详解 Python 中的面向对象编程（2）

数据科学工厂

引言

面向对象编程（OOP）是一种编程范式，它通过将属性和行为整合到对象中来构建程序。本教程将带你了解Python语言中面向对象编程的基本概念。

想象一下，对象就像是系统中的各个部件。可以把程序比作一条工厂流水线。在流水线的每一个环节，部件都会对材料进行处理，最终将原材料变成成品。

对象内部存储着数据，类似于流水线上各个环节所需的原材料或经过初步处理的材料。同时，对象还具有行为，即流水线上每个部件执行的具体操作。

通过本教程，你将学会：

如何定义一个类，这可以看作是创建对象的模板。
如何利用类来生成新的对象。
如何利用类继承来构建和模拟复杂的系统。

如何继承另一个类？

继承是一种机制，允许一个类获得另一个类的属性和方法。通过这种方式形成的新类称为子类，而作为继承基础的类则称为父类。

继承父类是通过定义一个新类，并在新类的声明中将父类的名称放在括号内来实现的。

# inheritance.py

class Parent:
    hair_color = "brown"

class Child(Parent):
    pass

在这个简化的示例中，子类 Child 继承了父类 Parent 的特性。由于子类自动继承了父类的属性和方法，所以 Child 的 hair_color 属性也会是 "brown"，无需你明确指定。

子类不仅可以继承父类的所有属性和方法，还可以重写或扩展它们，以形成自己独特的特性和行为。

虽然这个比喻不是完全准确，但你可以将对象的继承想象成遗传学中的遗传。比如，你的发色可能是从父母那里遗传来的，这是你出生时就确定的属性。但如果某天你决定将头发染成紫色，那么在这个属性上，你就相当于覆盖了从父母那里遗传来的特征。

# inheritance.py

class Parent:
    hair_color = "brown"

class Child(Parent):
    hair_color = "purple"

如果你对代码示例做出这样的修改，那么 Child 类的 hair_color 属性值将变为 "purple"。

在某种程度上，你也继承了父母的语言。如果你的父母说英语，你自然也会说英语。设想你决定学习第二语言，例如德语。这样，你就扩展了自己的属性集，因为你添加了一个你的父母所不具备的新属性：

# inheritance.py

class Parent:
    speaks = ["English"]

class Child(Parent):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.speaks.append("German")

你将在后续章节中更深入地了解上述代码的运作机制。但在深入探讨Python的继承概念之前，我们先去一个狗公园散步，这有助于你更好地理解在自己的代码中使用继承的原因。

示例：狗公园

想象一下，你现在身处一个狗公园。这里聚集了各种不同品种的狗，它们各自展示着不同的行为。

假设你想用Python类来构建一个狗公园的模型。在上一节中你编写的Dog类能够根据名字和年龄来区分不同的狗，但还无法根据品种进行区分。

你可以通过在编辑器窗口中为Dog类添加一个 .breed属性来对其进行修改：

# dog.py

class Dog:
    species = "Canis familiaris"

    def __init__(self, name, age, breed):
        self.name = name
        self.age = age
        self.breed = breed

    def __str__(self):
        return f"{self.name} is {self.age} years old"

    def speak(self, sound):
        return f"{self.name} says {sound}"

按下F5键来保存你的文件。接下来，你可以在交互式窗口中创建多种不同品种的狗，以此来构建一个狗公园的模型：

>>> miles = Dog("Miles", 4, "Jack Russell Terrier")
>>> buddy = Dog("Buddy", 9, "Dachshund")
>>> jack = Dog("Jack", 3, "Bulldog")
>>> jim = Dog("Jim", 5, "Bulldog")

不同品种的狗有着各自独特的行为特征。比如，斗牛犬发出的低沉吠声听起来像是“汪汪”，而腊肠犬则发出更尖锐的“啾啾”声。

如果只使用Dog类，每次调用Dog实例的.speak()方法时，你都需要为sound参数指定一个具体的叫声字符串：

>>> buddy.speak("Yap")
'Buddy says Yap'

>>> jim.speak("Woof")
'Jim says Woof'

>>> jack.speak("Woof")
'Jack says Woof'

反复为.speak()方法传递字符串不仅繁琐，也缺乏便捷性。更合理的设计是让.breed属性自动决定每个Dog实例的叫声，但在当前情况下，你每次都需要手动为.speak()方法指定正确的字符串。

为了改善使用Dog类的体验，你可以通过为每种狗的品种创建一个子类来实现。这样，你不仅可以扩展每个子类继承的功能，还可以为.speak()方法设置一个默认的叫声参数。

父类与子类

在接下来的部分，你将为前文提到的三种狗的品种——杰克罗素梗、腊肠犬和斗牛犬——各创建一个子类。

以下是你目前所使用Dog类的完整定义，供参考：

# dog.py

class Dog:
    species = "Canis familiaris"

    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age

    def __str__(self):
        return f"{self.name} is {self.age} years old"

    def speak(self, sound):
        return f"{self.name} says {sound}"

在上一节完成了狗公园的示例之后，你已经去除了 .breed属性。接下来，你将使用子类的方式来记录狗的品种信息。

创建子类的过程是，你首先定义一个具有独立名称的新类，然后在其后添加父类的名称，并用括号括起来。在dog.py文件中添加以下代码，以便创建Dog类的三个新的子类：

# dog.py

# ...

class JackRussellTerrier(Dog):
    pass

class Dachshund(Dog):
    pass

class Bulldog(Dog):
    pass

按下F5键保存并执行文件。定义好子类之后，你就可以在交互式窗口里创建几种不同品种的狗了：

>>> miles = JackRussellTerrier("Miles", 4)
>>> buddy = Dachshund("Buddy", 9)
>>> jack = Bulldog("Jack", 3)
>>> jim = Bulldog("Jim", 5)

