Python面向对象编程(OOP)实践教程
liuian 2025-05-26 17:22 46 浏览
一、OOP理论基础
1. 面向对象编程概述
面向对象编程(Object-Oriented Programming, OOP)是一种编程范式,它使用"对象"来设计应用程序和软件。OOP的核心概念包括:
- 类(Class):对象的蓝图或模板
- 对象(Object):类的实例
- 属性(Attribute):对象的数据/特征
- 方法(Method):对象的行为/功能
2. OOP四大基本原则
- 封装(Encapsulation)
- 将数据和行为包装在一个单元(类)中
- 隐藏内部实现细节,只暴露必要接口
- 继承(Inheritance)
- 子类继承父类的属性和方法
- 实现代码复用和层次化设计
- 多态(Polymorphism)
- 同一操作作用于不同对象可以有不同的解释
- 主要通过方法重写和方法重载实现
- 抽象(Abstraction)
- 简化复杂现实,只关注相关特征
- 通过抽象类和接口实现
二、Python OOP实践
1. 类与对象的基本使用
# 定义一个简单的类
class Dog:
# 类属性(所有实例共享)
species = "Canis familiaris"
# 初始化方法(构造函数)
def __init__(self, name, age):
# 实例属性
self.name = name
self.age = age
# 实例方法
def bark(self):
return f"{self.name} says woof!"
def describe(self):
return f"{self.name} is {self.age} years old"
# 创建对象(实例化)
dog1 = Dog("Buddy", 4)
dog2 = Dog("Milo", 2)
# 访问属性和方法
print(dog1.name) # 输出: Buddy
print(dog2.bark()) # 输出: Milo says woof!
print(dog1.describe()) # 输出: Buddy is 4 years old
print(Dog.species) # 输出: Canis familiaris
2. 封装与访问控制
Python中没有严格的私有属性,但可以通过命名约定实现封装:
class BankAccount:
def __init__(self, account_holder, initial_balance):
self.account_holder = account_holder # 公开属性
self._balance = initial_balance # 保护属性(约定)
self.__secret_code = 1234 # 私有属性(名称修饰)
def deposit(self, amount):
if amount > 0:
self._balance += amount
return True
return False
def withdraw(self, amount):
if 0 < amount <= self._balance:
self._balance -= amount
return True
return False
def get_balance(self):
return self._balance
# 使用示例
account = BankAccount("Alice", 1000)
account.deposit(500)
account.withdraw(200)
print(account.get_balance()) # 1300
print(account._balance) # 可以访问但不推荐
# print(account.__secret_code) # 会报错
print(account._BankAccount__secret_code) # 可以访问但不应该这样做
3. 继承与多态
# 父类
class Animal:
def __init__(self, name):
self.name = name
def speak(self):
raise NotImplementedError("子类必须实现此方法")
# 子类
class Dog(Animal):
def speak(self):
return f"{self.name} says woof!"
class Cat(Animal):
def speak(self):
return f"{self.name} says meow!"
# 多态示例
def animal_speak(animal):
print(animal.speak())
# 使用
dog = Dog("Buddy")
cat = Cat("Whiskers")
animal_speak(dog) # Buddy says woof!
animal_speak(cat) # Whiskers says meow!
4. 类方法与静态方法
class Pizza:
def __init__(self, ingredients):
self.ingredients = ingredients
# 实例方法
def describe(self):
return f"Pizza with {', '.join(self.ingredients)}"
# 类方法 - 作为替代构造函数
@classmethod
def margherita(cls):
return cls(["tomato sauce", "mozzarella"])
@classmethod
def prosciutto(cls):
return cls(["tomato sauce", "mozzarella", "ham"])
# 静态方法 - 与类相关但不访问实例或类
@staticmethod
def calculate_area(radius):
return 3.14 * radius ** 2
# 使用
p1 = Pizza.margherita()
p2 = Pizza.prosciutto()
print(p1.describe()) # Pizza with tomato sauce, mozzarella
print(p2.describe()) # Pizza with tomato sauce, mozzarella, ham
print(Pizza.calculate_area(12)) # 452.16
5. 属性装饰器与属性控制
class Temperature:
def __init__(self, celsius):
self._celsius = celsius
@property
def celsius(self):
return self._celsius
@celsius.setter
def celsius(self, value):
if value < -273.15:
raise ValueError("温度不能低于绝对零度")
self._celsius = value
@property
def fahrenheit(self):
return self._celsius * 9/5 + 32
@fahrenheit.setter
def fahrenheit(self, value):
self.celsius = (value - 32) * 5/9
# 使用
temp = Temperature(25)
print(temp.celsius) # 25
print(temp.fahrenheit) # 77.0
temp.fahrenheit = 100
print(temp.celsius) # 37.777...
