面向对象系统分析与设计



Python语言设计之初，就是为了面向对象。所以Python的面向对象更加易于理解。如果你以前学过Java、C++你大概就懂得什么是面向对象，但如果你是第一门编程语言就选择Python，那么也不要害怕。这篇文章，我们将会尽量详细的讲解，把Python面向对象编程的知识讲清楚。

接下来我们先来简单的了解下面向对象的一些基本特征。

面向对象编程（Object-Oriented Programming，OOP）是一种程序设计范式，它以对象为中心，将数据和操作数据的方法（函数）组合到一个单元中，这个单元就是对象。每个对象都是类的一个实例，而类则定义了对象的属性（数据）和方法（代码）。换句话说，面向对象编程将现实世界中的实体抽象为程序中的对象，这些对象可以相互交互、传递消息，并且可以继承和扩展。

面向对象编程通常具有以下几个核心概念：

• 类（Class）：定义了对象的模板，包括数据和方法。
• 对象（Object）：类的实例，具有特定的属性和方法。
• 封装（Encapsulation）：将数据（属性）和操作数据的方法（函数）封装到对象中，使得对象的内部细节对外部不可见。
• 继承（Inheritance）：允许一个类（子类）继承另一个类（父类）的属性和方法，并且可以添加自己的特定属性和方法。
• 多态（Polymorphism）：允许不同类的对象对同一个方法做出不同的响应，提高代码的灵活性和可重用性。

很好，上面的概念，你已经云里雾里了。那么下面我们简单来讲一下。

一个简单的例子：

假设我们要模拟一个动物园中的动物。我们可以使用定义一个 （动物）类，并创建具体的动物对象。这就是面向对象编程的两个概念了，类、对象。

上面的代码，我们一步步来说：

第一步：首先定义了一个 （动物）类，它有两个属性 （名字）和 （年龄）。在  构造函数中，我们初始化了这两个属性。

第二步： 类有一个 （发出声音）方法，但在基类中我们只定义了方法的签名，没有具体的实现。这是因为我们无法确定所有动物的叫声，具体的叫声会在子类中实现。

第三步：然后我们定义了两个具体的动物类 （猫）和 （狗），它们都继承自  类。这意味着  和  类会继承  类的属性和方法，并且可以根据需要添加自己的属性和方法。

第四步：在  类和  类中，我们重写了  方法，分别返回了猫和狗的叫声

第五步：最后，我们创建了两个具体的动物对象  和 ，分别是一只名叫 "Kitty" 的猫和一只名叫 "Buddy" 的狗。

第六步：我们调用了这两个动物对象的  方法，并打印出它们的名字和叫声。

上面总共讲了6步，6步里面涉及到了：类（Class）、对象（Object）、封装（Encapsulation）、继承（Inheritance）、多态（Polymorphism）。这些概念，具体怎么看呢？往下看：

• 类：、、 分别是类，它们定义了对象的模板，包括属性和方法。
• 对象： 和  是  和  类的对象，它们是具体的实例，具有特定的属性和方法。
• 封装：每个动物对象封装了自己的属性  和 ，并且调用了自己的  方法。
• 继承： 和  类继承了  类的属性和方法，避免了重复定义。
• 多态： 方法在不同的子类中表现出不同的行为，根据对象的类型返回不同的叫声。

那么，你现在将这些概念，一个个对应到前面的六步中去，你就大概明白了。明白个大概也行！

下面接着讲.......

让我们以一个仍然用上面的例子来说明什么是类和对象。我们创建了一个"动物"（Animal）类，然后创建该类的对象，比如"狗"（Dog）和"猫"（Cat）。

我们可以定义一个"动物"（Animal）类，该类具有一些基本属性（如名称和年龄），以及一些行为（如发出声音）。

在这个类中，我们定义了一个构造函数 ，它接收  和  作为参数，并将它们分配给对象的属性。我们还定义了一个  方法，但目前它什么也不做，因为每种动物发出的声音都不同，所以我们会在子类中覆盖这个方法。

