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11-面向对象(上):从生活中的类比说起

AI悦创原创Python 进阶Python 进阶大约 17 分钟...约 5239 字

你好,我是悦创。

很多朋友最开始学编程的时候,是从 C++ 或者 JAVA 语言入手的。他们好不容易磕磕绊绊地搞懂了最基本的数据类型、赋值判断和循环,却又迎面撞上了 OOP (object oriented programming) 的大墙,一头扎进公有私有保护、多重继承、多态派生、纯函数、抽象类、友元函数等一堆专有名词的汪洋大海中找不到彼岸,于是就放弃了进阶之路。

相比之下,Python 是一门相对友好的语言,它在创立之初就鼓励命令交互式的轻量级编程。理论上,Python 的命令式语言是图灵完备open in new window的, 也就是说命令式语言,理论上可以做到其他任何语言能够做到的所有的事情,甚至进一步,仅仅依靠汇编语言的 MOV 指令,就能实现图灵完备编程open in new window

那么为什么不这样做呢?其实,“上古时代”的程序员就是这么做的,可是随着程序功能复杂性的逐步提升,以及需求的不断迭代,很多老旧的代码修改起来麻烦无比,牵一发而动全身,根本无法迭代和维护,甚至只能推倒重来,这也是很多古老的代码被称为“屎山”的原因。

传统的命令式语言有无数重复性代码,虽然函数的诞生减缓了许多重复性,但随着计算机的发展,只有函数依然不够,需要把更加抽象的概念引入计算机才能缓解(而不是解决)这个问题,于是 OOP 应运而生。

Python 在 1989 年被一位程序员打发时间创立之后,一步步攻城掠地飞速发展,从最基础的脚本程序,到后来可以编写系统程序、大型工程、数据科学运算、人工智能,早已脱离了当初的设计,因此一些其他语言的优秀设计之处依然需要引入。我们必须花费一定的代价掌握面向对象编程,才能跨越学习道路中的瓶颈期,走向下一步。

接下来,我将用两节课来讲解面向对象编程,从基础到实战。第一讲,我将带你快速但清晰地疏通最基础的知识,确保你能够迅速领略面向对象的基本思想;第二讲,我们从零开始写一个搜索引擎,将前面所学知识融会贯通。

这些内容可能和你以往看到的所有教程都不太一样,我会尽可能从一个初学者的角度来审视这些难点。同时我们面向实战、面向工程,不求大而全,但是对最核心的思想会有足够的勾勒。我可以保证内容清晰易懂,但想要真正掌握,仍要求你能用心去阅读和思考。真正的提高,永远要靠自己才能做到。

1. 对象,你找到了吗?

我们先来学习,面向对象编程中最基本的概念。

为了方便你理解其中的抽象概念,我先打个比方带你感受一下。生物课上,我们学过“界门纲目科属种”的概念,核心思想是科学家们根据各种动植物、微生物的相似之处,将其分化为不同的类型方便研究。生活中我们也是如此,习惯对身边的事物进行分类:

  • 猫和狗都是动物;
  • 直线和圆都是平面几何的图形;
  • 《哈利波特》和《冰与火之歌》(即《权力的游戏》)都是小说。

自然,同一类事物便会有着相似的特性:

  • 动物会动;
  • 平面图形有面积和周长;
  • 小说也都有相应的作者和大致情节等各种元素。

那回到我们的 Python 上,又对应哪些内容呢?这里,我们先来看一段最基本的 Python 面向对象的应用代码,不要被它的长度吓到,你无需立刻看懂所有代码,跟着节奏来,我会一点点为你剖析。

class Document():
    def __init__(self, title, author, context):
        print('init function called')
        self.title = title
        self.author = author
        self.__context = context # __开头的属性是私有属性

    def get_context_length(self):
        return len(self.__context)

    def intercept_context(self, length):
        self.__context = self.__context[:length]

harry_potter_book = Document('Harry Potter', 'J. K. Rowling', '... Forever Do not believe any thing is capable of thinking independently ...')