三、高级OOP概念
1. 魔术方法
class Vector:
def __init__(self, x, y):
self.x = x
self.y = y
# 字符串表示
def __str__(self):
return f"Vector({self.x}, {self.y})"
# 加法运算符重载
def __add__(self, other):
return Vector(self.x + other.x, self.y + other.y)
# 乘法运算符重载
def __mul__(self, scalar):
return Vector(self.x * scalar, self.y * scalar)
# 长度计算
def __len__(self):
return 2
# 绝对值
def __abs__(self):
return (self.x ** 2 + self.y ** 2) ** 0.5
# 使用
v1 = Vector(2, 4)
v2 = Vector(3, 1)
print(v1 + v2) # Vector(5, 5)
print(v1 * 3) # Vector(6, 12)
print(abs(v1)) # 4.472...
2. 抽象基类
from abc import ABC, abstractmethod
class Shape(ABC):
@abstractmethod
def area(self):
pass
@abstractmethod
def perimeter(self):
pass
class Rectangle(Shape):
def __init__(self, width, height):
self.width = width
self.height = height
def area(self):
return self.width * self.height
def perimeter(self):
return 2 * (self.width + self.height)
class Circle(Shape):
def __init__(self, radius):
self.radius = radius
def area(self):
return 3.14 * self.radius ** 2
def perimeter(self):
return 2 * 3.14 * self.radius
# 使用
rect = Rectangle(4, 5)
circle = Circle(3)
print(rect.area()) # 20
print(circle.perimeter()) # 18.84
3. 多重继承与MRO
class A:
def method(self):
print("A method")
class B(A):
def method(self):
print("B method")
super().method()
class C(A):
def method(self):
print("C method")
super().method()
class D(B, C):
def method(self):
print("D method")
super().method()
# 使用方法解析顺序(MRO)
print(D.mro()) # [D, B, C, A, object]
d = D()
d.method()
# 输出:
# D method
# B method
# C method
# A method
四、实践案例 - 银行系统模拟
class Account:
def __init__(self, account_number, account_holder, balance=0):
self.account_number = account_number
self.account_holder = account_holder
self.balance = balance
self.transactions = []
def deposit(self, amount):
if amount > 0:
self.balance += amount
self.transactions.append(("deposit", amount))
return True
return False
def withdraw(self, amount):
if 0 < amount <= self.balance:
self.balance -= amount
self.transactions.append(("withdraw", amount))
return True
return False
def transfer(self, amount, target_account):
if self.withdraw(amount):
target_account.deposit(amount)
self.transactions.append(("transfer", amount, target_account.account_number))
return True
return False
def get_transactions(self):
return self.transactions
def __str__(self):
return f"Account {self.account_number} - Balance: {self.balance}"
class SavingsAccount(Account):
def __init__(self, account_number, account_holder, balance=0, interest_rate=0.01):
super().__init__(account_number, account_holder, balance)
self.interest_rate = interest_rate
def add_interest(self):
interest = self.balance * self.interest_rate
self.deposit(interest)
return interest
def __str__(self):
return f"Savings Account {self.account_number} - Balance: {self.balance}, Interest Rate: {self.interest_rate}"
class Bank:
def __init__(self):
self.accounts = {}
def create_account(self, account_type, account_number, account_holder, **kwargs):
if account_number in self.accounts:
print("账号已存在")
return None
if account_type == "savings":
account = SavingsAccount(account_number, account_holder, **kwargs)
else:
account = Account(account_number, account_holder, **kwargs)
self.accounts[account_number] = account
return account
def get_account(self, account_number):
return self.accounts.get(account_number)
def transfer(self, from_account_num, to_account_num, amount):
from_account = self.get_account(from_account_num)
to_account = self.get_account(to_account_num)
if from_account and to_account:
return from_account.transfer(amount, to_account)
return False
def __str__(self):
return f"Bank with {len(self.accounts)} accounts"
# 使用示例
bank = Bank()
# 创建账户
acc1 = bank.create_account("normal", "001", "Alice", balance=1000)
acc2 = bank.create_account("savings", "002", "Bob", balance=500, interest_rate=0.02)
print(acc1)
print(acc2)
# 存款和取款
acc1.deposit(500)
acc1.withdraw(200)
# 转账
bank.transfer("001", "002", 300)
# 添加利息
acc2.add_interest()
# 查看交易记录
print("\nAlice的交易记录:")
for t in acc1.get_transactions():
print(t)
print("\nBob的交易记录:")
for t in acc2.get_transactions():
print(t)
# 查看余额
print(f"\nAlice的余额: {acc1.balance}")
print(f"Bob的余额: {acc2.balance}")
学习建议
- 循序渐进:从简单类开始,逐步引入更复杂的概念
- 实际案例:使用学生熟悉的例子(如车辆、动物、银行账户等)
- 交互式练习:让学生修改现有代码并观察结果
- 调试实践:故意引入错误让学生修复
- 项目驱动:通过小型项目(如学生管理系统)巩固概念
通过学习这个教程我们可以掌握Python面向对象编程的核心概念和实践技能!
持续更新Python编程学习日志与技巧,敬请关注!
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