现在，让我们创建具体的动物对象，比如一个狗对象和一个猫对象，并使用它们的属性和方法。

在这个例子中， 是一个基类（父类），它定义了动物的基本属性和方法。然后， 和  是  类的子类（也可以称为派生类），它们继承了  类的属性和方法，并且还可以定义自己独特的属性和方法。

当我们创建  和  时，实际上是在内存中实例化了两个对象，每个对象都有自己的  和  属性，并且可以调用  方法。

类是对对象的抽象，它定义了对象的属性和方法。
对象是类的实例，它具体化了类的定义，并可以执行类中定义的操作。

类和对象之间的关系就像是模具和制造出的产品之间的关系：模具定义了产品的形状和特性，而产品则是模具的具体实例。

2.4.1 实例属性和类属性

• 实例属性：实例属性是指属于特定实例的属性。它们在创建实例时被赋予，并且每个实例都可以有不同的值。通常在类的  方法中初始化。

在这里，, , 和  就是  类的实例属性。

• 类属性：属于类本身的属性，被所有类的实例共享。可以直接在类定义中设置。

在这里， 就是  类的类属性，它被所有  类的实例共享。

2.4.2 实例方法和类方法

• 实例方法：操作实例属性的方法，第一个参数通常是 ，代表对象本身。可以访问实例属性，并且可以改变实例的状态。

accelerate 、brake 就是  类的实例方法，用于打印汽车信息。

• 类方法：操作类属性的方法，使用  装饰器定义，第一个参数通常是 ，代表类本身。可以访问类属性，并且可以在整个类上执行操作。

get_num_of_dogs 就是 Dog 类的类方法，用于显示狗总数。

2.4.3 静态方法

• 静态方法：不操作实例属性或类属性的方法，使用  装饰器定义。它们与类无关，不传递  或  参数。可以在类中定义，但是不能访问  或 。

 就是 Math 类的静态方法，提供关于类的一般信息。

以上是关于Python中类（Class）、对象（Object）以及属性和方法的基本概念。希望对你的理解有帮助。

 封装、继承和多态作为Python面向对象编程（OOP）三个核心概念，它们是面向对象程序设计的基石，允许我们以更加模块化、可维护的方式编写代码。下面我们一起来学习。

​封装是指将数据（属性）和操作数据的方法（方法）捆绑在一起的机制。在封装中，对象的内部细节被隐藏起来，只有特定的方法才能访问和操作这些细节。这有助于确保数据的安全性和代码的可维护性。

封装具有以下优势：

封装可以通过访问控制和访问修饰符来实现。主要有两种访问修饰符：公有属性和方法、私有属性和方法。

• 公有属性和方法 (Public Attributes and Methods)

可以被类的外部访问。在 Python 中，默认情况下，类的所有属性和方法都是公有的。

在这个例子中，Person类有一个公有方法 ，那么其他类或代码可以通过调用这个方法来获取对象的名称。同样，有一个公有属性 ，那么其他类或代码可以直接访问和修改这个属性。所以，我们的实例对象就可以访问公共的属性和方法。

• 私有属性和方法 (Private Attributes and Methods)

只能在类的内部访问，外部无法直接访问。在 Python 中，可以在属性名或方法名前加上双下划线 ‘’ 来定义私有属性和方法。

在上面的例子中：person1对象就不能访问__name私有属性和__display_info()私有方法。

尽管外部无法直接访问私有属性和方法，但我们仍然可以通过公有方法来间接访问和操作它们。这种间接访问的方式使得我们可以控制对象的状态和行为，确保数据的一致性和安全性。

那么，封装通过隐藏对象的内部细节、定义清晰的接口，提高了代码的安全性、可维护性和复用性，这就使得我们的程序更加健壮和易于开发与维护了。

继承就是允许一个类（称为子类或派生类）继承另一个类（称为父类或基类）的属性和方法。子类可以继承父类的特性，并且可以在此基础上添加自己的新特性。这种机制允许代码的重用和层次化的设计。继承，就是字面上意思，继承。