print(harry_potter_book.title)
print(harry_potter_book.author)
print(harry_potter_book.get_context_length())

harry_potter_book.intercept_context(10)

print(harry_potter_book.get_context_length())

print(harry_potter_book.__context)

########## 输出 ##########

init function called
Harry Potter
J. K. Rowling
77
10

---------------------------------------------------------------------------
AttributeError                            Traceback (most recent call last)
<ipython-input-5-b4d048d75003> in <module>()
     22 print(harry_potter_book.get_context_length())
     23 
---> 24 print(harry_potter_book.__context)

AttributeError: 'Document' object has no attribute '__context'

参照着这段代码,我先来简单解释几个概念。

  • 类:一群有着相似性的事物的集合,这里对应 Python 的 class。
  • 对象:集合中的一个事物,这里对应由 class 生成的某一个 object,比如代码中的 harry_potter_book
  • 属性:对象的某个静态特征,比如上述代码中的 title、author 和 __context
  • 函数:对象的某个动态能力,比如上述代码中的 intercept_context() 函数。

当然,这样的说法既不严谨,也不充分,但如果你对面向对象编程完全不了解,它们可以让你迅速有一个直观的了解。

这里我想多说两句。回想起当年参加数学竞赛时,我曾和一个大佬交流数学的学习,我清楚记得我们对数学有着相似的观点:很多数学概念非常抽象,如果纯粹从数理逻辑而不是更高的角度去解题,很容易陷入僵局;而具体、直观的想象和类比,才是迅速打开数学大门的钥匙。虽然这些想象和类比不严谨也不充分,很多时候甚至是错误或者异想天开的,但它们确实能帮我们快速找到正确的大门。

就像很多人都有过的一个疑惑,“学霸是怎样想到这个答案的?”。德国数学家克莱因曾说过,“推进数学的,主要是那些有卓越直觉的人,而不是以严格的证明方法见长的人。”编程世界同样如此,如果你不满足于只做一个 CRUD“码农”,而是想成为一个优秀的工程师,那就一定要积极锻炼直觉思考和快速类比的能力,尤其是在找不到 bug 的时候。这才是编程学习中能给人最快进步的方法和路径。

言归正传,继续回到我们的主题,还是通过刚刚那段代码,我想再给类下一个更为严谨的定义。

类,一群有着相同属性和函数的对象的集合。

虽然有循环论证之嫌(lol),但是反复强调,还是希望你能对面向对象的最基础的思想,有更真实的了解。清楚记住这一点后,接下来,我们来具体解读刚刚这段代码。为了方便你的阅读学习,我把它重新放在了这段文字下方。

class Document():
    def __init__(self, title, author, context):
        print('init function called')
        self.title = title
        self.author = author
        self.__context = context # __开头的属性是私有属性

    def get_context_length(self):
        return len(self.__context)

    def intercept_context(self, length):
        self.__context = self.__context[:length]

harry_potter_book = Document('Harry Potter', 'J. K. Rowling', '... Forever Do not believe any thing is capable of thinking independently ...')

print(harry_potter_book.title)
print(harry_potter_book.author)
print(harry_potter_book.get_context_length())

harry_potter_book.intercept_context(10)

print(harry_potter_book.get_context_length())

print(harry_potter_book.__context)

########## 输出 ##########

init function called
Harry Potter
J. K. Rowling
77
10

---------------------------------------------------------------------------
AttributeError                            Traceback (most recent call last)
<ipython-input-5-b4d048d75003> in <module>()
     22 print(harry_potter_book.get_context_length())
     23 
---> 24 print(harry_potter_book.__context)

AttributeError: 'Document' object has no attribute '__context'

