第十五章:类和对象

目前你已经知道如何使用函数来组织你的代码,同时用内置的类型来管理数据。 下一步我们将学习“面向对象编程”,即使用 程序员定义的类来组织代码和数据。 面向对象编程是一个很大的话题,讲完需要一些章节。

本章的示例代码可以在http://thinkpython2.com/code/Point1.py 获取; 练习题的答案可以在http://thinkpython2.com/code/Point1_soln.py 获取。

程序员自定义类型

我们已经使用过了许多 Python 的内置类型; 现在我们要定义一个新类型。举个例子,我们来创建一个叫做 Point 的类型,代表二维空间中的一个点。

在数学记法中,点通常被写成在两个小括号中用一个逗号分隔坐标的形式。 例如\((0,0)\)代表原点,\((x,y)\)代表原点向右 x 个单位,向上 y 个单位的点。

在 Python 中,有几种表示点的方法:

  • 我们可以将坐标存储在两个独立的变量,x和y中。
  • 我们可以将坐标作为一个列表或者元组的元素存储。
  • 我们可以创建一个新类型将点表示为对象。

创建一个新类型比其他方法更复杂,但是它的优势一会儿会显现出来。

程序员自定义类型( A programmer-defined type )也被称作类(class)。 像这样定义一个对象:

class Point:
    """Represents a point in 2-D space."""

头部语句表明新类的名称是 Point 。 主体部分是文档字符串,用来解释这个类的用途。 你可以在一个类的定义中定义变量和函数,稍后会讨论这个。

定义一个叫做 Point 的类将创建了一个类对象(class object)

>>> Point
<class '__main__.Point'>

由于 Point 是定义在顶层的,所以它的“全名”是__main__.Point

类对象就像是一个用来创建对象的工厂。 要创建一个点,你可以像调用函数那样调用 Point

>>> blank = Point()
>>> blank
<__main__.Point object at 0xb7e9d3ac>

返回值是一个 Point 对象的引用,我们将它赋值给 blank

创建一个新对象的过程叫做实例化(instantiation),这个新对象叫做这个类的一个实例(instance)

当你试图打印一个实例,Python 会告诉你它属于哪个类, 以及它在内存中的存储地址(前缀0x代表紧跟后面的数是以十六进制表示的)。

每一个对象都是某种类的实例,所以对象和实例可以互换。但是在这章我用“实例”来表示我在讨论程序员自定义类型。

属性

你可以使用点标记法向一个实例进行赋值操作:

>>> blank.x = 3.0
>>> blank.y = 4.0

这个语法类似于从一个模块中使用变量的语法,比如 math.pistring.whitespace 。 不过在这个例子中,我们是给一个类中已命名的元素赋值。 这类元素叫做属性(attributes)

作为名词的时候,“属性”的英文“AT-trib-ute”的重音在第一个音节上, 作为动词的时候,“a-TRIB-ute”重音在第二个音节上。

下面这张图展示了这些赋值操作的结果。说明一个对象及其属性的状态图叫做对象图(object diagram);见图图15-1:对象图

图15-1:对象图

图15-1:对象图

变量 blank 引用了一个 Point 类,这个类拥有了两个属性。 每个属性都引用了一个浮点数。

你可以使用相同的语法读取一个属性的值:

>>> blank.y
4.0
>>> x = blank.x
>>> x
3.0

表达式 blank.x 的意思是,“前往 blank 所引用的对象并且获取 x 的值”。 在这个例子中,我们将获取到的值赋值给了一个叫做 x 的变量。 变量 x 和属性 x 并不会冲突。

你可以在任何表达式中使用点标记法。例如:

>>> '(%g, %g)' % (blank.x, blank.y)
'(3.0, 4.0)'
>>> distance = math.sqrt(blank.x**2 + blank.y**2)
>>> distance
5.0

你可以将一个实例作为参数传递。 例如:

def print_point(p):
    print('(%g, %g)' % (p.x, p.y))

print_point接受一个点作为参数,打印出其在数学中的表示方法。 调用它的时候,你可以将 blank 作为参数传递:

>>> print_point(blank)
(3.0, 4.0)

