Python 面向對象編程

在學習面向對象編程時，我決定深入研究它的歷史，結果發現它很迷人。術語「面向對象編程」(OOP)是Alan Kay 在1966年研究生院時提出的。

Simula語言是第一種具有面向對象編程特點的程式語言。它是在1967年開發的，用於製作模擬程序，其中最重要的信息稱為對象。

儘管OOPS自20世紀60年代初就在市場上，但在20世紀90年代，OOPS開始因為C++而增長。

除此之外，這種編程技術已經被包括Python在內的各種程式語言所採用，它的應用幾乎遍及所有領域，如實時系統、人工智慧、專家系統、CS系統、面向對象資料庫等等。

因此，在本文中，我將解釋Python中面向對象編程的基本概念。

目錄

1. 什麼是面向對象編程？
2. 面向對象編程(OOP)與面向過程編程(POP)
3. OOPs的主要概念
4. 什麼是類？
5. 對象和對象實例化
6. 類方法
7. Python類中的繼承
8. 封裝
9. 多態性
10. 數據抽象

什麼是面向對象編程？

面向對象編程(OOP)就是創建「對象」。對象是一組相互關聯的變量和函數。這些變量通常稱為對象的屬性，函數稱為對象的行為。這些對象為程序提供了一個更好、更清晰的結構。

例如，汽車可以是一個對象。如果我們把汽車當作一個對象，那麼它的屬性就是——顏色、型號、價格、品牌等等，它的行為/函數是加速、減速、換擋。

另一個例子——如果我們把狗當作一個物體，那麼它的屬性就是——它的顏色、品種、名字、體重等，而它的行為/函數是行走、吠叫、玩耍等。

面向對象編程因其在編程中實現了對象、隱藏、繼承等現實實體而聞名。它使可視化更容易，因為它接近真實世界的場景。

面向對象編程(OOP)與面向過程編程(POP)

OOP和過程式編程的基本區別是

• 一種思考POP的方法就是你做檸檬水的方式。製作檸檬水的過程包括——首先根據需要取水，然後在水中加入糖，然後在混合物中加入檸檬汁，最後將整個溶液混合。這樣你的檸檬水就準備好了。同樣，POP也需要一定的步驟。程序程序由函數組成。這意味著在POP方法中，程序被劃分為特定於不同任務的函數。這些功能按特定的順序排列，程序的控制按順序進行。
• 而OOP程序是由對象組成的。面向對象方法將程序劃分為對象。這些對象是將現實世界對象的屬性和行為捆綁在一起的實體。
• POP只適用於小任務。因為隨著程序長度的增加，代碼的複雜性也隨之增加。最後變成了一個函數網。而且，它變得很難調試。OOP通過更清晰、以更不複雜的結構來解決這個問題。它允許以繼承的形式重新使用代碼。
• 另一個重要的是，在面向過程的編程中，所有函數都可以訪問所有數據，這意味著缺乏安全性。假設你想保護來自世界各地的憑據或任何其他關鍵信息。那麼程序化方法就不能為你提供這種安全性。因為這個OOP幫助你實現了一個稱為封裝的驚人功能，它允許我們隱藏數據。不用擔心，在本文的後半部分，我將詳細介紹這一點以及面向對象編程的其他概念。現在，只需理解OOP支持安全性，POP不支持。
• 程式語言如C、Pascal和Basic使用過程方法，而java、Python、JavaScript、PHP、Scala和C++是提供面向對象方法的主要語言。

