

我们已经在前面讨论过类与对象一如函数那般都可以带有方法（Method），唯一的不同在于我们还拥有一个额外的 self 变量。现在让我们来看看下面的例子（保存为 oop_method.py）。

  1. {% include "./programs/oop_method.py" %}

输出：

  1. {% include "./programs/oop_method.txt" %}

它是如何工作的

这里我们就能看见 self 是如何行动的了。要注意到 say_hi 这一方法不需要参数，但是依旧在函数定义中拥有 self 变量。

__init__ 方法 {#init}

在 Python 的类中，有不少方法的名称具有着特殊的意义。现在我们要了解的就是 __init__ 方法的意义。

__init__ 方法会在类的对象被实例化（Instantiated）时立即运行。这一方法可以对任何你想进行操作的目标对象进行初始化（Initialization）操作。这里你要注意在 init 前后加上的双下划线。

案例（保存为 oop_init.py）：

  1. {% include "./programs/oop_init.py" %}

输出：

  1. {% include "./programs/oop_init.txt" %}

它是如何工作的

在本例中，我们定义一个接受 name 参数（当然还有 self 参数）的 __init__ 方法。在这里，我们创建了一个字段，同样称为 name。要注意到尽管它们的名字都是“name”，但这是两个不相同的变量。虽说如此，但这并不会造成任何问题，因为 self.name 中的点号意味着这个叫作“name”的东西是某个叫作“self”的对象的一部分，而另一个 name 则是一个局部变量。由于我们已经如上这般明确指出了我们所指的是哪一个名字，所以它不会引发混乱。

当我们在 Person 类下创建新的实例 p 时，我们采用的方法是先写下类的名称，后跟括在括号中的参数，形如：p = Person('Swaroop')。

我们不会显式地调用 __init__ 方法。
这正是这个方法的特殊之处所在。

现在，我们可以使用我们方法中的 self.name 字段了，使用的方法在 say_hi 方法中已经作过说明。

类变量与对象变量 {#class-obj-vars}[^3]

我们已经讨论过了类与对象的功能部分（即方法），现在让我们来学习它们的数据部分。数据部分——也就是字段——只不过是绑定（Bound）到类与对象的命名空间（Namespace）的普通变量。这就代表着这些名称仅在这些类与对象所存在的上下文中有效。这就是它们被称作“命名空间”的原因。

字段（Field）有两种类型——类变量与对象变量，它们根据究竟是类还是对象拥有这些变量来进行分类。

类变量（Class Variable）是共享的（Shared）——它们可以被属于该类的所有实例访问。该类变量只拥有一个副本，当任何一个对象对类变量作出改变时，发生的变动将在其它所有实例中都会得到体现。

对象变量（Object variable）由类的每一个独立的对象或实例所拥有。在这种情况下，每个对象都拥有属于它自己的字段的副本，也就是说，它们不会被共享，也不会以任何方式与其它不同实例中的相同名称的字段产生关联。下面一个例子可以帮助你理解（保存为 oop_objvar.py）：

  1. {% include "./programs/oop_objvar.py" %}

输出：

  1. {% include "./programs/oop_objvar.txt" %}

它是如何工作的

这是一个比较长的案例，但是它有助于展现类与对象变量的本质。在本例中，population 属于 Robot 类，因此它是一个类变量。name 变量属于一个对象（通过使用 self 分配），因此它是一个对象变量。

因此，我们通过 Robot.population 而非 self.population 引用 population 类变量。我们对于 name 对象变量采用 self.name 标记法加以称呼，这是这个对象中所具有的方法。要记住这个类变量与对象变量之间的简单区别。同时你还要注意当一个对象变量与一个类变量名称相同时，类变量将会被隐藏。

除了 Robot.popluation，我们还可以使用 self.__class__.population，因为每个对象都通过 self.__class__ 属性来引用它的类。

how_many 实际上是一个属于类而非属于对象的方法。这就意味着我们可以将它定义为一个 classmethod（类方法） 或是一个 staticmethod（静态方法），这取决于我们是否需要知道这一方法属于哪个类。由于我们已经引用了一个类变量，因此我们使用 classmethod（类方法）。

我们使用装饰器（Decorator）将 how_many 方法标记为类方法。

你可以将装饰器想象为调用一个包装器（Wrapper）函数的快捷方式，因此启用 @classmethod 装饰器等价于调用：

  1. how_many = classmethod(how_many)

你会观察到 __init__ 方法会使用一个名字以初始化 Robot 实例。在这一方法中，我们将 population 按 1 往上增长，因为我们多增加了一台机器人。你还会观察到 self.name 的值是指定给每个对象的，这体现了对象变量的本质。

你需要记住你只能使用 self 来引用同一对象的变量与方法。这被称作属性引用（Attribute Reference）。

在本程序中，我们还会看见针对类和方法的 文档字符串（DocStrings） 的使用方式。我们可以在运行时通过 Robot.__doc__ 访问类的 文档字符串，对于方法的文档字符串，则可以使用 Robot.say_hi.__doc__。