在这个函数内部,pblank 的别名, 所以,如果函数修改了 pblank 也会随之改变。

我们做个联系,编写一个叫做distance_between_points的函数,它接受两个 Point 作为参数,然后返回这两个点之间的距离。

矩形

有时候,一个对象该拥有哪些属性是显而易见的,但有时候你需要好好考虑一番。 比如,你需要设计一个代表矩形的类。 为了描述一个矩形的位置和大小,你需要设计哪些属性呢? 角度是可以忽略的;为了使事情更简单,我们假设矩形是水平或者竖直的。

至少有两种可能的设计:

  • 你可以指定矩形的一个角(或是中心)、宽度以及长度。
  • 你可以指定对角线上的两个角。

这个时候还不能够说明哪个方法优于哪个方法。我们先来实现前者。

下面是类的定义:

class Rectangle:
    """Represents a rectangle.

    attributes: width, height, corner.
    """

文档字符串中列出了属性:widthheight 是数字; corner是一个 Point 对象,代表左下角的那个点。

为了描述一个矩形,你需要实例化一个 Rectangle 对象,并且为它的属性赋值:

box = Rectangle()
box.width = 100.0
box.height = 200.0
box.corner = Point()
box.corner.x = 0.0
box.corner.y = 0.0

表达式 box.corner.x 的意思是, “前往 box 所引用的对象,找到叫做 corner 的属性; 然后前往 corner 所引用的对象,找到叫做 x 的属性。”

图15-2:对象图

图15-2:对象图

图15-2:对象图展示了这个对象的状态。 一个对象作为另一个对象的属性叫做嵌套(embedded)

实例作为返回值

函数可以返回实例。例如,find_center接受一个 Rectangle 作为参数, 返回一个 Point ,代表了这个 Rectangle 的中心坐标:

def find_center(rect):
    p = Point()
    p.x = rect.corner.x + rect.width/2
    p.y = rect.corner.y + rect.height/2
    return p

下面这个例子将 box 作为参数传递,然后将返回的 Point 赋值给 center

>>> center = find_center(box)
>>> print_point(center)
(50, 100)

对象是可变的

你可以通过给一个对象的属性赋值来改变这个对象的状态。 例如,要改变一个矩形的大小而不改变它的位置,你可以修改 widthheight 的值:

box.width = box.width + 50
box.height = box.height + 100

你也可以编写函数来修改对象。 例如,grow_rectangle接受一个 Rectangle 对象和两个数字, dwidthdheight ,并将其加到矩形的宽度和高度上:

def grow_rectangle(rect, dwidth, dheight):
    rect.width += dwidth
    rect.height += dheight

下面的例子展示了具体效果:

>>> box.width, box.height
(150.0, 300.0)
>>> grow_rectangle(box, 50, 100)
>>> box.width, box.height
(200.0, 400.0)

在函数内部,rectbox 的一个别名, 所以如果函数修改了 rect ,则 box 也随之改变。

我们做个练习,编写一个叫做move_rectangle的函数,接受一个 Rectangle 以及两个数字dxdy。 它把 cornerx 坐标加上 dx,把 cornery 坐标加上 dy , 从而改变矩形的位置。

复制

别名会降低程序的可读性,因为一个地方的变动可能对另一个地方造成预料之外的影响。 跟踪所有引用同一个对象的变量是非常困难的。

通常用复制对象的方法取代为对象起别名。 copy模块拥有一个叫做 copy 的函数,可以复制任何对象:

>>> p1 = Point()
>>> p1.x = 3.0
>>> p1.y = 4.0

>>> import copy
>>> p2 = copy.copy(p1)

p1p2 拥有相同的数据,但是它们并不是同一个 Point 对象。

>>> print_point(p1)
(3, 4)
>>> print_point(p2)
(3, 4)
>>> p1 is p2
False
>>> p1 == p2
False

正如我们预期的,is 运算符显示了 p1p2 并非同一个对象。 不过你可能会认为 == 运算的结果应该是 True ,因为这两个点的数据是相同的。 然而结果并不如你想象的那样,== 运算符的默认行为和 is 运算符相同; 它检查对象的标识(identity)是否相同,而非对象的值是否相同。 因为 Python 并不知道什么样可以被认为相同。至少目前不知道。

如果你使用 copy.copy 来复制一个 Rectangle , 你会发现它仅仅复制了 Rectangle 对象,但没有复制嵌套的 Point 对象。

>>> box2 = copy.copy(box)
>>> box2 is box
False
>>> box2.corner is box.corner
True
图15-3:对象图

