Python基础教学之四：面向对象编程——迈向更高级编程

一、面向对象编程概念

1. 类和对象

定义：在面向对象编程(OOP)中，类是创建对象的模板，它定义了对象的属性和方法。对象是类的实例，具体存在的实体，拥有状态和行为。
关系：类与对象的关系类似于蓝图与房屋的关系。类描述了对象应具有的属性和能够执行的方法，而对象则是这些属性和方法的具体实现。
作用域：类中定义的属性和方法统称为类的成员。这些成员有不同的访问级别，如公开、私有等，决定了它们是否可以被类外部的代码直接访问。
方法：类中的方法代表对象的可执行行为。特殊方法（如__init__）有特定的功能，普通方法则执行对象的行为。
属性：属性是对象的状态，可以是变量或可调用的对象。在类中，可以定义实例属性和类属性，分别属于对象和类本身。
self：在类的方法中，第一个参数通常是self，指代调用该方法的对象本身。通过self可以访问对象的属性和其他方法。

2. 继承

概念：继承是OOP的一个核心机制，允许新的类从现有的类继承属性和方法，促进代码重用和逻辑清晰。
父类与子类：在继承关系中，被继承的类称为父类（基类），继承其他类的类称为子类（派生类）。子类继承了父类的特征并可以扩展或覆盖它们。
重写与扩展：子类可以重写继承的方法，以修改或扩展其功能。也可以通过super()函数调用父类的方法，在此基础上添加额外的逻辑。
多层继承：Python支持多层继承，即一个类可以继承多个父类。这增加了灵活性，但也增加了复杂性。
接口继承与实现继承：在接口继承中，子类只继承方法的签名而不包括实现，实现继承则是子类继承方法的具体实现。
菱形继承问题：当子类从多个父类继承时，可能出现祖父类的方法被调用多次的问题，这需要通过合适的继承结构来解决。
抽象类与接口：抽象类和接口是特殊的类，它们定义了一组方法，但本身不提供实现。子类必须实现这些方法才能成为具体的类。

3. 封装

原理：封装是将数据和操作数据的方法组织在一起的过程，隐藏内部实现细节，只暴露必要的接口给外部。
作用：封装减少了类和模块之间的依赖，提高了代码的可读性和易维护性。
访问控制：Python没有严格的访问控制机制，但通过命名约定（如使用下划线前缀）来标识私有成员，限制直接访问。
getter和setter：使用getter和setter方法来读取和修改属性值，可以在方法中加入逻辑验证，保证数据的有效性和完整性。Getter and Setter in Python - GeeksforGeeks
描述符：描述符是一种特殊的对象，可以实现属性的getter和setter功能，用于高级属性访问控制。
属性注解：Python允许使用注解来标记属性的类型，虽然这不直接影响封装，但有助于代码的文档化和类型检查。
模块化：封装促进了代码模块化，使得各个模块和类的职责单一，专注于完成特定任务，减少耦合。

二、类的创建和使用

1. 定义类

使用class关键字定义类，后跟类名和冒号。
类定义中包括属性和方法。

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

2. 实例化对象

使用类名后跟括号来创建类的实例（对象）。
对象可访问类中定义的属性和方法。

#!/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)   # 输出结果：3.0 -4.5

3. 构造方法`init`

__init__方法用于初始化新创建的对象。
当创建对象时自动调用，可设置初始属性值。

三、继承和多态

1. 继承的实现

通过在类定义时指定父类来实现继承。
子类可以继承父类的属性和方法。

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

2. 多态的概念

多态是面向对象编程中一个重要的概念，它描述了一个函数或方法能够对不同类型参数进行操作的能力。这种能力使得程序更加灵活和可扩展，因为它允许相同的接口可以用于不同的数据类型。

多态指不同对象对同一方法的不同实现。
子类可以覆盖或扩展父类的方法。

3. 重写方法

在子类中重新定义父类的方法，以改变其行为。
使用super()函数调用父类的方法。

#!/usr/bin/python3class Parent:        # 定义父类def myMethod(self):print ('调用父类方法')class Child(Parent): # 定义子类def myMethod(self):print ('调用子类方法')c = Child()          # 子类实例
c.myMethod()         # 子类调用重写方法
super(Child,c).myMethod() #用子类对象调用父类已被覆盖的方法

四、实战演示：设计面向对象程序

1. 模拟现实世界问题

以设计一个图书馆管理系统为例，展示如何抽象出类和对象。
创建Book、Member、Librarian等类。

2. 利用OOP特性解决问题

使用继承创建Novel和Textbook类，它们都继承自Book类。
实现多态，如不同类型的书籍有不同的借阅规则。

3. 设计用户界面

演示如何为图书馆系统设计简单的文本界面。
通过创建LibrarySystem类，管理图书和会员的交互。

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()