04 Python 类的私有属性和私有方法

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2023-12-01

在 Python 的面向对象编程中，私有属性是只能在类的实例方法中访问的属性，不允许在外界访问私有属性。

1. 私有属性的定义

1.1 定义

在属性名称前加上前缀 __，表示该属性为私有属性，示例代码如下：

class Object:
    def method(self):
        self.__private_attribute = 123

在第 3 行，创建一个私有属性 __private_attribute。

1.2 在类外读取私有属性

只能在类的实例方法中访问私有属性，不允许在类的外部访问私有属性，示例代码如下：

class Person:
    def __init__(self, name):
        self.__name = name
 
tom = Person('tom')
print(tom.__name)

在第 1 行，定义了类 Person
在第 3 行，创建私有属性 __name
在第 5 行，创建一个实例 tom
在第 6 行，直接访问实例的属性 __name

程序运行输出如下：

Traceback (most recent call last):
  File "attr-get.py", line 6, in <module>
    print(tom.__name)
AttributeError: 'Person' object has no attribute '__name'

程序运行报错：‘Person’ object has no attribute ‘__name’，表示无法找到属性 __name’。因此，在类 Person 的外部无法直接读取实例的私有属性。

1.3 在类外修改私有属性

1.2 小节的例子，在类外读取私有属性；本节的例子，在类外修改私有属性。示例代码如下：

class Person:
    def __init__(self, name):
        self.__name = name
 
    def get_name(self):
        return self.__name

tom = Person('tom')
tom.__name = 'jerry'
print(tom.get_name())

在第 1 行，定义了类 Person
- 在第 3 行，创建私有属性 __name
- 在第 6 行，在类的实例方法 get_name 中，访问私有属性 __name
在第 8 行，创建一个实例 tom
- 在第 9 行，将实例的属性 __name 修改为 ‘jerry’
- 在第 10 行，通过实例方法 get_name 读取私有属性 __name

程序运行输出如下：

tom

程序在第 9 行，将实例的私有属性 __name 修改为 ‘jerry’，但是程序输出表明：在类的内部，私有属性 __name 没有发生变化。因此，在类 Person 的外部无法直接修改实例的私有属性。

1.4 通过 set/get 方法访问私有属性

本节在类的外部访问私有属性的方法，代码如下：

class Person:
    def __init__(self, name):
        self.__name = name
 
    def get_name(self):
        return self.__name
 
    def set_name(self, name):
        self.__name = name

tom = Person('tom')
tom.set_name('jerry')
print(tom.get_name())

在第 1 行，定义了类 Person
- 在第 3 行，创建私有属性 __name
- 在第 5 行，创建方法 get_name，它读取私有属性 __name
- 在第 8 行，创建方法 set_name，它修改私有属性 __name
在第 11 行，创建一个实例 tom
- 在第 12 行，通过实例方法 get_name 读取私有属性 __name
- 在第 13 行，通过实例方法 set_name 修改私有属性 __name

程序输出结果如下：

jerry

程序输出表明，通过方法 tom.set_name(‘jerry’) 成功的将私有属性 __name 设置为 jerry。因此，在类的外部通过 get/set 方法访问私有属性。

2. 私有属性的应用

2.1 概述

数学中的线段拥有 3 个属性：

start，表示开始位置
end，表示结束位置
length，表示线段的长度，等于 end - start

当修改属性 start 时，属性 length 会发生变化；当修改属性 end 时，属性 length 也会发生变化；如果修改属性 start 或者 end 时，忘记修改属性 length 的话，则会造成逻辑错误，示例代码如下：

class Segment:
    def __init__(self, start, end):
        self.start = start
        self.end = end
        self.length = self.end - self.start

    def show(self):
        print('start = %d, end = %d, length = %d' % (self.start, self.end, self.length))

segment = Segment(10, 100)
segment.start = 20
segment.show()

在第 2 行，定义构造方法
- 在第 5 行，使用属性 start 和 end 计算属性 length
在第 7 行，定义方法 show，打印属性 start、end、length
在第 10 行，创建线段 segment，设置 start = 10，end = 100
在第 11 行，将 start 修改为 20
在第 12 行，调用方法 show 打印属性 start、end、length

程序运行输出结果如下：

start = 20, end = 100, length = 90

start 修改为 20 后，length 应该等于 80，但是程序输出表明 length 等于 90。由于 start 修改后，忘记修改 length，造成了这样的逻辑错误。

