文章目錄
- 1. 實例方法 (Instance Methods)
- 1.1 特點與語法
- 1.2 實例方法示例
- 2. 類方法 (Class Methods)
- 2.1 特點與語法
- 2.2 類方法示例
- 3. 靜態方法 (Static Methods)
- 3.1 特點與語法
- 3.2 靜態方法示例
- 4. 三種方法的對比總結
- 總結
- 練習題
- 練習題答案
創作不易，請各位看官順手點點關注，不勝感激 。
本篇將深入探討 Python 類中不同類型的方法：實例方法 (Instance Methods)、類方法 (Class Methods) 和靜態方法 (Static Methods)。理解這三者之間的區別和適用場景是掌握 Python 面向對象編程的關鍵。
1. 實例方法 (Instance Methods)
實例方法是我們最常用、最熟悉的方法類型。它們操作的是對象（實例） 的數據。當你調用一個實例方法時，Python 會自動把該方法所屬的實例（對象本身）作為第一個參數傳遞給它。
1.1 特點與語法
- 特點:
- 第一個參數必須是
self（約定俗成），它指向當前實例。 - 可以訪問和修改實例的屬性 (
self.attribute)。 - 可以訪問和修改類的屬性 (
ClassName.attribute或self.attribute)。 - 是最常見的方法類型，用于定義對象的行為。
- 第一個參數必須是
- 語法:
class MyClass:def instance_method(self, arg1, arg2):# 可以訪問 self.some_instance_attribute# 可以訪問 MyClass.some_class_attributepass
1.2 實例方法示例
讓我們用一個 Robot 類來演示實例方法：
class Robot:"""一個簡單的機器人模擬類"""population = 0 # 類屬性：機器人總數量def __init__(self, name, model):"""初始化機器人實例"""self.name = name # 實例屬性：機器人名稱self.model = model # 實例屬性：機器人型號self.energy = 100 # 實例屬性：初始能量Robot.population += 1 # 每創建一個實例，類屬性 population 增加def greet(self): # 實例方法"""機器人問候，使用實例屬性 name"""if self.energy > 10:print(f"你好！我是機器人 {self.name}，型號 {self.model}。")self.energy -= 5 # 問候消耗能量else:print(f"{self.name} 能量不足，無法問候。")def charge(self, amount): # 實例方法"""為機器人充電"""self.energy = min(100, self.energy + amount) # 能量不超過100print(f"{self.name} 已充電 {amount} 單位，當前能量: {self.energy}")def get_info(self): # 實例方法"""獲取機器人信息"""print(f"[{self.name}] 型號: {self.model}, 能量: {self.energy}, 機器人總數: {Robot.population}")# 創建機器人實例
robot1 = Robot("Wall-E", "Cleaner-Bot")
robot2 = Robot("Eve", "Explorer-Bot")# 調用實例方法
robot1.greet()
robot2.greet()
robot1.charge(20)
robot1.greet()robot1.get_info()
robot2.get_info()
輸出：
你好！我是機器人 Wall-E，型號 Cleaner-Bot。
你好！我是機器人 Eve，型號 Explorer-Bot。
Wall-E 已充電 20 單位，當前能量: 115
你好！我是機器人 Wall-E，型號 Cleaner-Bot。
[Wall-E] 型號: Cleaner-Bot, 能量: 110, 機器人總數: 2
[Eve] 型號: Explorer-Bot, 能量: 95, 機器人總數: 2
在這個例子中，greet, charge, get_info 都是實例方法，它們都接收 self 參數，并利用 self.name、self.energy 等實例屬性來執行特定操作。
2. 類方法 (Class Methods)
