Python基礎教學之四：面向對象編程—

Python基礎教學之四：面向對象編程——邁向更高級編程

一、面向對象編程概念

1. 類和對象

定義：在面向對象編程(OOP)中，類是創建對象的模板，它定義了對象的屬性和方法。對象是類的實例，具體存在的實體，擁有狀態和行為。
關系：類與對象的關系類似于藍圖與房屋的關系。類描述了對象應具有的屬性和能夠執行的方法，而對象則是這些屬性和方法的具體實現。
作用域：類中定義的屬性和方法統稱為類的成員。這些成員有不同的訪問級別，如公開、私有等，決定了它們是否可以被類外部的代碼直接訪問。
方法：類中的方法代表對象的可執行行為。特殊方法（如__init__）有特定的功能，普通方法則執行對象的行為。
屬性：屬性是對象的狀態，可以是變量或可調用的對象。在類中，可以定義實例屬性和類屬性，分別屬于對象和類本身。
self：在類的方法中，第一個參數通常是self，指代調用該方法的對象本身。通過self可以訪問對象的屬性和其他方法。

2. 繼承

概念：繼承是OOP的一個核心機制，允許新的類從現有的類繼承屬性和方法，促進代碼重用和邏輯清晰。
父類與子類：在繼承關系中，被繼承的類稱為父類（基類），繼承其他類的類稱為子類（派生類）。子類繼承了父類的特征并可以擴展或覆蓋它們。
重寫與擴展：子類可以重寫繼承的方法，以修改或擴展其功能。也可以通過super()函數調用父類的方法，在此基礎上添加額外的邏輯。
多層繼承：Python支持多層繼承，即一個類可以繼承多個父類。這增加了靈活性，但也增加了復雜性。
接口繼承與實現繼承：在接口繼承中，子類只繼承方法的簽名而不包括實現，實現繼承則是子類繼承方法的具體實現。
菱形繼承問題：當子類從多個父類繼承時，可能出現祖父類的方法被調用多次的問題，這需要通過合適的繼承結構來解決。
抽象類與接口：抽象類和接口是特殊的類，它們定義了一組方法，但本身不提供實現。子類必須實現這些方法才能成為具體的類。

3. 封裝

原理：封裝是將數據和操作數據的方法組織在一起的過程，隱藏內部實現細節，只暴露必要的接口給外部。
作用：封裝減少了類和模塊之間的依賴，提高了代碼的可讀性和易維護性。
訪問控制：Python沒有嚴格的訪問控制機制，但通過命名約定（如使用下劃線前綴）來標識私有成員，限制直接訪問。
getter和setter：使用getter和setter方法來讀取和修改屬性值，可以在方法中加入邏輯驗證，保證數據的有效性和完整性。Getter and Setter in Python - GeeksforGeeks
描述符：描述符是一種特殊的對象，可以實現屬性的getter和setter功能，用于高級屬性訪問控制。
屬性注解：Python允許使用注解來標記屬性的類型，雖然這不直接影響封裝，但有助于代碼的文檔化和類型檢查。
模塊化：封裝促進了代碼模塊化，使得各個模塊和類的職責單一，專注于完成特定任務，減少耦合。

二、類的創建和使用

1. 定義類

使用class關鍵字定義類，后跟類名和冒號。
類定義中包括屬性和方法。

class ClassName:<statement-1>...<statement-N>

2. 實例化對象

使用類名后跟括號來創建類的實例（對象）。
對象可訪問類中定義的屬性和方法。

#!/usr/bin/python3class Complex:def __init__(self, realpart, imagpart):self.r = realpartself.i = imagpart
x = Complex(3.0, -4.5)
print(x.r, x.i)   # 輸出結果：3.0 -4.5

3. 構造方法`init`

__init__方法用于初始化新創建的對象。
當創建對象時自動調用，可設置初始屬性值。

三、繼承和多態

1. 繼承的實現

通過在類定義時指定父類來實現繼承。
子類可以繼承父類的屬性和方法。

class DerivedClassName(BaseClassName):<statement-1>...<statement-N>

2. 多態的概念

????????多態是面向對象編程中一個重要的概念，它描述了一個函數或方法能夠對不同類型參數進行操作的能力。這種能力使得程序更加靈活和可擴展，因為它允許相同的接口可以用于不同的數據類型。