2.2 使用私有属性解决问题

为了解决上个小节中的问题，将属性 start、end、length 设置为私有属性：

禁止在外界直接访问这 3 个属性
只能通过对应的 get/set 方法访问这 3 个属性

class Segment:
    def __init__(self, start, end):
        self.__start = start
        self.__end = end
        self.__length = self.__end - self.__start

    def get_start(self):
        return self.__start

    def set_start(self, start):
        self.__start = start
        self.__length = self.__end - self.__start

    def get_end(self):
        return self.__end

    def set_end(self, end):
        self.__end = end
        self.__length = self.__end - self.__start

    def get_length(self):
        return self.__start

    def set_length(self, length):
        self.__length = length

    def show(self):
        print('start = %d, end = %d, length = %d' % (self.__start, self.__end, self.__length))

segment = Segment(10, 100)
segment.set_start(20)
segment.show()

类 Segment，包含 3 个私有属性，读写这些属性的方法如下：

方法	功能
get_start	读取属性 start
set_start	设置属性 start
get_end	读取属性 end
set_end	设置属性 end
get_length	读取属性 length
set_length	设置属性 length

在第 12 行，在 set_start 方法中，修改属性 start 时，同时重新计算属性 length
在第 19 行，在 set_end 方法中，修改属性 end 时，同时重新计算属性 length
在 set 方法中，修改 start 和 end 属性时，同时修改 length 属性，从而保证了一致性，不会出现上个小节中的逻辑错误。

程序运行输出结果如下：

start = 20, end = 100, length = 80

输出表明，当属性 start 修改为 20 后，属性 length 被修改为 80，避免了上个小节中的错误。

3. 私有方法的定义

3.1 定义

在Python 的面向对象编程中, 私有方法是只能在类的实例方法中访问的方法，不允许在外界访问私有方法。在方法名称前加上前缀 __，表示该方法为私有方法，示例代码如下：

class Object:
    def __private_method(self):
        pass

在第 3 行，定义了一个私有方法 __private_method。

3.2 在类外访问私有方法

私有方法只能在类的内部被调用，不允许在类的外部访问。示例代码如下：

class Object:
    def __private_method(self):
        pass

object = Object()        
object.__private_method()

在第 2 行，定义了一个私有方法 __private_method
在第 5 行，创建一个实例 object
在第 6 行，调用实例的私有方法 __private_method

程序运行输出如下：

Traceback (most recent call last):
  File "method-error.py", line 6, in <module>
    object.__private_method()
AttributeError: 'Object' object has no attribute '__private_method'

程序运行报错：‘Object’ object has no attribute ‘__private_method’，表示无法找到方法 __private_method’。因此，在类 Person 的外部无法调用实例的私有方法。

4. 私有方法的应用

4.1 概述

本节完成一个分析文本的程序，文本由多个单词构成，单词之间使用空格隔开，单词的类型如下：

数字，例如 123
字母，例如 abc
操作符，例如 =、+、- 等符号

程序对文本分析后，输出单词的类型和值，假设输入文本为 a = 123，则输出如下：

alpha    a
operator =
digit    123

程序的思路如下：

定义方法 parse_string，它将文本分割为多个单词
定义方法 parse_word，它判断并打印单词的类型
在方法 parse_string 中调用 parse_word 处理每个单词

方法 parse_word 用于辅助实现方法 parse_string，不需要被外界访问，因此将其设定为私有方法。

4.2 使用私有方法解决问题

class Parser:
    def __parse_word(self, word):
        if word.isdigit():
            print('digit    %s' % word)
        elif word.isalpha():
            print('alpha    %s' % word)
        elif word == '=' or word == '+' or word == '-':
            print('operator %s' % word)

    def parse_string(self, string):
        words = string.split(' ')
        for word in words:
            self.__parse_word(word)

parser = Parser()
parser.parse_string('sum = sum + 100')

在第 2 行，定义私有方法 __parse_word，判断单词的类型
- 在第 3 行，通过方法 isdigit 判断是否为数字
- 在第 5 行，通过方法 isalpha 判断是否为字母
在第 10 行，定义公开方法 parse_string
- 在第 11 行，使用 split 将文本分割为多个单词
- 在第 13 行，循环调用私有方法 __parse_word 处理每个单词
在第 16 行，在类 Parser 的外部，调用公开方法 parse_string

实现方法 parse_string 是类 Parser 的接口，外界通过这个方法实现分析文本的功能；而方法 __parse_word 是一个辅助方法，它用于实现方法 parse_string，不需要公开给外界调用，因此将它设定为私有方法。

程序运行输出如下：

alpha    sum
operator =
alpha    sum
operator +
digit    100