類方法是綁定到類而不是實例的方法。它們主要用于操作類屬性，或者創建新的類實例（作為工廠方法）。
2.1 特點與語法
- 特點:
- 用
@classmethod裝飾器標識。 - 第一個參數必須是
cls（約定俗成），它指向類本身（而不是實例）。 - 可以訪問和修改類屬性 (
cls.attribute)。 - 不能直接訪問實例屬性，因為它們與特定實例無關（但可以通過
cls創建新實例）。 - 常用于定義替代的構造方法（工廠方法）。
- 用
- 語法:
class MyClass:class_attribute = "..."@classmethoddef class_method(cls, arg1, arg2):# 可以訪問 cls.class_attribute# 可以通過 cls() 創建新實例pass
2.2 類方法示例
繼續使用 Robot 類，我們添加一個類方法來記錄機器人總數，或者從不同格式的數據創建機器人：
class Robot:"""一個簡單的機器人模擬類"""population = 0 # 類屬性：機器人總數量known_models = ["Cleaner-Bot", "Explorer-Bot", "Worker-Bot"]def __init__(self, name, model):self.name = nameself.model = modelself.energy = 100Robot.population += 1# ... (實例方法與上面相同) ...def greet(self):if self.energy > 10:print(f"你好！我是機器人 {self.name}，型號 {self.model}。")self.energy -= 5else:print(f"{self.name} 能量不足，無法問候。")def charge(self, amount):self.energy = min(100, self.energy + amount)print(f"{self.name} 已充電 {amount} 單位，當前能量: {self.energy}")def get_info(self):print(f"[{self.name}] 型號: {self.model}, 能量: {self.energy}, 機器人總數: {Robot.population}")@classmethod # 聲明這是一個類方法def get_robot_population(cls): # cls 指向類本身 (Robot)"""返回當前所有機器人實例的總數量。"""print(f"當前機器人總數是: {cls.population}") # 訪問類屬性return cls.population@classmethod # 聲明這是一個類方法，作為工廠方法def create_from_string(cls, robot_string):"""從 'name-model' 格式的字符串創建機器人實例。Args:robot_string (str): 格式為 'name-model' 的字符串。Returns:Robot: 新創建的 Robot 實例，如果模型未知則返回 None。"""parts = robot_string.split('-')if len(parts) == 2:name, model = parts[0], parts[1]if model in cls.known_models: # 檢查模型是否已知，使用了類屬性return cls(name, model) # 使用 cls() 來創建新的實例else:print(f"警告: 未知機器人型號 '{model}'。無法創建。")return Noneelse:print("錯誤: 字符串格式不正確，應為 'name-model'。")return None# 調用類方法
Robot.get_robot_population() # 通過類名調用robot3 = Robot.create_from_string("Optimus-Worker-Bot") # 通過類名調用工廠方法
if robot3:robot3.greet()Robot.create_from_string("Unknown-Model") # 嘗試創建未知模型
Robot.create_from_string("JustOnePart") # 嘗試創建格式錯誤Robot.get_robot_population() # 再次查看機器人總數
輸出：
當前機器人總數是: 2
正在初始化機器人 Optimus，型號 Worker-Bot...
