進軍Python全棧開發--09.物件導向進階

物件導向進階

在前面的章節我們已經瞭解了物件導向的入門知識，知道瞭如何定義類，如何建立物件以及如何給物件發訊息。爲了能夠更好的使用物件導向程式設計思想進行程式開發，我們還需要對Python中的物件導向程式設計進行更爲深入的瞭解。

@property裝飾器

之前我們討論過Python中屬性和方法存取許可權的問題，雖然我們不建議將屬性設定爲私有的，但是如果直接將屬性暴露給外界也是有問題的，比如我們沒有辦法檢查賦給屬性的值是否有效。我們之前的建議是將屬性命名以單下劃線開頭，通過這種方式來暗示屬性是受保護的，不建議外界直接存取，那麼如果想存取屬性可以通過屬性的getter（存取器）和setter（修改器）方法進行對應的操作。如果要做到這點，就可以考慮使用@property包裝器來包裝getter和setter方法，使得對屬性的存取既安全又方便，程式碼如下所示。

class Person(object):

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

    # 存取器 - getter方法
    @property
    def name(self):
        return self._name

    # 存取器 - getter方法
    @property
    def age(self):
        return self._age

    # 修改器 - setter方法
    @age.setter
    def age(self, age):
        self._age = age

    def play(self):
        if self._age <= 16:
            print('%s正在玩飛行棋.' % self._name)
        else:
            print('%s正在玩鬥地主.' % self._name)


def main():
    person = Person('王大錘', 12)
    person.play()
    person.age = 22
    person.play()
    # person.name = '白元芳'  # AttributeError: can't set attribute


if __name__ == '__main__':
    main()

__slots__魔法

我們講到這裏，不知道大家是否已經意識到，Python是一門動態語言。通常，動態語言允許我們在程式執行時給物件系結新的屬性或方法，當然也可以對已經系結的屬性和方法進行解系結。但是如果我們需要限定自定義型別的物件只能系結某些屬性，可以通過在類中定義__slots__變數來進行限定。需要注意的是__slots__的限定只對當前類的物件生效，對子類並不起任何作用。

class Person(object):

    # 限定Person物件只能系結_name, _age和_gender屬性
    __slots__ = ('_name', '_age', '_gender')

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

    @property
    def name(self):
        return self._name

    @property
    def age(self):
        return self._age

    @age.setter
    def age(self, age):
        self._age = age

    def play(self):
        if self._age <= 16:
            print('%s正在玩飛行棋.' % self._name)
        else:
            print('%s正在玩鬥地主.' % self._name)


def main():
    person = Person('王大錘', 22)
    person.play()
    person._gender = '男'
    # AttributeError: 'Person' object has no attribute '_is_gay'
    # person._is_gay = True

靜態方法和類方法

之前，我們在類中定義的方法都是物件方法，也就是說這些方法都是發送給物件的訊息。實際上，我們寫在類中的方法並不需要都是物件方法，例如我們定義一個「三角形」類，通過傳入三條邊長來構造三角形，並提供計算周長和麪積的方法，但是傳入的三條邊長未必能構造出三角形物件，因此我們可以先寫一個方法來驗證三條邊長是否可以構成三角形，這個方法很顯然就不是物件方法，因爲在呼叫這個方法時三角形物件尚未建立出來（因爲都不知道三條邊能不能構成三角形），所以這個方法是屬於三角形類而並不屬於三角形物件的。我們可以使用靜態方法來解決這類問題，程式碼如下所示。

from math import sqrt


class Triangle(object):

    def __init__(self, a, b, c):
        self._a = a
        self._b = b
        self._c = c

    @staticmethod
    def is_valid(a, b, c):
        return a + b > c and b + c > a and a + c > b

    def perimeter(self):
        return self._a + self._b + self._c

    def area(self):
        half = self.perimeter() / 2
        return sqrt(half * (half - self._a) *
                    (half - self._b) * (half - self._c))


def main():
    a, b, c = 3, 4, 5
    # 靜態方法和類方法都是通過給類發訊息來呼叫的
    if Triangle.is_valid(a, b, c):
        t = Triangle(a, b, c)
        print(t.perimeter())
        # 也可以通過給類發訊息來呼叫物件方法但是要傳入接收訊息的物件作爲參數
        # print(Triangle.perimeter(t))
        print(t.area())
        # print(Triangle.area(t))
    else:
        print('無法構成三角形.')