可以看到,class Document 定义了 Document 类,再往下能看到它有三个函数,这三个函数即为 Document 类的三个函数。

其中,__init__ 表示构造函数,意即一个对象生成时会被自动调用的函数。我们能看到, harry_potter_book = Document(...) 这一行代码被执行的时候,'init function called' 字符串会被打印出来。而 get_context_length()intercept_context() 则为类的普通函数,我们调用它们来对对象的属性做一些事情。

class Document 还有三个属性,titleauthor__context 分别表示标题、作者和内容,通过构造函数传入。这里代码很直观,我们可以看到, intercept_context 能修改对象 harry_potter_book__context 属性。

这里唯一需要强调的一点是,如果一个属性以 __ (注意,此处有两个 _) 开头,我们就默认这个属性是私有属性。私有属性,是指不希望在类的函数之外的地方被访问和修改的属性。所以,你可以看到,titleauthor 能够很自由地被打印出来,但是 print(harry_potter_book.__context) 就会报错。

2. 老师,能不能再给力点?

掌握了最基础的概念,其实我们已经能做很多很多的事情了。不过,在工程实践中,随着复杂度继续提升,你可能会想到一些问题:

  • 如何在一个类中定义一些常量,每个对象都可以方便访问这些常量而不用重新构造?
  • 如果一个函数不涉及到访问修改这个类的属性,而放到类外面有点不恰当,怎么做才能更优雅呢?
  • 既然类是一群相似的对象的集合,那么可不可以是一群相似的类的集合呢?

前两个问题很好解决,不过,它们涉及到一些常用的代码规范,这里我放了一段代码示例。同样的,你无需一口气读完这段代码,跟着我的节奏慢慢学习即可。

class Document():
    
    WELCOME_STR = 'Welcome! The context for this book is {}.'
    
    def __init__(self, title, author, context):
        print('init function called')
        self.title = title
        self.author = author
        self.__context = context
    
    # 类函数
    @classmethod
    def create_empty_book(cls, title, author):
        return cls(title=title, author=author, context='nothing')
    
    # 成员函数
    def get_context_length(self):
        return len(self.__context)
    
    # 静态函数
    @staticmethod
    def get_welcome(context):
        return Document.WELCOME_STR.format(context)


empty_book = Document.create_empty_book('What Every Man Thinks About Apart from Sex', 'Professor Sheridan Simove')


print(empty_book.get_context_length())
print(empty_book.get_welcome('indeed nothing'))

########## 输出 ##########

init function called
7
Welcome! The context for this book is indeed nothing.

第一个问题,在 Python 的类里,你只需要和函数并列地声明并赋值,就可以实现这一点,例如这段代码中的 WELCOME_STR。一种很常规的做法,是用全大写来表示常量,因此我们可以在类中使用 self.WELCOME_STR ,或者在类外使用 Entity.WELCOME_STR ,来表达这个字符串。

而针对第二个问题,我们提出了类函数、成员函数和静态函数三个概念。它们其实很好理解,前两者产生的影响是动态的,能够访问或者修改对象的属性;而静态函数则与类没有什么关联,最明显的特征便是,静态函数的第一个参数没有任何特殊性。

具体来看这几种函数。一般而言,静态函数可以用来做一些简单独立的任务,既方便测试,也能优化代码结构。静态函数还可以通过在函数前一行加上 @staticmethod 来表示,代码中也有相应的示例。这其实使用了装饰器的概念,我们会在后面的章节中详细讲解。

而类函数的第一个参数一般为 cls,表示必须传一个类进来。类函数最常用的功能是实现不同的 __init__ 构造函数,比如上文代码中,我们使用 create_empty_book 类函数,来创造新的书籍对象,其 context 一定为 'nothing'。这样的代码,就比你直接构造要清晰一些。类似的,类函数需要装饰器 @classmethod 来声明。

成员函数则是我们最正常的类的函数,它不需要任何装饰器声明,第一个参数 self 代表当前对象的引用,可以通过此函数,来实现想要的查询 / 修改类的属性等功能。

3. 继承,是每个富二代的梦想

接下来,我们来看第三个问题,既然类是一群相似的对象的集合,那么可不可以是一群相似的类的集合呢?