你好！我是機器人 Optimus，型號 Worker-Bot。
警告: 未知機器人型號 'Unknown-Model'。無法創建。
錯誤: 字符串格式不正確，應為 'name-model'。
當前機器人總數是: 3
在 get_robot_population 中，我們使用 cls.population 來訪問類屬性。在 create_from_string 方法中，cls(name, model) 相當于 Robot(name, model)，這意味著我們可以通過 cls 這個引用來創建類的實例。這在子類化時非常有用，因為 cls 將動態地指向實際調用的那個類（子類或父類）。
3. 靜態方法 (Static Methods)
靜態方法是與類相關但不需要訪問類或實例數據的函數。它們本質上就是放在類命名空間下的普通函數，與類或實例狀態無關。
3.1 特點與語法
- 特點:
- 用
@staticmethod裝飾器標識。 - 不接收
self或cls作為第一個參數。 - 不能訪問實例屬性或類屬性（除非你明確地傳遞它們作為參數）。
- 通常用于與類邏輯相關，但又不依賴于特定實例或類狀態的輔助功能。
- 用
- 語法:
class MyClass:@staticmethoddef static_method(arg1, arg2):# 不涉及 self 或 clspass
3.2 靜態方法示例
繼續 Robot 類，我們添加一個靜態方法來驗證機器人名稱的有效性：
import re # 導入正則表達式模塊class Robot:"""一個簡單的機器人模擬類"""population = 0known_models = ["Cleaner-Bot", "Explorer-Bot", "Worker-Bot"]def __init__(self, name, model):self.name = nameself.model = modelself.energy = 100Robot.population += 1# ... (實例方法和類方法與上面相同) ...def greet(self):if self.energy > 10:print(f"你好！我是機器人 {self.name}，型號 {self.model}。")self.energy -= 5else:print(f"{self.name} 能量不足，無法問候。")def charge(self, amount):self.energy = min(100, self.energy + amount)print(f"{self.name} 已充電 {amount} 單位，當前能量: {self.energy}")def get_info(self):print(f"[{self.name}] 型號: {self.model}, 能量: {self.energy}, 機器人總數: {Robot.population}")@classmethoddef get_robot_population(cls):print(f"當前機器人總數是: {cls.population}")return cls.population@classmethoddef create_from_string(cls, robot_string):parts = robot_string.split('-')if len(parts) == 2:name, model = parts[0], parts[1]if model in cls.known_models and cls.is_valid_name(name): # 在這里使用靜態方法return cls(name, model)else:print(f"警告: 型號 '{model}' 未知或名稱 '{name}' 無效。無法創建。")return Noneelse:print("錯誤: 字符串格式不正確，應為 'name-model'。")return None@staticmethod # 聲明這是一個靜態方法def is_valid_name(name): # 不接收 self 或 cls 參數"""檢查機器人名稱是否有效（只包含字母、數字和連字符，長度在 3-20 之間）。Args:name (str): 要檢查的名稱。Returns:bool: 如果名稱有效則返回 True，否則返回 False。"""if 3 <= len(name) <= 20 and re.fullmatch(r'^[a-zA-Z0-9-]+$', name):return Trueprint(f"名稱 '{name}' 無效。")return False# 調用靜態方法 (可以通過類名或實例名調用，但通常通過類名調用)
print(f"\n檢查名稱 'R2-D2' 是否有效: {Robot.is_valid_name('R2-D2')}")
print(f"檢查名稱 'C3PO!' 是否有效: {Robot.is_valid_name('C3PO!')}")# 結合使用
valid_robot = Robot.create_from_string("MegaBot-Worker-Bot")
if valid_robot:valid_robot.greet()invalid_name_robot = Robot.create_from_string("Bad!Name-Cleaner-Bot")
輸出：
檢查名稱 'R2-D2' 是否有效: True
名稱 'C3PO!' 無效。
檢查名稱 'C3PO!' 是否有效: False
正在初始化機器人 MegaBot，型號 Worker-Bot...
