Python 类基础

什么是面向对象编程？

面向对象编程(Object-Oriented Programming, OOP)是一种编程范式，它使用"对象"这一概念来组织和构建代码。在Python中，一切皆为对象 - 整数、字符串、函数，甚至是模块。面向对象编程的核心是类和对象。

• 类(Class) 是一个蓝图或模板，定义了对象的属性和行为。
• 对象(Object) 是类的实例，代表了现实世界中的实体。

提示

面向对象编程的四大特性：封装、继承、多态和抽象。在这篇教程中，我们将重点关注类的基础概念。

定义一个类

在Python中，我们使用class关键字来定义一个类：

python

class Dog:
    # 类变量
    species = "Canis familiaris"
    
    # 初始化方法
    def __init__(self, name, age):
        # 实例变量
        self.name = name
        self.age = age
    
    # 实例方法
    def bark(self):
        return "Woof!"
    
    def get_description(self):
        return f"{self.name} is {self.age} years old"

让我们分析这个类的组成部分：

1. 类定义：使用class关键字后跟类名和冒号。
2. 类变量：species是一个类变量，它在所有该类的实例之间共享。
3. 初始化方法：__init__是一个特殊方法，当创建类的新实例时自动调用。
4. 实例变量：self.name和self.age是实例变量，每个实例都有自己的副本。
5. 实例方法：bark()和get_description()是实例方法，可以访问和修改实例的状态。

创建类的实例

一旦定义了类，我们就可以创建该类的实例（对象）：

python

# 创建Dog类的两个实例
buddy = Dog("Buddy", 5)
miles = Dog("Miles", 3)

# 访问实例变量
print(buddy.name)  # 输出: Buddy
print(miles.age)   # 输出: 3

# 调用实例方法
print(buddy.bark())  # 输出: Woof!
print(miles.get_description())  # 输出: Miles is 3 years old

# 访问类变量
print(buddy.species)  # 输出: Canis familiaris
print(miles.species)  # 输出: Canis familiaris

理解self参数

在类的方法中，self是一个特殊参数，它指向调用该方法的实例。通过self，我们可以访问实例的属性和其他方法。

备注

self不是Python的关键字，你可以使用其他名称，但按照惯例，我们通常使用self。

python

class Circle:
    def __init__(self, radius):
        self.radius = radius
    
    def calculate_area(self):
        return 3.14 * self.radius * self.radius
    
    def calculate_circumference(self):
        return 2 * 3.14 * self.radius

# 创建Circle类的实例
my_circle = Circle(5)
print(f"Area: {my_circle.calculate_area()}")  # 输出: Area: 78.5
print(f"Circumference: {my_circle.calculate_circumference()}")  # 输出: Circumference: 31.4

类变量vs实例变量

• 类变量：属于类本身，在所有实例之间共享。
• 实例变量：属于类的特定实例，每个实例都有自己的副本。

python

class Student:
    # 类变量
    school = "Python Academy"
    
    def __init__(self, name, grade):
        # 实例变量
        self.name = name
        self.grade = grade

# 创建Student类的实例
alice = Student("Alice", 85)
bob = Student("Bob", 92)

print(alice.school)  # 输出: Python Academy
print(bob.school)    # 输出: Python Academy

# 修改类变量
Student.school = "Code University"

print(alice.school)  # 输出: Code University
print(bob.school)    # 输出: Code University

# 修改实例变量
alice.grade = 90

print(alice.grade)   # 输出: 90
print(bob.grade)     # 输出: 92 (bob的grade没有改变)

特殊方法（魔术方法）

Python类有许多特殊方法，它们以双下划线开头和结尾，例如__init__。这些方法允许类与Python的内置函数和操作符交互。

python

class Book:
    def __init__(self, title, author, pages):
        self.title = title
        self.author = author
        self.pages = pages
    
    # 定义对象的字符串表示
    def __str__(self):
        return f"{self.title} by {self.author}"
    
    # 定义对象的官方表示
    def __repr__(self):
        return f"Book('{self.title}', '{self.author}', {self.pages})"
    
    # 定义长度操作行为
    def __len__(self):
        return self.pages

# 创建Book类的实例
my_book = Book("Python Basics", "John Doe", 200)

print(my_book)       # 输出: Python Basics by John Doe
print(repr(my_book)) # 输出: Book('Python Basics', 'John Doe', 200)
print(len(my_book))  # 输出: 200

实际应用案例：银行账户系统

让我们创建一个简单的银行账户系统来展示类的实际应用：

python

class BankAccount:
    # 类变量
    interest_rate = 0.03
    
    def __init__(self, account_number, holder_name, balance=0):
        self.account_number = account_number
        self.holder_name = holder_name
        self.balance = balance
    
    def deposit(self, amount):
        if amount > 0:
            self.balance += amount
            return f"Deposited ${amount}. New balance: ${self.balance}"
        else:
            return "Deposit amount must be positive"
    
    def withdraw(self, amount):
        if 0 < amount <= self.balance:
            self.balance -= amount
            return f"Withdrew ${amount}. New balance: ${self.balance}"
        else:
            return "Invalid withdrawal amount or insufficient funds"
    
    def apply_interest(self):
        interest = self.balance * BankAccount.interest_rate
        self.balance += interest
        return f"Applied interest: ${interest:.2f}. New balance: ${self.balance:.2f}"
    
    def get_balance(self):
        return f"Current balance: ${self.balance}"


# 创建账户并执行操作
account1 = BankAccount("12345", "John Smith", 1000)
account2 = BankAccount("67890", "Jane Doe")

print(account1.get_balance())  # 输出: Current balance: $1000
print(account2.get_balance())  # 输出: Current balance: $0

print(account1.deposit(500))   # 输出: Deposited $500. New balance: $1500
print(account2.deposit(300))   # 输出: Deposited $300. New balance: $300

print(account1.withdraw(200))  # 输出: Withdrew $200. New balance: $1300
print(account2.withdraw(400))  # 输出: Invalid withdrawal amount or insufficient funds

print(account1.apply_interest())  # 输出: Applied interest: $39.00. New balance: $1339.00

在这个例子中：

• BankAccount类模拟了银行账户的基本功能
• 类变量interest_rate表示所有账户共享的利率
• 实例方法如deposit()、withdraw()和apply_interest()实现了账户的基本操作
• 每个账户都是一个独立的实例，拥有自己的账号、持有人姓名和余额

总结

在本教程中，我们学习了：

1. 如何定义Python类和创建实例
2. 类变量和实例变量的区别
3. 实例方法的创建和使用
4. self参数的作用
5. 特殊方法（魔术方法）的基本用法
6. 通过银行账户系统的实例，展示了类在实际应用中的用处

类是Python面向对象编程的基础，掌握它们将帮助你组织代码并解决复杂问题。在后续教程中，我们将探索更高级的概念，如继承、多态和封装。

练习

为了巩固所学知识，尝试完成以下练习：

1. 创建一个Rectangle类，包含计算面积和周长的方法。
2. 扩展Student类，添加计算平均成绩的方法。
3. 创建一个Product类来模拟在线商店中的产品，包括名称、价格和库存等属性，以及购买和补货等方法。

提示

记住，面向对象编程是一种思维方式，需要通过实践来掌握。尝试识别现实问题中的对象，并将其建模为类！

附加资源

• Python官方文档 - 类
• Python官方文档 - 特殊方法名称