在 die 方法中，我们简单地将 Robot.population 的计数按 1 向下减少。

所有的类成员都是公开的。但有一个例外：如果你使用数据成员并在其名字中使用双下划线作为前缀，形成诸如 __privatevar 这样的形式，Python 会使用名称调整（Name-mangling）来使其有效地成为一个私有变量。

因此，你需要遵循这样的约定：任何在类或对象之中使用的变量其命名应以下划线开头，其它所有非此格式的名称都将是公开的，并可以为其它任何类或对象所使用。请记得这只是一个约定，Python 并不强制如此（除了双下划线前缀这点）。

针对 C++/Java/C# 程序员的提示

所有类成员（包括数据成员）都是公开的，并且 Python 中所有的方法都是虚拟的（Virtual）。

继承

面向对象编程的一大优点是对代码的重用（Reuse），重用的一种实现方法就是通过继承（Inheritance）机制。继承最好是想象成在类之间实现类型与子类型（Type and Subtype）关系的工具。

现在假设你希望编写一款程序来追踪一所大学里的老师和学生。有一些特征是他们都具有的，例如姓名、年龄和地址。另外一些特征是他们独有的，一如教师的薪水、课程与假期，学生的成绩和学费。

你可以为每一种类型创建两个独立的类，并对它们进行处理。但增添一条共有特征就意味着将其添加进两个独立的类。这很快就会使程序变得笨重。

一个更好的方法是创建一个公共类叫作 SchoolMember，然后让教师和学生从这个类中继承（Inherit），也就是说他们将成为这一类型（类）的子类型，而我们就可以向这些子类型中添加某些该类独有的特征。

这种方法有诸多优点。如果我们增加或修改了 SchoolMember 的任何功能，它将自动反映在子类型中。举个例子，你可以通过简单地向 SchoolMember 类进行操作，来为所有老师与学生添加一条新的 ID 卡字段。不过，对某一子类型作出的改动并不会影响到其它子类型。另一大优点是你可以将某一老师或学生对象看作 SchoolMember 的对象并加以引用，这在某些情况下会大为有用，例如清点学校中的成员数量。这被称作多态性（Polymorphism），在任何情况下，如果父类型希望，子类型都可以被替换，也就是说，该对象可以被看作父类的实例。

同时还需要注意的是我们重用父类的代码，但我们不需要再在其它类中重复它们，当我们使用独立类型时才会必要地重复这些代码。

在上文设想的情况中，SchoolMember 类会被称作基类（Base Class）^4或是超类（Superclass）。Teacher 和 Student 类会被称作派生类（Derived Classes）^5或是子类（Subclass）。

我们将通过下面的程序作为案例来进行了解（保存为 oop_subclass.py）：

  1. {% include "./programs/oop_subclass.py" %}

输出：

  1. {% include "./programs/oop_subclass.txt" %}

它是如何工作的

要想使用继承，在定义类^6时我们需要在类后面跟一个包含基类名称的元组。然后，我们会注意到基类的 __init__ 方法是通过 self 变量被显式调用的，因此我们可以初始化对象的基类部分。下面这一点很重要，需要牢记——因为我们在 Teacher 和 Student 子类中定义了 __init__ 方法，Python 不会自动调用基类 SchoolMember 的构造函数，你必须自己显式地调用它。

相反，如果我们没有在一个子类中定义一个 __init__ 方法，Python 将会自动调用基类的构造函数。

我们会观察到，我们可以通过在方法名前面加上基类名作为前缀，再传入 self 和其余变量，来调用基类的方法。

在这里你需要注意，当我们使用 SchoolMember 类的 tell 方法时，我们可以将 Teacher 或 Student 的实例看作 SchoolMember 的实例。

同时，你会发现被调用的是子类型的 tell 方法，而不是 SchoolMember 的 tell 方法。理解这一问题的一种思路是 Python 总会从当前的实际类型中开始寻找方法，在本例中即是如此。如果它找不到对应的方法，它就会在该类所属的基本类中依顺序逐个寻找属于基本类的方法，这个基本类是在定义子类时后跟的元组指定的。

这里有一条有关术语的注释——如果继承元组（Inheritance Tuple）中有超过一个类，这种情况就会被称作多重继承（Multiple Inheritance）。

end 参数用在超类的 tell() 方法的 print 函数中，目的是打印一行并允许下一次打印在同一行继续。这是一个让 print 能够不在打印的末尾打印出 \n （新行换行符）符号的小窍门。

总结

我们已经探索了有关类和对象的各个方面，还有与它们相关的各类术语。我们还了解了面向对象编程的益处与陷阱。Python 是高度面向对象的，从长远来看，了解这些概念对你大有帮助。

接下来，我们将学习如何处理输入与输出，以及如何在 Python 中访问文件。

[^1]: 原文作 Primitive native types，沈洁元译本表达为“把整数纯粹作为类型”。Primitive type 翻译作“原始类型”，也称作“内置类型”，因此此处也可以翻译成“基本内置类型”。

[^3]: 本节标题原文作 Class And Object Variables，沈洁元译本译作“类与对象的方法”。