Python 程序设计 - 24. 类与对象

1. 引入

在 Python 中，类和对象是面向对象编程（OOP）的核心概念。通过类，我们可以创建具有特定属性和方法的对象。类提供了一个蓝图，定义了对象的行为，而对象则是类的具体实例。学习如何定义类以及如何创建和使用对象，是掌握 Python 编程的基础。

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2. 什么是类与对象？

类（Class）

类是一个模板，定义了对象的结构和行为。类中包含了属性和方法：

• 属性：对象的特征或数据。
• 方法：操作数据的函数，描述了对象的行为。

对象（Object）

对象是类的实例。通过类，我们可以创建多个对象，每个对象都有自己独立的属性。

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3. 创建类

在 Python 中，类是通过 class 关键字来定义的。类名通常采用大写字母开头的驼峰命名法。

语法：

class ClassName:
    # 类的属性和方法

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4. 类的构造方法 - __init__

__init__() 是一个特殊方法，它在创建对象时自动调用，用于初始化对象的属性。这个方法通常用来为对象赋初始值。

语法：

class ClassName:
    def __init__(self, 参数1, 参数2):
        self.属性1 = 参数1
        self.属性2 = 参数2

• self 是指向当前对象的引用，用来访问对象的属性和方法。
• 在 __init__() 中传入的参数用于初始化对象的属性。

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5. 创建对象

对象是通过类名加括号来创建的。当你创建一个对象时，类的 __init__() 方法会被自动调用，并传入相应的参数。

语法：

object_name = ClassName(参数1, 参数2)

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6. 示例代码：

下面通过一个简单的例子来展示如何创建类和对象。

示例：

# 定义一个类
class Dog:
    # 构造方法，初始化属性
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name  # 对象的名字
        self.age = age    # 对象的年龄

# 创建一个对象
dog1 = Dog("Buddy", 3)

# 访问对象的属性
print(dog1.name)  # 输出 Buddy
print(dog1.age)   # 输出 3

代码说明：

1. 定义类：定义了一个 Dog 类，其中包含 name 和 age 两个属性，表示狗的名字和年龄。
2. 构造方法：在 __init__() 中，初始化了 name 和 age 两个属性。
3. 创建对象：通过 dog1 = Dog("Buddy", 3) 创建了 Dog 类的一个对象 dog1，并传入 "Buddy" 和 3 作为参数。
4. 访问属性：通过 dog1.name 和 dog1.age 可以访问对象的属性，输出狗的名字和年龄。

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7. 总结

• 类是对象的蓝图，定义了对象的属性和方法。
• 对象是类的实例，通过类创建对象时，类的构造方法 __init__() 被自动调用。
• 使用类和对象，我们可以组织和管理程序中的数据与行为，使代码更加模块化和易于维护。

通过理解类和对象的概念，你将能够构建更加复杂和灵活的程序。

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8. 练习题

练习 1

定义一个 Book 类，包含 title 和 author 两个属性，并在 __init__() 方法中初始化这两个属性。创建一个 Book 对象，并输出它的 title 和 author。

练习 2

定义一个 Person 类，包含 name 和 age 两个属性，并定义一个 greet() 方法，打印出 "Hello, my name is {name}."。创建一个 Person 对象，调用 greet() 方法。

练习 3

创建一个 Car 类，包含 brand 和 year 属性，并在 __init__() 中初始化这两个属性。通过创建一个 Car 对象，输出该车的品牌和年份。

9. 深入理解类与对象的创建

虽然我们已经讲解了类的基本创建和对象的使用，但我们还可以进一步理解类与对象在 Python 中的其他细节和注意事项。下面我们将介绍一些实际应用中的技巧和注意事项，帮助你更好地掌握类与对象的创建和使用。

9.1 类的属性和方法

类中的属性和方法是对象的核心。我们通常将属性视为数据，将方法视为行为。通过类，我们可以组织和管理这些数据和行为。

实例属性与类属性

• 实例属性：每个对象都有自己独立的属性，通常在 __init__() 方法中定义。每次创建对象时，这些属性都会被初始化。
• 类属性：类属性是所有对象共享的属性，它们通过类来访问，而不是通过对象。