图15-3:对象图

图15-3:对象图展示了相应的对象图。 这个操作叫做浅复制(shallow copy),因为它仅复制了对象以及其包含的引用, 但未复制嵌套的对象。

对大多数应用来说,这并非是你想要的结果。 在这个例子中,对其中一个 Rectangle 对象调用grow_rectangle并不会影响到另外一个, 然而当对任何一个 Rectangle 对象调用move_rectangle的时候,两者都会被影响!这个行为很容易带来疑惑和错误。

幸运的是,copy 模块拥有一个叫做 deepcopy 的方法, 它不仅可以复制一个对象,还可以复制这个对象所引用的对象, 甚至可以复制这个对象所引用的对象所引用的对象,等等。 没错!这个操作叫做深复制(deep copy)

>>> box3 = copy.deepcopy(box)
>>> box3 is box
False
>>> box3.corner is box.corner
False

box3box 是完全互不相干的对象。

我们做个练习,编写另一个版本的move_rectangle, 函数创建并返回一个新的 Rectangle 对象而非修改原先的那个。

调试

当你开始学习对象的时候,你可能会遇到一些新的异常。 如果你访问一个不存在的属性,你会得到 Attributeerror 的错误提示:

>>> p = Point()
>>> p.x = 3
>>> p.y = 4
>>> p.z
AttributeError: Point instance has no attribute 'z'

如果你不确定一个对象的类型,你可以询问:

>>> type(p)
<class '__main__.Point'>

你也可以用 isinstance 来检查某个对象是不是某个类的实例。

>>> isinstance(p, Point)
True

如果你不确定一个对象是否拥有某个属性, 你可以使用内置函数 hasattr 检查:

>>> hasattr(p, 'x')
True
>>> hasattr(p, 'z')
False

第一个参数可以是任何对象; 第二个参数是一个字符串,代表了某个属性的名字。

你也可以使用 try 语句来检查某个对象是不是有你需要的属性:

try:
    x = p.x
except AttributeError:
    x = 0

这个方法可以让你更容易编写出可以适应多种数据结构的函数。你可以在[polymorphism]节查看更多内容。

术语表

类(class):

一种程序员自定义的类型。类定义创建了一个新的类对象。

类对象(class object):

包含程序员自定义类型的细节信息的对象。类对象可以被用于创建该类型的实例。

实例(instance):

属于某个类的对象。

实例化(instantiate):

创建新的对象。

属性(attribute):

和某个对象相关联的有命名的值。

嵌套对象(embedded object):

作为另一个对象的属性存储的对象。

浅复制(shallow copy):

在复制对象内容的时候,只包含嵌套对象的引用,通过 copy 模块的 copy 函数实现。

深复制(deep copy):

在复制对象内容的时候,既复制对象属性,也复制所有嵌套对象及其中的所有嵌套对象,由 copy 模块的 deepcopy 函数实现。

对象图(object diagram):

展示对象及其属性和属性值的图。

练习题

习题 15-1

定义一个叫做 Circle 的类,类的属性是圆心(center) 和半径(radius),其中,圆心(center) 是一个 Point 类,而半径(radius)是一个数字。

实例化一个圆心(center)为\((150, 100)\),半径(radius)为 75 的 Circle 对象。

习题 15-2

编写一个名称为 point_in_circle 的函数,该函数可以接受一个圆类(Circle)对象和点类 (Point)对象,然后判断该点是否在圆内。在圆内则返回 True

习题 15-3

编写一个名称为 rect_in_circle 的函数,该函数接受一个圆类(Circle)对象和矩形(Rectangle)对象,如果该矩形是否完全在圆内或者在圆上则返回 True

习题 15-4

编写一个名为 rect_circle_overlap 函数,该函数接受一个圆类对象和一个矩形类对象,如果矩形有任意一个角落在圆内则返回 True 。或者写一个更具有挑战性的版本,如果该矩形有任何部分落在圆内返回 True

答案:http://thinkpython2.com/code/Circle.py.

习题 15-5

编写一个名为 draw_rect 的函数,该函数接受一个 Turtle 对象和一个 Rectangle 对象,使用 Turtle 画出该矩形。参考[turtlechap]章中使用 Turtle 的示例。

习题 15-6

编写一个名为 draw_circle 的函数,该函数接受一个 Turtle 对象和 Circle 对象,并画出该圆。

答案:http://thinkpython2.com/code/draw.py.

贡献者

  1. 翻译:@iphyer
  2. 校对:@bingjin
  3. 参考:@carfly