OOPs的主要概念

在本節中，我們將深入探討OOP的基本概念。我們將討論以下主題

1. 類
2. 對象
3. 方法
4. 繼承
5. 封裝
6. 多態性
7. 數據抽象

1.什麼是類？

這個問題的直接答案是：類是對象的集合。與原始數據結構不同，類是用戶定義的數據結構。它們使代碼更易於管理。

讓我們看看如何定義下面的類

class class_name:class body

我們用關鍵字「class」在類名和分號後面定義一個類。在使用縮進之後，我們會考慮有縮進的所有東西。為了讓這更容易理解，讓我們看一個例子。

以汽車展廳為例。你要存儲每輛車的詳細信息。讓我們首先定義一個類

class Car:pass

就這樣！

注意：我用pass語句代替了它的主體，因為主要目的是展示如何定義一個類，而不是它應該包含什麼。

在詳細介紹之前，首先要了解對象和實例化。

2.對象和對象實例化

當我們定義一個類時，只會創建對象的描述或藍圖，在這個過程中沒有內存分配。而對象實例具有內存分配，它包含真實的數據或信息。

實例化是創建一個類的實例。讓我們創建上面定義的類的對象-

obj1 = Car()

這樣就創建了一個對象實例。請注意，你可以根據你的選擇更改對象名稱。

嘗試列印此對象

print(obj1)

因為我們的類是空的，所以它返回存儲對象的地址，即0x7fc5e677b6d8

在繼續學習之前，你還需要了解類的構造函數。

類構造函數

到目前為止，我們有一輛空的車，是時候把車的特徵填滿我們的類了。類構造函數的工作是在創建類的對象時將值分配給類的數據成員。

一輛車可以有不同的屬性，如名稱、顏色、型號、品牌、發動機功率、重量、價格等。我們將僅選擇其中幾項以便於理解。

class Car:def __init__(self, name, color):

self.name = name

self.color = color

因此，car或任何其他對象的屬性必須位於一個我們稱為 **__init__( )**的方法中。此方法也稱為構造函數方法。每當類的對象被構造時，就調用構造函數方法。

現在，讓我們來討論一下 **__init__( )**方法的參數。所以，這個方法的第一個參數必須是self。然後才是剩下的參數

構造函數方法中的兩個語句是

1. self.name = name
2. self.color = color:

這將創建新的屬性，即name和color，然後將參數的值分配給它們。「self」關鍵字表示類的實例。通過使用「self」關鍵字，我們可以訪問類的屬性和方法。它在方法定義和變量初始化中很有用。「self」在每次定義方法時都顯式使用。

注意：你也可以在此方法之外創建屬性。但是這些屬性對整個類都是通用的，必須給它們賦值。

假設你的展廳中的所有汽車都是Sedan，而不是一次又一次地指定它，你可以通過創建一個屬性來將car_type的值固定為Sedan。

class Car:

car_type = "Sedan" #類屬性def __init__(self, name, color):

self.name = name #實例屬性self.color = color #實例屬性

這裡，實例屬性是指構造函數方法中的屬性，在這個例子中是self.name 和 self.color。類屬性是指構造函數方法之外的屬性，在這個例子中是car_type。

3.類方法

到目前為止，我們已經添加了汽車的屬性。現在是時候添加一些行為了。方法是我們用來描述對象行為的函數。它們也在類中定義。請看下面的代碼

class Car:

car_type = "Sedan"

def __init__(self, name, mileage):

self.name = name

self.mileage = mileage

def description(self):

return f"The {self.name} car gives the mileage of {self.mileage}km/l"

def max_speed(self, speed):

return f"The {self.name} runs at the maximum speed of {speed}km/hr"

在類中定義的方法(而不是構造函數方法)稱為實例方法。此外，這裡有兩個實例方法，description()和max_speed()。

• description()—此方法返回一個字符串，其中包含汽車的描述，如名稱和裡程數。此方法沒有其他參數。此方法正在使用實例屬性。
• max_speed()—此方法有一個附加參數，並返回一個顯示車輛名稱及其速度的字符串。

請注意，附加參數speed沒有使用「self」關鍵字。因為speed不是一個實例變量，所以我們不使用self關鍵字作為前綴。讓我們為上面描述的類創建一個對象。

obj2 = Car("Honda City",24.1)

print(obj2.description())

print(obj2.max_speed(150))

我們所做的是創建一個類car的對象並傳遞所需的參數。為了使用object_name.method_name().