你好！我是機器人 MegaBot，型號 Worker-Bot。
名稱 'Bad!Name' 無效。
警告: 型號 'Cleaner-Bot' 未知或名稱 'Bad!Name' 無效。無法創建。
is_valid_name 方法不依賴于任何特定的 Robot 實例的數據，也不依賴于 Robot 類的數據（除了它被邏輯上歸類到 Robot 下）。它只是一個獨立的輔助函數，所以把它定義為靜態方法是合適的。
4. 三種方法的對比總結
| 特性 | 實例方法 (Instance Method) | 類方法 (Class Method) | 靜態方法 (Static Method) |
|---|---|---|---|
| 裝飾器 | 無 (默認) | @classmethod | @staticmethod |
| 第一個參數 | self (指向實例) | cls (指向類) | 無 |
| 訪問實例屬性 | 能 (self.attr) | 不能 (除非創建新實例) | 不能 |
| 訪問類屬性 | 能 (ClassName.attr 或 self.attr) | 能 (cls.attr) | 不能 (除非明確傳遞) |
| 用途 | 定義對象特有的行為，操作實例數據 | 操作類數據，作為替代構造器 (工廠方法) | 輔助函數，不依賴實例或類狀態 |
| 調用方式 | instance.method() | ClassName.method() 或 instance.method() | ClassName.method() 或 instance.method() |
選擇哪種方法？
- 如果你需要訪問或修改實例的屬性，使用實例方法。
- 如果你需要訪問或修改類的屬性，或者需要一個替代的構造器（工廠方法），使用類方法。
- 如果你只是想把一個函數邏輯上歸類到某個類下，但它既不需要訪問實例屬性，也不需要訪問類屬性，那么使用靜態方法。
總結
實例方法、類方法和靜態方法是 Python 面向對象編程中三種不同類型的函數。它們各自有獨特的用途和調用約定。正確地選擇和使用它們可以幫助你更好地組織代碼，使類設計更加清晰、合理，并提高代碼的可維護性和可讀性。理解它們之間的差異，特別是 self 和 cls 參數的含義，是掌握 Python OOP 的重要一步。
練習題
嘗試獨立完成以下練習題，并通過答案進行對照：
-
Calculator類：- 定義一個
Calculator類。 - 定義一個實例方法
add(self, a, b)，返回a + b。 - 定義一個實例方法
subtract(self, a, b)，返回a - b。 - 定義一個靜態方法
multiply(a, b)，返回a * b。 - 定義一個靜態方法
divide(a, b)，返回a / b（注意除數為 0 的情況，可以簡單處理為打印錯誤信息并返回None）。 - 創建一個
Calculator對象，并分別調用所有方法進行計算。
- 定義一個
-
Product類（結合多種方法）：- 定義一個
Product類。 - 添加一個類屬性
next_id = 1，用于生成唯一的商品 ID。 - 在
__init__中，接收name和price。將next_id賦值給self.product_id，然后讓next_id遞增。 - 定義一個實例方法
get_display_price(self)，返回格式化后的價格字符串，例如"$19.99"。 - 定義一個類方法
from_csv_string(cls, csv_string)，它接收一個形如"Laptop,1200.50"的 CSV 字符串，然后解析它并返回一個新的Product實例。 - 定義一個靜態方法
is_valid_price(price)，檢查價格是否大于 0。 - 創建幾個
Product實例，包括使用from_csv_string創建的。測試所有方法。
- 定義一個
-
Logger類：- 定義一個
Logger類。 - 添加一個類屬性
log_file_path = "app.log"。 - 定義一個類方法
set_log_file(cls, path)，用于更改日志文件路徑。 - 定義一個靜態方法
_format_message(message)，用于給日志消息添加時間戳和級別（例如，"[2025-07-17 17:50:00] [INFO]: message"），這里時間部分可以簡化為time.time()或datetime.datetime.now().strftime(...)。 - 定義一個實例方法
log_info(self, message)，它接收一條消息，使用_format_message格式化后，追加到log_file_path指定的文件中。 - 創建一個
Logger實例。 - 記錄幾條信息。
- 更改日志文件路徑，并再次記錄信息，驗證是否寫入到新文件。
- 讀取日志文件內容并打印。
- 定義一個
練習題答案
1. Calculator 類：
# 1. Calculator 類
class Calculator:def add(self, a, b): # 實例方法"""返回兩個數的和。"""print(f"實例方法 add: {a} + {b} = {a + b}")return a + bdef subtract(self, a, b): # 實例方法"""返回兩個數的差。"""print(f"實例方法 subtract: {a} - {b} = {a - b}")return a - b@staticmethoddef multiply(a, b): # 靜態方法"""返回兩個數的乘積。"""print(f"靜態方法 multiply: {a} * {b} = {a * b}")return a * b@staticmethoddef divide(a, b): # 靜態方法"""返回兩個數的商，處理除數為0的情況。"""if b == 0:print("錯誤: 除數不能為零。")return Noneprint(f"靜態方法 divide: {a} / {b} = {a / b}")return a / b# 創建 Calculator 對象
