Python 类和对象:详细讲解
前言
在编程中,类和对象是面向对象编程(OOP)的核心概念。Python 是一门支持面向对象编程的语言,这意味着你可以使用类和对象来组织代码,使其更加模块化、可维护和可扩展。
9. 方法重写(Method Overriding)
方法重写是在子类中定义与父类中同名的方法,以覆盖或扩展父类的行为。通过方法重写,子类可以改变或定制从父类继承的方法的功能。
9.1 为什么需要方法重写?
在继承中,子类会继承父类的所有方法和属性。然而,有时你可能希望子类的某些方法与父类的方法表现不同。这时,你就可以在子类中重写这些方法。
9.2 方法重写的基本示例
我们来定义一个基本的 Car
类,然后在子类 ElectricCar
中重写它的方法。
class Car: def __init__(self, brand, color): self.brand = brand self.color = color self.speed = 0 def start(self): self.speed = 10 print(f"The {self.color} {self.brand} car is starting at {self.speed} km/h.") def stop(self): self.speed = 0 print(f"The {self.color} {self.brand} car is stopping.") # 定义一个 ElectricCar 类,继承自 Car 类 class ElectricCar(Car): def __init__(self, brand, color, battery_capacity): super().__init__(brand, color) # 调用父类的构造函数初始化 brand 和 color self.battery_capacity = battery_capacity def start(self): # 重写 start 方法,让电动汽车以不同的方式启动 self.speed = 20 # 电动汽车启动时速度更快 print(f"The {self.color} {self.brand} electric car is silently starting at {self.speed} km/h with {self.battery_capacity} kWh capacity.") def charge(self): print(f"The {self.color} {self.brand} electric car is charging with {self.battery_capacity} kWh capacity.") # 创建 ElectricCar 对象并使用它 electric_car = ElectricCar("Tesla", "White", 85) electric_car.start() # 输出: The White Tesla electric car is silently starting at 20 km/h with 85 kWh capacity. electric_car.stop() # 输出: The White Tesla car is stopping. electric_car.charge() # 输出: The White Tesla electric car is charging with 85 kWh capacity.
9.3 代码详解
- 父类
Car
的方法:Car
类定义了start
和stop
方法。start
方法设置初始速度为 10 km/h,stop
方法将速度设为 0。
子类 ElectricCar
的方法重写:
ElectricCar
继承了Car
的所有属性和方法。ElectricCar
重写了start
方法,使其启动速度为 20 km/h,并增加了电池容量的输出。super().__init__(brand, color)
调用了父类的构造函数,以确保brand
和color
属性被正确初始化。
10. 多继承(Multiple Inheritance)
多继承是指一个类可以同时继承多个父类的特性。Python 支持多继承,但使用时需要注意可能的复杂性,尤其是在多个父类中有相同方法的情况下。
10.1 多继承的概念
多继承允许一个子类同时从多个父类中继承方法和属性。这种特性非常强大,但也可能带来复杂的依赖关系。
10.2 多继承的示例
创建两个父类 Vehicle
和 Electric
,然后定义一个子类 ElectricCar
,它同时继承自这两个父类。
class Vehicle: def __init__(self, brand): self.brand = brand def start(self): print(f"The {self.brand} vehicle is starting.") class Electric: def __init__(self, battery_capacity): self.battery_capacity = battery_capacity def charge(self): print(f"Charging with {self.battery_capacity} kWh battery capacity.") # ElectricCar 继承了 Vehicle 和 Electric class ElectricCar(Vehicle, Electric): def __init__(self, brand, color, battery_capacity): Vehicle.__init__(self, brand) # 初始化 Vehicle 类的属性 Electric.__init__(self, battery_capacity) # 初始化 Electric 类的属性 self.color = color def start(self): print(f"The {self.color} {self.brand} electric car is silently starting with {self.battery_capacity} kWh battery.") # 使用 ElectricCar 类 electric_car = ElectricCar("Tesla", "White", 85) electric_car.start() # 输出: The White Tesla electric car is silently starting with 85 kWh battery. electric_car.charge() # 输出: Charging with 85 kWh battery capacity.
10.3 代码详解
Vehicle
和Electric
父类:这两个类分别提供brand
和battery_capacity
属性,并各自定义了start
和charge
方法。
ElectricCar
的多继承:
ElectricCar
同时继承了Vehicle
和Electric
的属性和方法。- 通过在
__init__
方法中分别调用Vehicle.__init__(self, brand)
和
Electric.__init__(self, battery_capacity)
来初始化父类的属性。ElectricCar
中的start
方法重写了Vehicle
类的start
方法,以自定义启动行为。
10.4 方法解析顺序(MRO)
当使用多继承时,Python 会根据方法解析顺序(MRO)来决定调用哪个父类的方法。MRO 是 Python 确定方法调用顺序的规则。
- 查看 MRO:
- 你可以通过
ClassName.mro()
方法查看一个类的 MRO。
例如:
print(ElectricCar.mro())
这将输出:
[<class '__main__.ElectricCar'>, <class '__main__.Vehicle'>, <class '__main__.Electric'>, <class 'object'>]
- MRO 解析顺序:Python 会从左到右、从上到下地查找方法。在本例中,
ElectricCar
先查找自身,然后是Vehicle
,接着是Electric
,最后是 Python 所有类的基类object
。
11. 类的组合(Composition)
类的组合是指一个类可以包含其他类的实例作为属性,从而创建更复杂的对象。与继承相比,组合更灵活,因为它不涉及继承链的复杂性。
11.1 什么是类的组合?