多態指不同對象對同一方法的不同實現。
子類可以覆蓋或擴展父類的方法。

3. 重寫方法

在子類中重新定義父類的方法，以改變其行為。
使用super()函數調用父類的方法。

#!/usr/bin/python3class Parent:        # 定義父類def myMethod(self):print ('調用父類方法')class Child(Parent): # 定義子類def myMethod(self):print ('調用子類方法')c = Child()          # 子類實例
c.myMethod()         # 子類調用重寫方法
super(Child,c).myMethod() #用子類對象調用父類已被覆蓋的方法

四、實戰演示：設計面向對象程序

1. 模擬現實世界問題

以設計一個圖書館管理系統為例，展示如何抽象出類和對象。
創建Book、Member、Librarian等類。

2. 利用OOP特性解決問題

使用繼承創建Novel和Textbook類，它們都繼承自Book類。
實現多態，如不同類型的書籍有不同的借閱規則。

3. 設計用戶界面

演示如何為圖書館系統設計簡單的文本界面。
通過創建LibrarySystem類，管理圖書和會員的交互。

class LibrarySystem:def __init__(self):self.books = {}  # key: book_id, value: book_titleself.members = {}  # key: member_id, value: member_nameself.borrowed_books = {}  # key: member_id, value: list of borrowed book_idsdef add_book(self, book_id, book_title):if book_id in self.books:print(f"Book '{book_title}' with ID {book_id} already exists.")else:self.books[book_id] = book_titleprint(f"Book '{book_title}' has been added with ID {book_id}.")def register_member(self, member_id, member_name):if member_id in self.members:print(f"Member '{member_name}' with ID {member_id} already registered.")else:self.members[member_id] = member_nameself.borrowed_books[member_id] = []print(f"Member '{member_name}' has been registered with ID {member_id}.")def borrow_book(self, member_id, book_id):if book_id not in self.books:print(f"Book with ID {book_id} does not exist.")elif member_id not in self.members:print(f"Member with ID {member_id} is not registered.")elif book_id in self.borrowed_books[member_id]:print(f"Member '{self.members[member_id]}' has already borrowed the book '{self.books[book_id]}' with ID {book_id}.")else:self.borrowed_books[member_id].append(book_id)print(f"Member '{self.members[member_id]}' has borrowed the book '{self.books[book_id]}' with ID {book_id}.")def return_book(self, member_id, book_id):if book_id not in self.books:print(f"Book with ID {book_id} does not exist.")elif member_id not in self.members:print(f"Member with ID {member_id} is not registered.")elif book_id not in self.borrowed_books[member_id]:print(f"Member '{self.members[member_id]}' did not borrow the book '{self.books[book_id]}' with ID {book_id}.")else:self.borrowed_books[member_id].remove(book_id)print(f"Member '{self.members[member_id]}' has returned the book '{self.books[book_id]}' with ID {book_id}.")def run(self):while True:print("\nWelcome to the Library System")print("1. Add a book")print("2. Register a member")print("3. Borrow a book")print("4. Return a book")print("5. Exit")choice = input("Enter your choice: ")if choice == "1":book_id = input("Enter book ID: ")book_title = input("Enter book title: ")self.add_book(book_id, book_title)elif choice == "2":member_id = input("Enter member ID: ")member_name = input("Enter member name: ")self.register_member(member_id, member_name)elif choice == "3":member_id = input("Enter member ID: ")book_id = input("Enter book ID: ")self.borrow_book(member_id, book_id)elif choice == "4":member_id = input("Enter member ID: ")book_id = input("Enter book ID: ")self.return_book(member_id, book_id)elif choice == "5":print("Exiting the Library System.")breakelse:print("Invalid choice. Please enter a number between 1 and 5.")# Create an instance of LibrarySystem and run it
library_system = LibrarySystem()
library_system.run()