description()方法沒有任何附加參數，因此在調用它時沒有傳遞任何參數。

max_speed()方法有一個附加參數，因此我們在調用它時傳遞了一個參數。

注意：三件重要的事要記住

1. 可以創建一個類的任意數量的對象。
2. 如果方法需要n個參數，而你沒有傳遞相同數量的參數，則會發生錯誤。
3. 參數的順序很重要。

讓我們一個個來看看

1. 創建一個類的多個對象

class Car:def __init__(self, name, mileage):

self.name = name

self.mileage = mileage

def max_speed(self, speed):

return f"The {self.name} runs at the maximum speed of {speed}km/hr"

Honda = Car("Honda City",21.4)

print(Honda.max_speed(150))

Skoda = Car("Skoda Octavia",13)

print(Skoda.max_speed(210))

1. 參數數目錯誤

class Car:

def __init__(self, name, mileage):

self.name = name

self.mileage = mileage

Honda = Car("Honda City")

print(Honda)

因為我們沒有提供第二個參數，所以我們得到了這個錯誤。

1. 參數順序

class Car:

def __init__(self, name, mileage):

self.name = name

self.mileage = mileage

def description(self):

return f"The {self.name} car gives the mileage of {self.mileage}km/l"

Honda = Car(24.1,"Honda City")

print(Honda.description())

搞混了！因為我們改變了論點的順序。

現在，面向對象編程有四個基本概念：繼承、封裝、多態和數據抽象。為了理解OOPs，了解所有這些非常重要。到目前為止，我們已經介紹了面向對象編程的基本知識，讓我們進一步深入。

4. Python類中的繼承

繼承是一個類繼承另一個類的屬性和方法的過程。被繼承的類稱為父類。從父類繼承屬性的類是子類。

有趣的是，除了繼承的屬性和方法外，子類可以有自己的屬性和方法。

如何繼承父類？使用以下語法：

class parent_class:

body of parent class

class child_class( parent_class):

body of child class

讓我們看看實現

class Car: #父類

def __init__(self, name, mileage):

self.name = name

self.mileage = mileage

def description(self):

return f"The {self.name} car gives the mileage of {self.mileage}km/l"

class BMW(Car): #子類pass

class Audi(Car): #子類def audi_desc(self):return "This is the description method of class Audi."

obj1 = BMW("BMW 7-series",39.53)

print(obj1.description())

obj2 = Audi("Audi A8 L",14)

print(obj2.description())

print(obj2.audi_desc())

我們創建了兩個子類，即「BMW」和「Audi」，它們繼承了父類「Car」的方法和屬性。在BMW類我們沒有提供額外的特徵和函數。而Audi內部的一個附加方法。

注意在obj1.description()和obj2.description()的幫助下，父類的實例方法description()是如何被子類的對象訪問的。此外，還可以使用obj2.Audi_desc()訪問Audi類的單獨方法。

5.封裝

正如我在文章開頭部分提到的，封裝是確保安全性的一種方法。基本上，它將數據隱藏起來，不讓外人訪問。例如，如果我們想讓某些值不被客戶或任何未經授權的人訪問，那麼封裝就是確保這一點的方法。

你可以在方法或屬性的名稱前使用一個下劃線( _ ) 來聲明受保護的方法或屬性。例如 self._name或def _method()；這兩行都說明屬性和方法是受保護的，不應在類和子類的訪問之外使用，而是可以由類方法和對象訪問。

Python只是將『_『 用作編碼約定，告訴你應該在類的範圍內使用這些屬性/方法。你仍然可以像往常一樣訪問定義為受保護的變量和方法。

現在，為了實際防止從類範圍之外訪問屬性/方法，可以使用「私有成員」。若要將屬性/方法聲明為私有成員，請在前綴中使用雙下劃線( __ ) 。例如– self.__name或def __method()；這兩行都說明屬性和方法是私有的，不能從類外部進行訪問。

class car:

def __init__(self, name, mileage):

self._name = name #受保護屬性self.mileage = mileage

def description(self):

return f"The {self._name} car gives the mileage of {self.mileage}km/l"

obj = car("BMW 7-series",39.53)

#通過類方法訪問受保護變量

print(obj.description())