子类的对象会继承其父类的所有特性和方法。

>>> miles.species
'Canis familiaris'

>>> buddy.name
'Buddy'

>>> print(jack)
Jack is 3 years old

>>> jim.speak("Woof")
'Jim says Woof'

要识别一个特定对象属于哪个类，你可以利用Python内置的 type()函数来查询：

>>> type(miles)
<class '__main__.JackRussellTerrier'>

如果你想判断miles是否属于Dog类，可以使用内置的 isinstance()函数进行判断：

>>> isinstance(miles, Dog)
True

isinstance()函数需要两个参数：一个对象和一个类。如上例所示，isinstance()用来判断miles是否是Dog类的实例，结果返回True。

>>> isinstance(miles, Bulldog)
False

>>> isinstance(jack, Dachshund)
False

miles、buddy、jack和jim这些对象都是Dog类的实例。但是，miles并不是Bulldog类的实例，同样，jack也不是Dachshund类的实例。

# dog.py

# ...

class JackRussellTerrier(Dog):
    def speak(self, sound="Arf"):
        return f"{self.name} says {sound}"

# ...

通常来说，所有通过子类创建的对象都被视为父类的实例，尽管它们可能并不属于其他子类的实例。

既然你已经为一些不同品种的狗定义了子类，现在你可以为每个品种的狗指定它们特有的叫声。

扩展父类功能

因为不同品种的狗叫声略有不同，你可能会想要为它们的 .speak()方法的sound参数设定一个默认值。这需要你在每个品种的类定义中重写 .speak()方法。

重写父类中定义的方法，就是在子类中定义一个相同名称的方法。以下展示了如何在JackRussellTerrier类中进行这样的操作：

# dog.py

# ...

class JackRussellTerrier(Dog):
    def speak(self, sound="Arf"):
        return f"{self.name} says {sound}"

# ...

.speak()方法已经在JackRussellTerrier类中被重新定义，其sound参数的默认值被设定为“Arf”。

更新dog.py文件，加入新定义的JackRussellTerrier类，并按下F5键来保存并执行文件。此后，你可以直接在JackRussellTerrier的实例上调用 .speak()方法，无需再为sound参数提供任何值。

>>> miles = JackRussellTerrier("Miles", 4)
>>> miles.speak()
'Miles says Arf'

狗狗有时会发出各种各样的声音。比如，如果Miles生气了，开始咆哮，你依然可以通过 .speak()方法传入“Grrr”这样的不同声音来表达：

>>> miles.speak("Grrr")
'Miles says Grrr'

关于类继承的一个重要概念是，对父类所做的更改会自动影响到子类，前提是子类没有重写被更改的属性或方法。

举个例子，如果你在编辑器中修改了Dog类中 .speak()方法的返回字符串：

# dog.py

class Dog:
    # ...

    def speak(self, sound):
        return f"{self.name} barks: {sound}"

# ...

保存并运行文件（按F5）。此时，如果你创建了一个新的Bulldog实例，比如命名为jim，调用jim.speak()将返回新的字符串格式：

>>> jim = Bulldog("Jim", 5)
>>> jim.speak("Woof")
'Jim barks: Woof'

但是，如果你在JackRussellTerrier实例上调用 .speak()，输出的格式将不会按照Dog类的更新而改变：

>>> miles = JackRussellTerrier("Miles", 4)
>>> miles.speak()
'Miles says Arf'

有时候，我们可能需要完全重写父类中的某个方法。但在这种情况下，我们希望JackRussellTerrier类能够保留对Dog类 .speak()方法输出格式可能做出的任何更改。

为此，你需要在JackRussellTerrier子类中定义一个 .speak()方法。与其明确指定输出字符串，不如在子类的 .speak()方法内部，使用传递给JackRussellTerrier.speak()的相同参数，调用父类Dog的 .speak()方法。

你可以通过 super()函数来访问子类方法中的父类：

# dog.py

# ...

class JackRussellTerrier(Dog):
    def speak(self, sound="Arf"):
        return super().speak(sound)

# ...

当你在JackRussellTerrier类中调用 super().speak(sound)时，Python会在Dog类中查找 .speak()方法，并使用你提供的声音参数调用它。

更新dog.py文件，加入修改后的JackRussellTerrier类。保存并运行（按F5），然后在交互式窗口中测试新的实现：

>>> miles = JackRussellTerrier("Miles", 4)
>>> miles.speak()
'Miles barks: Arf'

现在，当你调用miles.speak()时，输出的格式将与Dog类中更新后的格式保持一致。

总结

本教程向你介绍了Python中的面向对象编程（OOP）概念。像Java、C#和C++这样的现代编程语言都采用了OOP原则，所以你在这里学到的知识将对你未来的编程道路大有裨益。

通过本教程，你学会了：

如何定义一个类，它作为创建对象的模板
如何通过类的实例化来生成具体的对象
利用属性和方法来确定对象的特性和行为
利用继承机制，从一个父类派生出多个子类
使用super()来调用父类中的方法
通过isinstance()函数来判断一个对象是否基于另一个类进行扩展

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