if __name__ == '__main__':
    main()

和靜態方法比較類似，Python還可以在類中定義類方法，類方法的第一個參數約定名爲cls，它代表的是當前類相關的資訊的物件（類本身也是一個物件，有的地方也稱之爲類的元數據物件），通過這個參數我們可以獲取和類相關的資訊並且可以建立出類的物件，程式碼如下所示。

from time import time, localtime, sleep


class Clock(object):
    """數字時鐘"""

    def __init__(self, hour=0, minute=0, second=0):
        self._hour = hour
        self._minute = minute
        self._second = second

    @classmethod
    def now(cls):
        ctime = localtime(time())
        return cls(ctime.tm_hour, ctime.tm_min, ctime.tm_sec)

    def run(self):
        """走字"""
        self._second += 1
        if self._second == 60:
            self._second = 0
            self._minute += 1
            if self._minute == 60:
                self._minute = 0
                self._hour += 1
                if self._hour == 24:
                    self._hour = 0

    def show(self):
        """顯示時間"""
        return '%02d:%02d:%02d' % \
               (self._hour, self._minute, self._second)


def main():
    # 通過類方法建立物件並獲取系統時間
    clock = Clock.now()
    while True:
        print(clock.show())
        sleep(1)
        clock.run()


if __name__ == '__main__':
    main()

類之間的關係

簡單的說，類和類之間的關係有三種：is-a、has-a和use-a關係。

• is-a關係也叫繼承或泛化，比如學生和人的關係、手機和電子產品的關係都屬於繼承關係。
• has-a關係通常稱之爲關聯，比如部門和員工的關係，汽車和引擎的關係都屬於關聯關係；關聯關係如果是整體和部分的關聯，那麼我們稱之爲聚合關係；如果整體進一步負責了部分的生命週期（整體和部分是不可分割的，同時同在也同時消亡），那麼這種就是最強的關聯關係，我們稱之爲合成關係。
• use-a關係通常稱之爲依賴，比如司機有一個駕駛的行爲（方法），其中（的參數）使用到了汽車，那麼司機和汽車的關係就是依賴關係。

我們可以使用一種叫做UML（統一建模語言）的東西來進行物件導向建模，其中一項重要的工作就是把類和類之間的關係用標準化的圖形符號描述出來。關於UML我們在這裏不做詳細的介紹，有興趣的讀者可以自行閱讀繼承和多型

剛纔我們提到了，可以在已有類的基礎上建立新類，這其中的一種做法就是讓一個類從另一個類那裏將屬性和方法直接繼承下來，從而減少重複程式碼的編寫。提供繼承資訊的我們稱之爲父類別，也叫超類或基礎類別；得到繼承資訊的我們稱之爲子類，也叫派生類或衍生類。子類除了繼承父類別提供的屬性和方法，還可以定義自己特有的屬性和方法，所以子類比父類別擁有的更多的能力，在實際開發中，我們經常會用子類物件去替換掉一個父類別物件，這是物件導向程式設計中一個常見的行爲，對應的原則稱之爲裡氏替換原則。下面 下麪我們先看一個繼承的例子。

class Person(object):
    """人"""

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

    @property
    def name(self):
        return self._name

    @property
    def age(self):
        return self._age

    @age.setter
    def age(self, age):
        self._age = age

    def play(self):
        print('%s正在愉快的玩耍.' % self._name)

    def watch_av(self):
        if self._age >= 18:
            print('%s正在觀看愛情動作片.' % self._name)
        else:
            print('%s只能觀看《熊出沒》.' % self._name)


class Student(Person):
    """學生"""

    def __init__(self, name, age, grade):
        super().__init__(name, age)
        self._grade = grade