答案是,当然可以。只要抽象得好,类可以描述成任何事物的集合。当然你要小心、严谨地去定义它,不然一不小心就会引起第三次数学危机open in new window XD。

类的继承,顾名思义,指的是一个类既拥有另一个类的特征,也拥有不同于另一个类的独特特征。在这里的第一个类叫做子类,另一个叫做父类,特征其实就是类的属性和函数。

class Entity():
    def __init__(self, object_type):
        print('parent class init called')
        self.object_type = object_type
    
    def get_context_length(self):
        raise Exception('get_context_length not implemented')
    
    def print_title(self):
        print(self.title)

class Document(Entity):
    def __init__(self, title, author, context):
        print('Document class init called')
        Entity.__init__(self, 'document')
        self.title = title
        self.author = author
        self.__context = context
    
    def get_context_length(self):
        return len(self.__context)
    
class Video(Entity):
    def __init__(self, title, author, video_length):
        print('Video class init called')
        Entity.__init__(self, 'video')
        self.title = title
        self.author = author
        self.__video_length = video_length
    
    def get_context_length(self):
        return self.__video_length

harry_potter_book = Document('Harry Potter(Book)', 'J. K. Rowling', '... Forever Do not believe any thing is capable of thinking independently ...')
harry_potter_movie = Video('Harry Potter(Movie)', 'J. K. Rowling', 120)

print(harry_potter_book.object_type)
print(harry_potter_movie.object_type)

harry_potter_book.print_title()
harry_potter_movie.print_title()

print(harry_potter_book.get_context_length())
print(harry_potter_movie.get_context_length())

########## 输出 ##########

Document class init called
parent class init called
Video class init called
parent class init called
document
video
Harry Potter(Book)
Harry Potter(Movie)
77
120

我们同样结合代码来学习这些概念。在这段代码中,Document 和 Video 它们有相似的地方,都有相应的标题、作者和内容等属性。我们可以从中抽象出一个叫做 Entity 的类,来作为它俩的父类。

首先需要注意的是构造函数。每个类都有构造函数,继承类在生成对象的时候,是不会自动调用父类的构造函数的,因此你必须在 __init__() 函数中显式调用父类的构造函数。它们的执行顺序是 子类的构造函数 -> 父类的构造函数。

其次需要注意父类 get_context_length() 函数。如果使用 Entity 直接生成对象,调用 get_context_length() 函数,就会 raise error 中断程序的执行。这其实是一种很好的写法,叫做函数重写,可以使子类必须重新写一遍 get_context_length() 函数,来覆盖掉原有函数。

最后需要注意到 print_title() 函数,这个函数定义在父类中,但是子类的对象可以毫无阻力地使用它来打印 title,这也就体现了继承的优势:减少重复的代码,降低系统的熵值(即复杂度)。

到这里,你对继承就有了比较详细的了解了,面向对象编程也可以说已经入门了。当然,如果你想达到更高的层次,大量练习编程,学习更多的细节知识,都是必不可少的。

最后,我想再为你扩展一下抽象函数和抽象类,我同样会用一段代码来辅助讲解。

from abc import ABCMeta, abstractmethod

class Entity(metaclass=ABCMeta):
    @abstractmethod
    def get_title(self):
        pass

    @abstractmethod
    def set_title(self, title):
        pass

class Document(Entity):
    def get_title(self):
        return self.title
    
    def set_title(self, title):
        self.title = title

document = Document()
document.set_title('Harry Potter')
print(document.get_title())

entity = Entity()

########## 输出 ##########

Harry Potter

---------------------------------------------------------------------------
TypeError                                 Traceback (most recent call last)
<ipython-input-7-266b2aa47bad> in <module>()
     21 print(document.get_title())
     22 
---> 23 entity = Entity()
     24 entity.set_title('Test')

