Python——类和对象、继承和组合
类和对象
Python中的类和对象是面向对象编程（OOP）的核心概念。面向对象编程是一种编程范式，它使用“对象”来设计软件。对象具有状态（即属性）和行为（即方法）。类是用于创建对象的蓝图或模板。
类（Class）
类是一个用户定义的类型，它定义了对象的属性（数据）和方法（函数）。类是创建对象（也称为类的实例）的模板。
定义类
在Python中，使用class关键字来定义一个类。类的定义包括类名和类的体（缩进块），其中类的体可以包含属性（变量）和方法（函数）。
class MyClass: # 类属性（通常是静态属性，用于所有实例共享的数据） # 但通常我们定义在__init__中的是实例属性 # 初始化方法，特殊方法__init__，用于创建对象时初始化对象的属性 def __init__(self, name, age): self.name = name # 实例属性 self.age = age # 实例属性 # 定义一个方法 def greet(self): print(f"Hello, my name is {self.name} and I am {self.age} years old.")__init__方法是一个特殊方法，称为类的构造器或初始化方法。当创建类的新实例时，Python会自动调用此方法。self代表类的实例本身，即一个类可能有无数个对象，通过self，类可以知道调用自己的实例对象是哪一个，self用于访问类中的属性和方法。所以类中的每一个方法，第一个参数默认都是self。
构造函数__init__方法
在Python中，构造函数通常指的是初始化方法（__init__ 方法）。这个方法是一个特殊的方法，用于在创建类的新实例时设置对象的初始状态。当你使用类名并传递必要的参数来创建一个新的对象时，__init__ 方法会自动被调用。
这里有一个简单的例子来说明Python中的构造函数（初始化方法）是如何工作的：
class Person: def __init__(self, name, age): self.name = name self.age = age def greet(self): print(f"Hello, my name is {self.name} and I am {self.age} years old.") # 创建一个Person类的实例
person1 = Person("Alice", 30) # 调用实例的方法
person1.greet() # 输出: Hello, my name is Alice and I am 30 years old.在这个例子中，Person 类有一个构造函数（__init__ 方法），它接收三个参数：self、name 和 age。self 参数是对类实例本身的引用，用于访问类中的变量和方法。name 和 age 是传递给构造函数的参数，用于初始化新创建的对象的状态。
构造函数（__init__ 方法）的主要目的是初始化新创建的对象的状态。你可以在这个方法内设置任何必要的初始值，或者在对象创建时执行任何必要的设置步骤。
值得注意的是，虽然构造函数在Python中扮演了初始化对象的角色，但它本身并不“返回”对象实例。当你调用类并传递参数时（如 person1 = Person("Alice", 30)），Python会自动处理对象的创建和构造函数的调用，并将新创建的对象引用赋值给左侧的变量（在这个例子中是 person1）。
对象（Object）
对象是类的实例。通过类，我们可以创建具有相同属性和方法的对象。创建对象的过程称为实例化。
创建对象
使用类名后跟一对圆括号（可能包含传递给__init__方法的参数）来创建对象。
# 创建MyClass的实例
obj1 = MyClass("Alice", 30)
obj2 = MyClass("Bob", 25) # 调用对象的方法
obj1.greet() # 输出: Hello, my name is Alice and I am 30 years old.
obj2.greet() # 输出: Hello, my name is Bob and I am 25 years old.访问对象的属性和方法
使用点（.）操作符来访问对象的属性和方法。
print(obj1.name) # 访问属性
obj1.greet() # 调用方法类的特殊方法
Python中有一些特殊的方法，也称为魔术方法或双下划线方法（dunder methods），它们以双下划线开头和结尾。它们为Python类提供了丰富的功能。例如：
__init__：构造函数__str__：定义对象的字符串表示形式__repr__：定义对象的“官方”字符串表示形式，通常用于调试__add__、__sub__等：用于定义对象的算术运算
封装、继承和多态
这三个概念是面向对象编程的三大支柱：
- 封装：将数据（属性）和操作数据的方法（函数）捆绑在一起，形成一个整体（即类）。
- 继承：允许我们定义基于另一个类的类，继承其属性和方法。
- 多态：允许不同类的对象对同一消息作出响应。
继承
Python中的类继承是面向对象编程（OOP）的一个核心概念，它允许我们定义一个类（子类或派生类）来继承另一个类（父类或基类）的属性和方法。继承是代码复用的一种重要方式，它使得我们可以基于现有的类来构建新的类，而无需从头开始编写所有的代码。
继承的基本语法
在Python中，继承是通过在类定义时指定一个或多个父类来实现的。父类名被放在类定义语句的圆括号中。如果未指定父类，则默认继承自object类（Python 3.x中所有类的最终基类）。
class ParentClass: # 父类定义 pass class ChildClass(ParentClass): # 子类定义，继承自ParentClass pass继承的特性
-
属性继承：子类会继承父类的所有非私有属性（即不以双下划线开头的属性）。但是，如果子类定义了与父类同名的属性，则子类属性会覆盖父类属性。
-
方法继承：子类会继承父类的所有方法（包括特殊方法，如
__init__）。但是，子类可以重写（或称为覆盖）这些方法，以提供特定的实现。 -
构造器继承：子类会继承父类的
__init__方法，但通常需要在子类中重写它，以初始化子类特有的属性。如果子类没有重写__init__方法，并且需要初始化父类属性，则需要在子类的其他方法中显式调用父类的__init__方法（使用super()函数或父类名直接调用）。
使用super()函数
super()函数返回了一个代表父类的临时对象，允许你调用父类的方法。这在子类中重写父类方法时特别有用，因为它允许子类在调用父类方法的同时，还可以添加或修改功能，而不是完全替换父类的方法。