calc = Calculator()# 調用實例方法
calc.add(10, 5)
calc.subtract(20, 7)# 調用靜態方法 (可以通過類名或實例名調用，推薦類名)
Calculator.multiply(4, 6)
calc.divide(10, 2)
Calculator.divide(10, 0)
輸出：
實例方法 add: 10 + 5 = 15
實例方法 subtract: 20 - 7 = 13
靜態方法 multiply: 4 * 6 = 24
靜態方法 divide: 10 / 2 = 5.0
錯誤: 除數不能為零。
2. Product 類（結合多種方法）：
# 2. Product 類 (結合多種方法)
class Product:next_id = 1 # 類屬性：用于生成唯一的商品 IDdef __init__(self, name, price):"""初始化 Product 對象。Args:name (str): 產品名稱。price (float): 產品價格。"""if not self.is_valid_price(price): # 可以在 __init__ 中調用靜態方法進行驗證raise ValueError("價格必須大于0。")self.product_id = Product.next_idProduct.next_id += 1 # 遞增類屬性self.name = nameself.price = priceprint(f"產品 '{self.name}' (ID: {self.product_id}) 創建成功。")def get_display_price(self): # 實例方法"""返回格式化后的價格字符串。"""return f"${self.price:.2f}"@classmethoddef from_csv_string(cls, csv_string): # 類方法：工廠方法"""從 'name,price' 格式的 CSV 字符串創建 Product 實例。Args:csv_string (str): 格式為 'name,price' 的 CSV 字符串。Returns:Product: 新創建的 Product 實例，如果格式錯誤或價格無效則返回 None。"""parts = csv_string.split(',')if len(parts) == 2:name = parts[0].strip()try:price = float(parts[1].strip())if cls.is_valid_price(price): # 在類方法中調用靜態方法進行驗證return cls(name, price) # 使用 cls() 來創建新的實例else:print(f"從 CSV 創建失敗: 價格 '{price}' 無效。")return Noneexcept ValueError:print(f"從 CSV 創建失敗: 價格 '{parts[1]}' 不是有效數字。")return Noneelse:print("從 CSV 創建失敗: 字符串格式不正確，應為 'name,price'。")return None@staticmethoddef is_valid_price(price): # 靜態方法"""檢查價格是否有效 (大于 0)。Args:price (float/int): 要檢查的價格。Returns:bool: 如果價格有效則返回 True，否則返回 False。"""return price > 0# 創建 Product 實例
p1 = Product("Laptop", 1200.50)
p2 = Product("Mouse", 25)print(f"產品 {p1.name} 的顯示價格: {p1.get_display_price()}")
print(f"產品 {p2.name} 的顯示價格: {p2.get_display_price()}")# 使用類方法創建實例
p3 = Product.from_csv_string("Keyboard,75.99")
if p3:print(f"產品 {p3.name} (ID: {p3.product_id}) 的顯示價格: {p3.get_display_price()}")p4 = Product.from_csv_string("Headphones,0") # 無效價格
p5 = Product.from_csv_string("Monitor,abc") # 無效格式
p6 = Product.from_csv_string("Webcam") # 格式錯誤# 再次查看類屬性 next_id
print(f"下一個產品 ID 將是: {Product.next_id}")
輸出：
產品 'Laptop' (ID: 1) 創建成功。
產品 'Mouse' (ID: 2) 創建成功。
產品 Laptop 的顯示價格: $1200.50
產品 Mouse 的顯示價格: $25.00
產品 'Keyboard' (ID: 3) 創建成功。
產品 Keyboard (ID: 3) 的顯示價格: $75.99
從 CSV 創建失敗: 價格 '0.0' 無效。
從 CSV 創建失敗: 價格 'abc' 不是有效數字。
從 CSV 創建失敗: 字符串格式不正確，應為 'name,price'。
下一個產品 ID 將是: 4
3. Logger 類：
# 3. Logger 類
import datetime
