Python 編程B18：OOP（一）

第十一章面向對象編程基礎

Python 是一種典型的面向對象編程語言（OOP, Object-Oriented Programming）。從數據到函數，再到對象，是程序設計思想的自然演進的結果。

在面向對象編程中，我們不再僅僅編寫函數處理數據，而是讓“對象”同時擁有屬性（數據）與方法（行為），使程序組織更加清晰、可復用、可擴展。

學習目標：

（1）理解類與對象的基本概念與關系。

（2）掌握類的定義、實例化、屬性與方法的使用。

（3）理解封裝機制與信息隱藏的意義。

（4）了解繼承與方法重寫的基本思想。

（5）理解多態與抽象類的設計動機。

（6）能編寫簡單的面向對象程序，如學生管理、圖形建模或 AI 模型結構原型等。

11.1 面向對象編程概論

隨著程序規模擴大，僅依靠變量、函數和基本數據結構（列表、字典等）難以管理復雜邏輯。OOP 提供了一種更高層次的建模方式，使我們能夠用“類”來描述事物，用“對象”來表達實際存在。

對象具有兩類基本特征：

? 屬性（Attributes）：描述是什么或擁有什么。

? 方法（Methods）：描述對象能做什么或如何行動。

在 OOP 中，我們關注的不僅是數據本身，更關注對象的職責與行為。

OOP 的四大核心特性：

? 抽象（Abstraction）

關注“做什么”，而非“怎么做”。屏蔽內部實現，只暴露必要接口。

? 封裝（Encapsulation）

將數據與操作數據的方法打包為整體，封裝是實現抽象的重要手段，可使得對象成為可復用、可維護的模塊。

? 繼承（Inheritance）

代碼復用與層次化建模，通用的共性行為可抽象到基類，具體差異由子類實現。

? 多態（Polymorphism）

同一接口，不同實現。同一操作作用于不同類型的對象時，能夠自動觸發適合該類型的具體行為。

OOP 通過抽象、封裝、繼承與多態四大特性，將復雜系統分解為可理解、可復用、可擴展的模塊，提升代碼的結構性與可維護性。

掌握 OOP 意味著擁有拆解大型問題、構建長期價值系統的核心能力，是現代軟件工程的核心思維方式。

11.2 類與對象

11.2.1 類與對象的基本概念

類（Class）：對某類事物的抽象描述，是對象的“模板”。

對象（Object / Instance）：類的具體存在，是實際可用的實體。

例如：

類：Student

對象：某個具體學生，如“艾婉婷”

Python “一切皆對象”，數值、字符串、函數、模塊甚至類本身，都是對象。

示例：

# 輸出：汪汪！

11.2.1.1類的定義

類通過 class 關鍵字定義：

    # 類體內容：類變量、實例變量以及方法等定義語句

類名推薦使用“大寫開頭的駝峰命名法”，如 Student、Teacher、AIModel 等。

類體不能為空。如果在定義類時，尚未設計好類的屬性和方法，可使用 pass 占位：

    pass

11.2.1.2實例化與初始化方法

利用定義好的類創建對象的過程稱為“實例化”：

變量名 = 類名(參數列表)

括號中的參數會傳遞給類的初始化方法 __init__()。

要注意的是：

? __init__ 是初始化方法（initializer），在對象創建后運行，用于設置實例狀態；

? 真正的構造（allocation）由 __new__ 完成，通常不需要重寫除非進行自定義內存分配或不可變類型初始化。

示例：

# 輸出：艾婉婷 的成績是 95 分。

不是關鍵字，而是約定俗成的命名，表示當前實例，會由 Python 自動傳入，用于訪問實例的屬性與方法。

11.2.2 實例屬性與類屬性

類的屬性可分為兩類：類屬性和實例屬性。

11.2.2.1類屬性

類屬性是在類體中直接定義的變量，位于類的頂層作用域內。

比如：

    shared = []

類屬性屬于類本身，所有該類的實例共享同一份數據。

（1）可以通過 類名.類屬性名 直接訪問或修改類屬性。

（2）若通過 實例.類屬性名 = 值 形式賦值，并不會修改類屬性，而是在該實例上創建一個同名的實例屬性，從而“屏蔽”掉類屬性。

（3）若類屬性是可變對象（如 list、dict 等），所有實例共享同一個對象。若某一實例中修改該可變對象會影響所有實例。

示例（警示）：

print(x2.shared)  # 會看到 [1]

若需每個實例有獨立的可變數據，應在 __init__() 中創建實例屬性。

11.2.2.2實例屬性

實例屬性通常在初始化方法 __init__() 中定義。

 