    @property
    def grade(self):
        return self._grade

    @grade.setter
    def grade(self, grade):
        self._grade = grade

    def study(self, course):
        print('%s的%s正在學習%s.' % (self._grade, self._name, course))


class Teacher(Person):
    """老師"""

    def __init__(self, name, age, title):
        super().__init__(name, age)
        self._title = title

    @property
    def title(self):
        return self._title

    @title.setter
    def title(self, title):
        self._title = title

    def teach(self, course):
        print('%s%s正在講%s.' % (self._name, self._title, course))


def main():
    stu = Student('王大錘', 15, '初三')
    stu.study('數學')
    stu.watch_av()
    t = Teacher('駱昊', 38, '磚家')
    t.teach('Python程式設計')
    t.watch_av()


if __name__ == '__main__':
    main()

子類在繼承了父類別的方法後，可以對父類別已有的方法給出新的實現版本，這個動作稱之爲方法重寫（override）。通過方法重寫我們可以讓父類別的同一個行爲在子類中擁有不同的實現版本，當我們呼叫這個經過子類重寫的方法時，不同的子類物件會表現出不同的行爲，這個就是多型（poly-morphism）。

from abc import ABCMeta, abstractmethod


class Pet(object, metaclass=ABCMeta):
    """寵物"""

    def __init__(self, nickname):
        self._nickname = nickname

    @abstractmethod
    def make_voice(self):
        """發出聲音"""
        pass


class Dog(Pet):
    """狗"""

    def make_voice(self):
        print('%s: 汪汪汪...' % self._nickname)


class Cat(Pet):
    """貓"""

    def make_voice(self):
        print('%s: 喵...喵...' % self._nickname)


def main():
    pets = [Dog('旺財'), Cat('凱蒂'), Dog('大黃')]
    for pet in pets:
        pet.make_voice()


if __name__ == '__main__':
    main()

在上面的程式碼中，我們將Pet類處理成了一個抽象類，所謂抽象類就是不能夠建立物件的類，這種類的存在就是專門爲了讓其他類去繼承它。Python從語法層面並沒有像Java或C#那樣提供對抽象類的支援，但是我們可以通過abc模組的ABCMeta元類和abstractmethod包裝器來達到抽象類的效果，如果一個類中存在抽象方法那麼這個類就不能夠範例化（建立物件）。上面的程式碼中，Dog和Cat兩個子類分別對Pet類中的make_voice抽象方法進行了重寫並給出了不同的實現版本，當我們在main函數中呼叫該方法時，這個方法就表現出了多型行爲（同樣的方法做了不同的事情）。

綜合案例

案例1：奧特曼打小怪獸。

from abc import ABCMeta, abstractmethod
from random import randint, randrange


class Fighter(object, metaclass=ABCMeta):
    """戰鬥者"""

    # 通過__slots__魔法限定物件可以系結的成員變數
    __slots__ = ('_name', '_hp')

    def __init__(self, name, hp):
        """初始化方法

        :param name: 名字
        :param hp: 生命值
        """
        self._name = name
        self._hp = hp

    @property
    def name(self):
        return self._name

    @property
    def hp(self):
        return self._hp

    @hp.setter
    def hp(self, hp):
        self._hp = hp if hp >= 0 else 0

    @property
    def alive(self):
        return self._hp > 0

    @abstractmethod
    def attack(self, other):
        """攻擊

        :param other: 被攻擊的物件
        """
        pass


class Ultraman(Fighter):
    """奧特曼"""

    __slots__ = ('_name', '_hp', '_mp')

    def __init__(self, name, hp, mp):
        """初始化方法

        :param name: 名字
        :param hp: 生命值
        :param mp: 魔法值
        """
        super().__init__(name, hp)
        self._mp = mp

    def attack(self, other):
        other.hp -= randint(15, 25)

    def huge_attack(self, other):
        """究極必殺技(打掉對方至少50點或四分之三的血)