例子：

class Dog:
    # 类属性
    species = "Canis familiaris"  # 所有狗的共有属性

    def __init__(self, name, age):
        # 实例属性
        self.name = name
        self.age = age

# 创建两个对象
dog1 = Dog("Buddy", 3)
dog2 = Dog("Lucy", 2)

# 访问实例属性
print(dog1.name)  # 输出 Buddy
print(dog2.age)   # 输出 2

# 访问类属性
print(dog1.species)  # 输出 Canis familiaris
print(dog2.species)  # 输出 Canis familiaris

# 修改类属性
dog1.species = "Canis lupus"
print(dog1.species)  # 输出 Canis lupus
print(dog2.species)  # 输出 Canis familiaris (类属性没有改变)

代码说明：

• species 是类属性，所有对象共享这个属性。
• name 和 age 是实例属性，每个对象都有自己独立的这些属性。
• 通过 dog1.species 访问类属性，发现修改 dog1 的 species 属性并不会影响 dog2。

9.2 类方法和静态方法

• 类方法：类方法是与类绑定的方法，而不是与实例绑定。它们的第一个参数是 cls，表示类本身。使用 @classmethod 装饰器定义。
• 静态方法：静态方法不会访问类或实例的属性，它们与类无关，只是一个普通函数。使用 @staticmethod 装饰器定义。

例子：

class Dog:
    species = "Canis familiaris"  # 类属性

    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age

    # 类方法
    @classmethod
    def describe_species(cls):
        print(f"{cls.species} is a species of dog.")

    # 静态方法
    @staticmethod
    def common_action():
        print("All dogs love to play!")

# 创建对象
dog1 = Dog("Buddy", 3)

# 调用类方法
dog1.describe_species()  # 输出 Canis familiaris is a species of dog.

# 调用静态方法
dog1.common_action()  # 输出 All dogs love to play!

代码说明：

• describe_species() 是一个类方法，它可以访问类属性 species，并通过 cls 来引用类。
• common_action() 是一个静态方法，它没有访问任何类或实例的属性。

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10. 对象的销毁与垃圾回收

在 Python 中，垃圾回收机制会自动管理内存的分配和回收。当一个对象不再被引用时，它会被销毁。你可以通过 __del__() 方法来定义对象销毁时的行为。

例子：

class Dog:
    def __init__(self, name):
        self.name = name
        print(f"{self.name} has been created.")

    def __del__(self):
        print(f"{self.name} has been destroyed.")

# 创建对象
dog1 = Dog("Buddy")

# 删除对象
del dog1  # 输出 Buddy has been destroyed.

代码说明：

• 在 __del__() 方法中定义了对象销毁时的行为，输出销毁消息。
• 当 del dog1 被调用时，Python 会自动调用 __del__() 方法，释放资源。

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11. 总结

通过这节课的学习，你应该对类与对象的创建和使用有了更深入的了解。我们涵盖了以下几个要点：

1. 类与对象：类是对象的蓝图，定义了对象的属性和方法，创建对象时，类的构造方法 __init__() 会自动被调用。
2. 实例属性与类属性：实例属性是每个对象独有的，而类属性是所有对象共享的。
3. 类方法与静态方法：类方法与类相关，静态方法与类无关，可以通过类名直接调用。
4. 对象销毁：Python 会自动管理对象的生命周期，并通过 __del__() 方法在对象销毁时执行自定义操作。

通过理解和掌握这些概念，你可以更好地组织和管理 Python 中的代码，使程序更加模块化、易于维护和扩展。

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12. 练习题

练习 1

定义一个 Rectangle 类，包含 length 和 width 属性，并定义一个方法 area() 来计算矩形的面积。创建一个 Rectangle 对象并输出它的面积。

练习 2

定义一个 Person 类，包含 name 和 age 两个属性，并创建一个类方法 greet()，打印出 "Hello, my name is {name}, and I am {age} years old."。创建一个 Person 对象并调用 greet() 方法。

练习 3

创建一个 Book 类，包含 title 和 author 属性，并定义一个静态方法 is_valid()，判断给定的书名是否有效（是否包含空格）。创建一个 Book 对象，并调用 is_valid() 方法。

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通过这些练习，你将能够更好地理解类与对象的使用，并且能够在实际开发中熟练运用这些技巧。