#直接從外部訪問受保護變量

print(obj._name)

print(obj.mileage)

請注意我們如何訪問受保護的變量而沒有任何錯誤。很明顯，對變量的訪問仍然是公開的。讓我們看看封裝是如何工作的

class Car:

def __init__(self, name, mileage):

self.__name = name #私有變量self.mileage = mileage

def description(self):

return f"The {self.__name} car gives the mileage of {self.mileage}km/l"

obj = Car("BMW 7-series",39.53)

#通過類方法訪問私有變量

print(obj.description())

#直接從外部訪問私有變量

print(obj.mileage)

print(obj.__name)

當我們嘗試使用description()方法訪問私有變量時，沒有遇到任何錯誤。但是當我們嘗試直接在類外部訪問私有變量時，Python給出了一個錯誤，聲明：car對象沒有屬性''__name'。

你仍然可以使用該屬性的修飾名稱直接訪問它。Name mangling（命名修飾）是一種從外部訪問類成員的機制。Python解釋器將任何帶有「__var」的標識符重寫為「_ClassName__var」。使用這個你可以從外部訪問類成員。

class Car:

def __init__(self, name, mileage):

self.__name = name #私有變量 self.mileage = mileage

def description(self):

return f"The {self.__name} car gives the mileage of {self.mileage}km/l"

obj = Car("BMW 7-series",39.53)

#通過類方法訪問私有變量

print(obj.description())

#直接從外部訪問私有變量

print(obj.mileage)

print(obj._car__name) #名稱修飾

請注意，這個規則的設計是想處理某些情況，例如在調試器中。但是正常編程中不推薦使用

6.多態

多態(Polymorphism)一個希臘單詞。如果我們分解Polymorphism這一術語，我們會得到「poly」(多)和「morph」(變形)形式。所以多態性意味著有多種形式。在OOP中，它指的是具有相同名稱但具有不同功能的函數。

class Audi:def description(self):

print("This the description function of class AUDI.")

class BMW:def description(self):

print("This the description function of class BMW.")

audi = Audi()

bmw = BMW()

for car in (audi,bmw):

car.description()

使用對象audi調用函數時，將調用audi類的函數；使用對象bmw調用函數時，將調用bmw類的函數。

7.數據抽象

我們使用抽象來隱藏函數的內部細節或實現，只顯示其功能。這與你在不知道汽車原理的情況下知道如何駕駛汽車，或者你知道如何用開關打開或關閉燈，但你不知道插座後面發生了什麼的情況類似。

任何具有至少一個抽象函數的類都是抽象類。為了首先創建一個抽象類，你需要從ABC模塊導入ABC類。這使你可以在其中創建抽象方法。ABC代表抽象基類。

from abc import ABC

class abs_class(ABC):

Body of the class

重要的是，不能為抽象類創建實例對象。例如-

from abc import ABC, abstractmethod

class Car(ABC):def __init__(self,name):

self.name = name

@abstractmethoddef price(self,x):pass

obj = Car("Honda City")

現在的問題是我們如何準確地使用這個抽象。答案是使用繼承。

from abc import ABC, abstractmethod

class Car(ABC):def __init__(self,name):

self.name = name

def description(self):

print("This the description function of class car.")

@abstractmethoddef price(self,x):pass

class new(Car):def price(self,x):

print(f"The {self.name}'s price is {x} lakhs.")

obj = new("Honda City")

obj.description()

obj.price(25)

Car是從ABC模塊的ABC類繼承的抽象類。注意我在抽象類中有一個抽象方法(price())和一個具體方法(description())。這是因為抽象類可以同時包含這兩種類型的函數，而普通類則不能。從這個抽象類繼承的另一個類是new。new的price()方法是我們重寫了抽象類Car的price方法。

在用戶從new()類創建對象並調用price()方法之後，new()類中price方法的定義就開始發揮作用了。這些定義對用戶是隱藏的。抽象方法只是提供一個聲明。需要提供子類的定義。

但是，當為new()類(即obj)的對象調用description()方法時，將調用Car的description()方法，因為它不是抽象方法。