4.1.1 单继承

单继承是指一个子类只能继承一个父类的属性和方法。这是最简单和最常见的继承类型。

4.1.2 多继承

多继承是指一个子类可以同时继承多个父类的属性和方法。这使得子类可以具有多个父类的特性，但也可能引发一些复杂性和歧义。

4.1.3 Python的继承顺序（MRO）

在多继承的情况下，Python 使用 C3 线性化算法来确定方法解析顺序（Method Resolution Order, MRO）。MRO 定义了类的方法解析顺序，确保在继承链中查找方法时，按照一定的顺序进行搜索。

可以通过调用类的  方法来查看方法的解析顺序：

继承允许子类重用父类的代码，避免了重复编写相同的代码片段。子类可以直接使用父类已经定义的方法和属性。

4.3.1 创建子类

通过继承可以创建子类，实现代码的重用和层次化的设计。子类可以继承父类的方法和属性，并且可以添加自己的方法和属性。

4.3.2 覆盖父类方法（Method Overriding）

子类可以覆盖父类的方法，即在子类中重新定义与父类同名的方法。这样做可以根据子类的需求修改方法的实现。

4.3.3 调用父类方法（ 函数）

子类中可以通过  函数调用父类的方法。这在子类需要扩展父类方法的功能时非常有用。

在上面的例子中， 类继承自  类，并通过  函数调用了  类的  方法，实现了对正方形的初始化。

以上，就大概是继承的内容了。

多态是指允许对象在不同的情况下表现出不同的行为。简单地说，多态性意味着相同的方法调用可能会有不同的实现方式，具体取决于调用该方法的对象的类型或类的实现。

5.1.1 方法重写（Method Overriding）

方法重写是实现多态的一种方式，它允许子类覆盖（重写）父类的方法，以便在子类中实现特定的行为。当子类重新定义了与父类同名的方法时，调用这个方法时会执行子类的实现。通过一个例子展示方法重写：

5.1.2 方法重载（Method Overloading）

方法重载是一种在同一个类中，方法名称相同但参数列表不同的技术。但是，在Python中，并没有像其他编程语言那样直接支持方法重载的特性，不过，可以通过一些技巧来模拟。

比如：使用默认参数值或者  和  参数来实现类似方法重载的效果。

5.3.1 多态的实例

多态在实际应用中非常多。

例子，展示了在图形绘制中，不同的图形对象可以有不同的  方法实现，但可以使用相同的方式进行绘制。 是一个基类， 和  是它的子类，它们都有自己的  方法实现。在调用  函数时，根据传入的参数不同，会执行不同子类的  方法。

5.3.2 使用抽象基类（Abstract Base Classes）

 模块，可以通过抽象基类定义抽象方法，从而强制子类实现这些方法，实现接口的规范化。

在这个例子中， 是一个抽象基类，定义了一个抽象方法 ，所有继承自  的子类必须实现  方法。这样可以确保所有的子类都有相同的接口，实现了多态的规范化。

通过上面的介绍，我们知道了多态使得代码更加灵活、可扩展、简洁。这也就是为什么面向对象那么受欢迎的原因了。

最后，我们通过两篇文章的学习，现在，我们通过实例代码来回顾一下所有的内容。

示例： 定义一个  类，封装汽车的属性和方法。

输出如下：

示例： 定义一个  类，继承  类并添加续航里程属性和方法。

输出如下：

示例： 定义一个  类，包含  方法，并定义  和  两个子类，分别实现不同的  方法。

输出如下：

类、对象、封装、继承和多态的重要性总结如下表：

一些概念需要你记住的：

• 使用  关键字定义类。
• 使用  方法初始化对象的属性。
• 使用  关键字引用当前对象。
• 使用  函数调用父类的方法。
• 使用  函数检查对象的类型。

这里，我们已经讲完了Python面向对象的知识：类（Class）、对象（Object）、封装（Encapsulation）、继承（Inheritance）和多态（Polymorphism）。掌握这些知识，可以帮助你编写出更优雅、更易读、更可维护的 Python 代码。

欢迎大家和我一起继续学习、记录python的下一个知识点。

如果感觉阅读对您还有些作用，可以评论留言，关注我。谢谢您的阅读！

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