TypeError: Can't instantiate abstract class Entity with abstract methods get_title, set_title

你应该发现了,Entity 本身是没有什么用的,只需拿来定义 Document 和 Video 的一些基本元素就够了。不过,万一你不小心生成 Entity 的对象该怎么办呢?为了防止这样的手误,必须要介绍一下抽象类。

抽象类是一种特殊的类,它生下来就是作为父类存在的,一旦对象化就会报错。同样,抽象函数定义在抽象类之中,子类必须重写该函数才能使用。相应的抽象函数,则是使用装饰器 @abstractmethod 来表示。

我们可以看到,代码中 entity = Entity() 直接报错,只有通过 Document 继承 Entity 才能正常使用。

这其实正是软件工程中一个很重要的概念,定义接口。大型工程往往需要很多人合作开发,比如在 Facebook 中,在 idea 提出之后,开发组和产品组首先会召开产品设计会,PM(Product Manager,产品经理) 写出产品需求文档,然后迭代;TL(Team Leader,项目经理)编写开发文档,开发文档中会定义不同模块的大致功能和接口、每个模块之间如何协作、单元测试和集成测试、线上灰度测试、监测和日志等等一系列开发流程。

抽象类就是这么一种存在,它是一种自上而下的设计风范,你只需要用少量的代码描述清楚要做的事情,定义好接口,然后就可以交给不同开发人员去开发和对接。

4. 总结

到目前为止,我们一直在强调一件事情:面向对象编程是软件工程中重要的思想。正如动态规划是算法中的重要思想一样,它不是某一种非常具体的技术,而是一种综合能力的体现,是将大型工程解耦化、模块化的重要方法。在实践中要多想,尤其是抽象地想,才能更快掌握这个技巧。

回顾一下今天的内容,我希望你能自己回答下面两个问题,作为今天内容的总结,写在留言区里。

第一个问题,面向对象编程四要素是什么?它们的关系又是什么?

第二个问题,讲了这么久的继承,继承究竟是什么呢?你能用三个字表达出来吗?

这里不开玩笑,Facebook 很多 Launch Doc (上线文档)中要求用五个单词总结你的文档,因为你的文档不仅仅是你的团队要看,往上走甚至会到 VP 或者 CTO 那里,你需要言简意赅,让他们快速理解你想要表达的意思。

5. 思考题

最后,再给你留一道思考题。既然你能通过继承一个类,来获得父类的函数和属性,那么你能继承两个吗?答案自是能的,这就叫做多重继承。那么问题来了。

我们使用单一继承的时候,构造函数的执行顺序很好确定,即子类 -> 父类 -> 爷类 ->… 的链式关系。不过,多重继承的时候呢?比如下面这个例子。

 --->B---
A-      -->D
 --->C---

这种继承方式,叫做菱形继承,BC 继承了 A,然后 D 继承了 BC,创造一个 D 的对象。那么,构造函数调用顺序又是怎样的呢?

欢迎在留言区写下你的答案想法,与我讨论,也欢迎你把这篇文章分享给你的同事、朋友。

6. 思考题答案

思考题答案:庄小P 同学的写法很好,非常明确的表明了菱形继承潜在的问题:一个基类的初始化函数可能被调用两次。在一般的工程中,这显然不是我们所希望的。正确的做法应该是使用 super 来召唤父类的构造函数,而且 python 使用一种叫做方法解析顺序的算法(具体实现算法叫做 C3),来保证一个类只会被初始化一次。

class A():
    def __init__(self):
        print('enter A')
        print('leave A')

class B(A):
    def __init__(self):
        print('enter B')
        super().__init__()
        print('leave B')

class C(A):
    def __init__(self):
        print('enter C')
        super().__init__()
        print('leave C')

class D(B, C):
    def __init__(self):
        print('enter D')
        super().__init__()
        print('leave D')

D()

enter D
enter B
enter C
enter A
leave A
leave C
leave B
leave D

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贡献者: AndersonHJB
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