import os # 用于檢查文件是否存在class Logger:log_file_path = "app.log" # 類屬性：默認日志文件路徑@classmethoddef set_log_file(cls, path): # 類方法"""設置日志文件路徑。"""cls.log_file_path = pathprint(f"日志文件路徑已更改為: {cls.log_file_path}")@staticmethoddef _format_message(message, level="INFO"): # 靜態方法"""格式化日志消息，添加時間戳和級別。Args:message (str): 原始日志消息。level (str, optional): 日志級別。默認為 "INFO"。Returns:str: 格式化后的日志消息。"""timestamp = datetime.datetime.now().strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S")return f"[{timestamp}] [{level.upper()}]: {message}"def log_info(self, message): # 實例方法"""將 INFO 級別的消息寫入日志文件。"""formatted_message = self._format_message(message, level="INFO") # 調用靜態方法try:# 使用類屬性 log_file_pathwith open(Logger.log_file_path, 'a', encoding='utf-8') as f:f.write(formatted_message + "\n")print(f"日志記錄成功: '{message}' -> '{Logger.log_file_path}'")except IOError as e:print(f"日志寫入失敗到 '{Logger.log_file_path}': {e}")def log_error(self, message): # 另一個實例方法，演示不同級別"""將 ERROR 級別的消息寫入日志文件。"""formatted_message = self._format_message(message, level="ERROR")try:with open(Logger.log_file_path, 'a', encoding='utf-8') as f:f.write(formatted_message + "\n")print(f"錯誤日志記錄成功: '{message}' -> '{Logger.log_file_path}'")except IOError as e:print(f"錯誤日志寫入失敗到 '{Logger.log_file_path}': {e}")# 清理舊的日志文件（如果存在）
if os.path.exists("app.log"):os.remove("app.log")
if os.path.exists("debug.log"):os.remove("debug.log")# 創建 Logger 實例
my_logger = Logger()# 記錄幾條信息
my_logger.log_info("應用程序啟動。")
my_logger.log_info("用戶 'admin' 登錄成功。")
my_logger.log_error("數據庫連接失敗。")# 更改日志文件路徑 (通過類方法)
Logger.set_log_file("debug.log")# 再次記錄信息，驗證是否寫入到新文件
my_logger.log_info("正在進行調試操作...")
my_logger.log_error("發現一個嚴重 bug。")# 讀取并打印 app.log 的內容
print("\n--- app.log 內容 ---")
try:with open("app.log", 'r', encoding='utf-8') as f:print(f.read())
except FileNotFoundError:print("app.log 文件不存在。")# 讀取并打印 debug.log 的內容
print("\n--- debug.log 內容 ---")
try:with open("debug.log", 'r', encoding='utf-8') as f:print(f.read())
except FileNotFoundError:print("debug.log 文件不存在。")輸出（日期和時間會根據你運行的實際時間有所不同）：
日志記錄成功: '應用程序啟動。' -> 'app.log'
日志記錄成功: '用戶 'admin' 登錄成功。' -> 'app.log'
錯誤日志記錄成功: '數據庫連接失敗。' -> 'app.log'
日志文件路徑已更改為: debug.log
日志記錄成功: '正在進行調試操作...' -> 'debug.log'
錯誤日志記錄成功: '發現一個嚴重 bug。' -> 'debug.log'--- app.log 內容 ---
[2025-07-17 17:50:18] [INFO]: 應用程序啟動。
[2025-07-17 17:50:18] [INFO]: 用戶 'admin' 登錄成功。
[2025-07-17 17:50:18] [ERROR]: 數據庫連接失敗。--- debug.log 內容 ---
[2025-07-17 17:50:18] [INFO]: 正在進行調試操作...
[2025-07-17 17:50:18] [ERROR]: 發現一個嚴重 bug。
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