        :param other: 被攻擊的物件

        :return: 使用成功返回True否則返回False
        """
        if self._mp >= 50:
            self._mp -= 50
            injury = other.hp * 3 // 4
            injury = injury if injury >= 50 else 50
            other.hp -= injury
            return True
        else:
            self.attack(other)
            return False

    def magic_attack(self, others):
        """魔法攻擊

        :param others: 被攻擊的羣體

        :return: 使用魔法成功返回True否則返回False
        """
        if self._mp >= 20:
            self._mp -= 20
            for temp in others:
                if temp.alive:
                    temp.hp -= randint(10, 15)
            return True
        else:
            return False

    def resume(self):
        """恢復魔法值"""
        incr_point = randint(1, 10)
        self._mp += incr_point
        return incr_point

    def __str__(self):
        return '~~~%s奧特曼~~~\n' % self._name + \
            '生命值: %d\n' % self._hp + \
            '魔法值: %d\n' % self._mp


class Monster(Fighter):
    """小怪獸"""

    __slots__ = ('_name', '_hp')

    def attack(self, other):
        other.hp -= randint(10, 20)

    def __str__(self):
        return '~~~%s小怪獸~~~\n' % self._name + \
            '生命值: %d\n' % self._hp


def is_any_alive(monsters):
    """判斷有沒有小怪獸是活着的"""
    for monster in monsters:
        if monster.alive > 0:
            return True
    return False


def select_alive_one(monsters):
    """選中一隻活着的小怪獸"""
    monsters_len = len(monsters)
    while True:
        index = randrange(monsters_len)
        monster = monsters[index]
        if monster.alive > 0:
            return monster


def display_info(ultraman, monsters):
    """顯示奧特曼和小怪獸的資訊"""
    print(ultraman)
    for monster in monsters:
        print(monster, end='')


def main():
    u = Ultraman('駱昊', 1000, 120)
    m1 = Monster('狄仁傑', 250)
    m2 = Monster('白元芳', 500)
    m3 = Monster('王大錘', 750)
    ms = [m1, m2, m3]
    fight_round = 1
    while u.alive and is_any_alive(ms):
        print('========第%02d回合========' % fight_round)
        m = select_alive_one(ms)  # 選中一隻小怪獸
        skill = randint(1, 10)   # 通過亂數選擇使用哪種技能
        if skill <= 6:  # 60%的概率使用普通攻擊
            print('%s使用普通攻擊打了%s.' % (u.name, m.name))
            u.attack(m)
            print('%s的魔法值恢復了%d點.' % (u.name, u.resume()))
        elif skill <= 9:  # 30%的概率使用魔法攻擊(可能因魔法值不足而失敗)
            if u.magic_attack(ms):
                print('%s使用了魔法攻擊.' % u.name)
            else:
                print('%s使用魔法失敗.' % u.name)
        else:  # 10%的概率使用究極必殺技(如果魔法值不足則使用普通攻擊)
            if u.huge_attack(m):
                print('%s使用究極必殺技虐了%s.' % (u.name, m.name))
            else:
                print('%s使用普通攻擊打了%s.' % (u.name, m.name))
                print('%s的魔法值恢復了%d點.' % (u.name, u.resume()))
        if m.alive > 0:  # 如果選中的小怪獸沒有死就回擊奧特曼
            print('%s回擊了%s.' % (m.name, u.name))
            m.attack(u)
        display_info(u, ms)  # 每個回合結束後顯示奧特曼和小怪獸的資訊
        fight_round += 1
    print('\n========戰鬥結束!========\n')
    if u.alive > 0:
        print('%s奧特曼勝利!' % u.name)
    else:
        print('小怪獸勝利!')


if __name__ == '__main__':
    main()

案例2：撲克遊戲。

import random


class Card(object):
    """一張牌"""

    def __init__(self, suite, face):
        self._suite = suite
        self._face = face

    @property
    def face(self):
        return self._face

    @property
    def suite(self):
        return self._suite

    def __str__(self):
        if self._face == 1:
            face_str = 'A'
        elif self._face == 11:
            face_str = 'J'
        elif self._face == 12:
            face_str = 'Q'
        elif self._face == 13:
            face_str = 'K'
        else:
            face_str = str(self._face)
        return '%s%s' % (self._suite, face_str)
    
    def __repr__(self):
        return self.__str__()


class Poker(object):
    """一副牌"""

    def __init__(self):
        self._cards = [Card(suite, face) 
                       for suite in '♠♥♣♦'
                       for face in range(1, 14)]
        self._current = 0