  = 
<值>
   

實例屬性用于描述實例的個性化數據，每個實例都有自己獨立的副本。

（1）可以通過 實例.屬性名 訪問屬性。

（2）當通過 實例.屬性名 = 值 進行賦值時，若該實例屬性已存在則修改，若不存在則動態創建新的實例屬性（即使存在同名的類屬性）。

示例：

print(Robot.category)         # 輸出: AI (類屬性本身不變)

11.2.2.3 屬性查找順序

屬性查找的順序是：

實例屬性 → 類屬性 → 基類（按 MRO 順序）→ object

若使用多重繼承，基類的查找順序由類的 MRO（Method Resolution Order，方法解析順序） 決定。

11.2.3 實例方法、類方法與靜態方法

類中的方法類型與第一個參數有關。

11.2.3.1實例方法

實例方法至少包含一個參數，通常命名為 self，指向調用該方法的實例。

    # self 指向實例本身

實例方法通常通過對象實例調用，例如 obj.method()。主要用于操作對象的狀態。

示例：

print(c1.count)

實例方法也可以通過類來調用，但需要顯式傳入實例，比如：

Counter.increment(c1) 

這在調試或元編程中偶爾有用，但不推薦在常規代碼中使用。

11.2.3.2類方法

類方法使用 @classmethod 裝飾，其第一個參數通常命名為 cls，指向類對象本身。

    # cls 指向類對象本身

類方法是作用于類本身而非具體實例的方法。通過 cls，類方法可以訪問和修改類屬性，也可以調用其他類方法。

類方法既可以通過類名調用，也可以通過實例調用。后者會將類作為第一個參數自動傳入，但語義上應通過類調用以體現“操作類”的意圖。

示例：

Counter.show_total()  # 當前計數器數量：5

類方法常用于操作類級狀態、實現備用構造器或工廠方法。

p = Person.from_string("艾婉婷,18")

11.2.3.3靜態方法

靜態方法使用 @staticmethod 裝飾，既沒有 self 也沒有 cls 參數，本質上是一個與類邏輯相關聯的普通函數。

    ...

靜態方法既可以通過類名直接調用，也可以通過實例調用，但其行為與調用者無關。

示例：

print(mytool.add(5,3))      # 通過實例調用

靜態方法通常用于工具函數或與類概念相關但不訪問類/實例狀態的操作。

11.2.4 魔術方法

（Special/Magic Methods）以雙下劃線 __ 包圍，例如 __init__ 初始化、__str__ 字符串顯示、__eq__ 比較運算、__len__ 長度、__add__ 加法、__iter__ 迭代支持，等等。

通過實現這些方法，自定義對象可像內建類型一樣被操作與組合。

示例：

print(p1 == p2)    # 調用 __eq__()

輸出：

True

魔術方法支持運算符重載、屬性訪問、迭代和上下文管理等 Python 操作語義下的行為。

11.2.5 類與對象綜合示例與應用

例 11.2.1：溫度轉換器類

項目描述：設計一個類，實現攝氏度與華氏度之間的轉換功能。

t.show()

輸出：

36.5°C = 97.7°F

該示例演示了如何在類中定義屬性與方法，讓對象自身具備轉換能力。

例 11.2.2：AI 模型類

項目描述：定義一個 AIModel 類，用于表示人工智能模型的基本信息與推理行為。

model.predict("[圖片數據...]")

輸出：

[ImageNetClassifier v1.2] 正在處理輸入數據：[圖片數據...]

通過類的封裝，可以方便地管理 AI 模型的元數據與方法接口，這是 AI 系統中最常見的對象化設計模式之一。

例 11.2.3：任務執行計數器

項目描述：實現一個計數器類，用于統計任務的執行次數。

TaskCounter.show_total()

輸出：

已執行任務總數：2

此例展示了類屬性與類方法的結合使用，非常適合在批量任務調度或日志統計中使用。

小結

本次課介紹了面向對象編程的基本思想與關鍵構成要素。類是對事物的抽象描述，對象是類的實例。通過 __init__ 方法可初始化實例，通過實例屬性與類屬性區分“個體數據”和“共享數據”，通過實例方法、類方法與靜態方法實現不同的職責分工。魔術方法使類的行為更符合 Python 的對象協議。

類與對象為程序提供了新的抽象層，使我們能夠以“事物”的思維組織邏輯。

下一課將進一步探討封裝、繼承特性，使對象系統形成結構化、可復用的層次體系。

“點贊有美意，贊賞是鼓勵”