class Parent: def __init__(self, value): self.value = value def show(self): print(self.value) class Child(Parent): def __init__(self, value, child_value): super().__init__(value) # 调用父类的__init__方法 self.child_value = child_value def show(self): super().show() # 调用父类的show方法 print(self.child_value)使用super()的好处
- 代码重用：通过调用父类的方法，子类可以重用父类中的代码，而无需重新编写。
- 维护性：如果父类的方法发生变化（例如，添加了新的功能或修复了bug），使用
super()调用该方法的子类也会自动继承这些变化，无需子类修改中的代码。 - 多继承：在Python中支持多继承，类
super()可以确保每个父的方法只被调用一次，即使在复杂的继承体系中也能保持方法的正确调用顺序。
多重继承
Python还支持多重继承，即一个类可以继承自多个父类。在类定义时，将多个父类名放在圆括号中，用逗号分隔即可。
class A: def method_a(self): print("Method A") class B: def method_b(self): print("Method B") class C(A, B): # 类C继承自A和B pass c = C()
c.method_a() # 调用A类的方法
c.method_b() # 调用B类的方法需要注意的是，多重继承可能会引发一些复杂的问题，如方法解析顺序（Method Resolution Order, MRO）问题，这可能会影响到方法的调用结果。Python使用C3线性化算法来确定MRO，以确保继承体系的一致性和可预测性。
多态
在Python中，多态（Polymorphism）是一种非常自然且广泛使用的特性，它允许一个接口（通常指的是一个方法）被用于不同的类实例，并产生不同的结果。在Python中，多态通常是通过继承（Inheritance）和方法的重写（Overriding）来实现的，但Python的动态类型系统和“鸭子类型”（Duck Typing）原则使得多态的实现更为简单和直观。
鸭子类型（Duck Typing）
Python采用的是“鸭子类型”的动态类型系统。这意味着我们并不显式地声明一个对象所属的类，而是基于它做什么（即它有什么方法和属性）来对待它。只要对象可以执行我们期望的操作（比如调用某个方法），我们就可以把它当作那个类型的对象来用，而不需要关心它实际属于哪个类。这种动态类型系统为Python提供了强大的多态能力。
示例
下面是一个简单的Python示例，展示了多态的实现。
# 定义一个基类
class Animal: def speak(self): raise NotImplementedError("Subclass must implement abstract method") # 定义两个继承自Animal的子类
class Dog(Animal): def speak(self): return "Woof!" class Cat(Animal): def speak(self): return "Meow!" # 使用多态
def make_it_speak(animal): print(animal.speak()) # 创建对象
dog = Dog()
cat = Cat() # 使用同一个函数处理不同的对象
make_it_speak(dog) # 输出: Woof!
make_it_speak(cat) # 输出: Meow!在这个例子中，make_it_speak函数接受一个Animal类型的参数，但实际上它可以接受任何具有speak方法的对象。无论是Dog对象还是Cat对象，只要它们实现了speak方法，就可以被make_it_speak函数处理，这就是多态的体现。
注意
- Python没有像一些其他语言（如Java或C++）那样的显式接口声明。Python中的“接口”通常是通过约定（即所有实现该接口的类都必须有相同的方法名）来隐式实现的。
NotImplementedError在这个例子中被用作一个标记，表明这个方法是抽象的，应该在子类中实现。但这并不是Python强制要求的，它只是一个良好的编程实践。- Python的动态类型系统和鸭子类型原则使得多态在Python中非常自然和强大。你不需要显式地声明类型，只需要确保对象有正确的方法即可。
组合
在Python中，组合（Composition）是一种将对象作为另一个对象的属性来使用的技术。这是面向对象编程（OOP）中的一个核心概念，它允许你通过组合现有的类来构建更复杂的类。组合强调了一种“有一个”（has-a）的关系，即一个类包含另一个类的对象作为其属性。
组合与继承不同。继承是“是一个”（is-a）的关系，它允许子类继承父类的属性和方法。而组合则更侧重于将对象作为另一个对象的组件或部分来使用，以实现更复杂的结构和功能。
组合的例子
假设我们有两个类：Car（汽车）和Engine（发动机）。一个汽车有一个发动机，这就是一个典型的组合关系。
class Engine: def __init__(self, horsepower): self.horsepower = horsepower def start(self): print(f"Engine starts with {self.horsepower} horsepower.") class Car: def __init__(self, make, model, engine): self.make = make self.model = model self.engine = engine # Car类组合了一个Engine对象 def start_car(self): self.engine.start() # 调用Engine对象的start方法 # 使用组合
my_engine = Engine(200)
my_car = Car("Toyota", "Corolla", my_engine)
my_car.start_car() # 输出: Engine starts with 200 horsepower.在这个例子中，Car类通过其__init__方法接收一个Engine对象作为参数，并将其存储在其实例变量engine中。这样，Car类就“组合”了一个Engine对象。然后，Car类可以通过其start_car方法调用Engine对象的start方法，从而实现了对汽车启动行为的模拟。
组合的优点
- 更好的封装：通过组合，你可以将对象封装成更小的、可复用的组件。
- 更灵活的设计：组合允许你在运行时动态地改变对象的组合方式，而不需要修改类的定义。
- 更清晰的依赖关系：组合明确表达了对象之间的“有一个”关系，使得代码更易于理解和维护。