    @property
    def cards(self):
        return self._cards

    def shuffle(self):
        """洗牌(隨機亂序)"""
        self._current = 0
        random.shuffle(self._cards)

    @property
    def next(self):
        """發牌"""
        card = self._cards[self._current]
        self._current += 1
        return card

    @property
    def has_next(self):
        """還有沒有牌"""
        return self._current < len(self._cards)


class Player(object):
    """玩家"""

    def __init__(self, name):
        self._name = name
        self._cards_on_hand = []

    @property
    def name(self):
        return self._name

    @property
    def cards_on_hand(self):
        return self._cards_on_hand

    def get(self, card):
        """摸牌"""
        self._cards_on_hand.append(card)

    def arrange(self, card_key):
        """玩家整理手上的牌"""
        self._cards_on_hand.sort(key=card_key)


# 排序規則-先根據花色再根據點數排序
def get_key(card):
    return (card.suite, card.face)


def main():
    p = Poker()
    p.shuffle()
    players = [Player('東邪'), Player('西毒'), Player('南帝'), Player('北丐')]
    for _ in range(13):
        for player in players:
            player.get(p.next)
    for player in players:
        print(player.name + ':', end=' ')
        player.arrange(get_key)
        print(player.cards_on_hand)


if __name__ == '__main__':
    main()

說明： 大家可以自己嘗試在上面程式碼的基礎上寫一個簡單的撲克遊戲，例如21點(Black Jack)，遊戲的規則可以自己在網上找一找。

案例3：工資結算系統。

"""
某公司有三種類型的員工 分別是部門經理、程式設計師和銷售員
需要設計一個工資結算系統 根據提供的員工資訊來計算月薪
部門經理的月薪是每月固定15000元
程式設計師的月薪按本月工作時間計算 每小時150元
銷售員的月薪是1200元的底薪加上銷售額5%的提成
"""
from abc import ABCMeta, abstractmethod


class Employee(object, metaclass=ABCMeta):
    """員工"""

    def __init__(self, name):
        """
        初始化方法

        :param name: 姓名
        """
        self._name = name

    @property
    def name(self):
        return self._name

    @abstractmethod
    def get_salary(self):
        """
        獲得月薪

        :return: 月薪
        """
        pass


class Manager(Employee):
    """部門經理"""

    def get_salary(self):
        return 15000.0


class Programmer(Employee):
    """程式設計師"""

    def __init__(self, name, working_hour=0):
        super().__init__(name)
        self._working_hour = working_hour

    @property
    def working_hour(self):
        return self._working_hour

    @working_hour.setter
    def working_hour(self, working_hour):
        self._working_hour = working_hour if working_hour > 0 else 0

    def get_salary(self):
        return 150.0 * self._working_hour


class Salesman(Employee):
    """銷售員"""

    def __init__(self, name, sales=0):
        super().__init__(name)
        self._sales = sales

    @property
    def sales(self):
        return self._sales

    @sales.setter
    def sales(self, sales):
        self._sales = sales if sales > 0 else 0

    def get_salary(self):
        return 1200.0 + self._sales * 0.05


def main():
    emps = [
        Manager('劉備'), Programmer('諸葛亮'),
        Manager('曹操'), Salesman('荀彧'),
        Salesman('呂布'), Programmer('張遼'),
        Programmer('趙雲')
    ]
    for emp in emps:
        if isinstance(emp, Programmer):
            emp.working_hour = int(input('請輸入%s本月工作時間: ' % emp.name))
        elif isinstance(emp, Salesman):
            emp.sales = float(input('請輸入%s本月銷售額: ' % emp.name))
        # 同樣是接收get_salary這個訊息但是不同的員工表現出了不同的行爲(多型)
        print('%s本月工資爲: ￥%s元' %
              (emp.name, emp.get_salary()))


if __name__ == '__main__':
    main()