类的组合通过在一个类中包含另一个类的实例,来实现功能模块化。这种方法使得类的职责更加明确,也让代码更加易于维护。
11.2 类的组合的示例
让我们定义一个 Battery
类,并将其组合到 ElectricCar
中。
class Battery: def __init__(self, capacity): self.capacity = capacity def charge(self): print(f"Charging the battery with {self.capacity} kWh capacity.") class ElectricCar: def __init__(self, brand, color, battery_capacity): self.brand = brand self.color = color self.battery = Battery(battery_capacity) # 组合 Battery 类 def start(self): print(f"The {self.color} {self.brand} electric car is starting.") def charge(self): self.battery.charge() # 调用 Battery 类的 charge 方法 # 使用 ElectricCar 类 electric_car = ElectricCar("Tesla", "White", 85) electric_car.start() # 输出: The White Tesla electric car is starting. electric_car.charge() # 输出: Charging the battery with 85 kWh capacity.
11.3 代码详解
- Battery 类:
Battery
类代表电动汽车的电池。它有一个charge
方法来模拟充电。 - ElectricCar 的组合:
ElectricCar
类拥有一个Battery
类的实例,作为其battery
属性。
- 当调用
electric_car.charge()
时,实际是调用Battery
类的charge
方法。
11.4 组合与继承的对比
- 继承:用于创建一个“是一个”关系的类结构,例如
ElectricCar
是一个Car
。
- 组合:用于创建一个“有一个”关系的类结构,例如
ElectricCar
有一个Battery
。
组合通常比继承更灵活,因为你可以在不改变类继承层次的情况下,动态地更改组合类的行为。
12. 总结3
在本次学习中,你已经掌握了以下关键概念:
- 方法重写:通过在子类中定义与父类同名的方法,你可以重写父类的方法,从而定制子类的行为。重写方法时,子类的方法会覆盖父类的同名方法,这是实现多态性的重要方式。
- 多继承:Python 支持一个类同时继承多个父类的属性和方法。多继承虽然强大,但使用时需要注意方法解析顺序(MRO)和潜在的复杂性。通过多继承,你可以复用多个类的功能,从而创建功能更加丰富的子类。
- 类的组合:通过在一个类中包含其他类的实例,你可以创建复杂的对象结构。这种方法比多继承更加灵活且易于维护,因为它不涉及复杂的继承关系。组合强调对象之间的协作,而不是继承层次中的耦合。
13.方法解析顺序(MRO)
在多继承中,方法解析顺序(MRO)是 Python 用来确定类层次结构中的方法调用顺序的机制。理解 MRO 对于有效使用多继承和调试复杂的类层次结构非常重要。
13.1 MRO 的基本概念
MRO 决定了当你调用一个方法时,Python 如何查找该方法的定义。MRO 是通过一种称为 C3 线性化的算法来计算的,该算法确保了类层次结构中的一致性和方法解析的确定性。
13.2 查看 MRO
你可以使用类的 mro()
方法或 __mro__
属性来查看一个类的 MRO。
例如:
class A: pass class B(A): pass class C(A): pass class D(B, C): pass print(D.mro())
输出将显示 D
类的 MRO:
[<class '__main__.D'>, <class '__main__.B'>, <class '__main__.C'>, <class '__main__.A'>, <class 'object'>]
13.3 复杂继承结构中的 MRO
当类层次结构变得复杂时,MRO 可以帮助你理解方法调用的顺序。例如,如果 D
类继承了 B
和 C
,而 B
和 C
又都继承自 A
,MRO 可以告诉你调用 D
的方法时,Python 是如何在 B
、C
和 A
之间选择方法的。
通过了解 MRO,你可以避免潜在的方法冲突,并确保你的代码在多继承情况下能够按照预期工作。
14. 抽象类和接口
在面向对象编程中,抽象类和接口用于定义类的框架和通用行为,确保子类实现这些行为。
14.1 什么是抽象类?
抽象类是一种不能被实例化的类,它通常用于定义子类必须实现的方法。抽象类提供了一个模板,让你可以确保所有子类都具有某些共同的行为。
14.2 Python 中的抽象类
在 Python 中,你可以使用 abc
模块中的 ABC
和 abstractmethod
来定义抽象类和抽象方法。
例如:
from abc import ABC, abstractmethod class Animal(ABC): @abstractmethod def sound(self): pass class Dog(Animal): def sound(self): return "Woof!" class Cat(Animal): def sound(self): return "Meow!"
在这个例子中,Animal
是一个抽象类,它定义了一个抽象方法 sound
。任何继承 Animal
的子类都必须实现 sound
方法,否则会引发错误。
14.3 抽象类的用途
- 统一接口:抽象类强制子类实现某些方法,从而确保所有子类有统一的接口。
- 代码复用:抽象类可以包含具体的方法实现,这些方法可以被子类继承和复用。
- 增强代码的可维护性:通过抽象类,你可以更容易地理解和维护子类之间的关系和行为。
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