7.2.1 类的定义

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2023-12-01

7.2.1 类的定义

利用 OOP 来解决问题时，首要任务是确定该问题涉及哪些对象，每种对象分别具有什么数据和操作。类就是对这些信息的表达。类的创建，体现了面向对象的诸多思想和方法，本节对此进行详细介绍。

抽象

人们在认识客观世界时，经常采用抽象方法来对客观世界的众多事物进行归纳、分类。抽象就是忽略事物中与当前目标无关的、非本质的特征，而抽取与当前目标有关的、本质的特征。经过抽象，能够确认事物间的共性，并将具有共性的事物归入一类，从而得到一个抽象概念。抽象时需要考虑“当前目标”，对于某个事物，根据不同的解题目标，可以进行不同的抽象。

抽象是面向对象的基本方法，而抽象的工具就是“类”。我们用类来抽象、描述待求解问题所涉及的事物，具体包括两个方面的抽象：数据抽象和行为抽象。数据抽象描述某类对象共有的属性或状态，行为抽象描述某类对象共有的行为或功能特征。

例如，对学校里一个个具体的学生张三、李四、王五等进行概括，可以抽取出学号、姓名等数据属性，还可以抽取出选课、做项目、加入学生社团等行为属性，从而建立“学生类”。又如，对马路上形形色色的汽车进行概括，可以抽取出制造商、型号、排量等数据属性，还可以抽取出启动、刹车、加速等行为属性，从而建立“汽车类”。

抽象可以是在多个层次上进行的。例如，当抽象出学生、教师、职工等类别之后，可以从他们进一步抽象出“师生员工”类；当建立了汽车、火车、飞机等类别之后，可以从他们进一步抽象出“交通工具”类。如此进行，最终可以形成一个抽象层次，称为类层次。这种抽象方法在各学科中都是常用的，最典型的如生物学中的分类层次：

智人 → 人科 → 灵长目 → 哺乳纲 → 脊索动物门 → 动物界

封装

在日常生活中，人们使用着各种提供特定服务的设备，如汽车、彩电等等。对于这些设备，人们通常只需了解它们的功能，而不关心它们的内部是怎样工作的。类似地，计算机程序也是提供特定服务的“设备”，我们使用程序时通常也只关心程序的功能，而不关心程序内部的实现过程。OOP 中的封装概念正是这种思想的体现。

封装（encapsulation）是指用类将对象的数据和操作结合成一个封闭的程序单元，并对外部隐藏内部实现细节。隐藏信息包含两重意思：一是用户无需了解隐藏的信息就能使用该类，二是不允许用户直接操作类中被隐藏的信息。

封装导致外界不能直接存取对象的数据，但这并不是说我们就无法处理对象数据了。与数据封装在一起的还有对数据的操作（称为方法的一些函数），类会对外公开这些方法的名称和调用格式，亦即提供了与外界的交互界面。外界可以向对象发消息（所请求的方法名称及参数），然后对象通过执行方法来响应外界的消息。所以，外界可通过消息机制来间接处理对象数据。当然，外界只能按对象允许的方式来处理对象数据，因为对象能够响应的消息是由类定义决定的。

封装对类的实现者和使用者都有好处。第一，防止使用者直接操作对象数据时有意无意造成的错误，毕竟对象自己的方法处理自己的数据才是安全的；第二，使用者通过方法调用来操作数据时无需了解内部实现细节，类的功能非常易用；第三，即使实现者以后修改了类的内部实现，只要不改变方法界面，使用者就不会受到任何影响，这使得程序非常容易维护；第四，可以使同类甚至不同类的对象对使用者都呈现标准化的操作界面。以电视机为例可以很清楚地看出上述优点。电视机将内部各种器件封装起来，使用户只能通过面板上的按键来操作电视机，这样既保护了内部器件使之不易被用户损坏，又使电视机简单易用；电视机内部器件的维修和升级对用户来说没有任何影响；所有品牌的电视机几乎都提供标准化的面板（电源开关、频道切换、音量调节等），只要会使用一种电视机，基本上就会使用其他任何电视机甚至收音机（因为收音机界面也是类似的调换频道、调节音量等）。

Python 类定义

如前所述，类是用来刻划对象的数据特性和行为特性的。Python 中类定义形如：

class <类名>:
    <方法定义 1>:
        ...
    <方法定义 n>:

其中诸“方法定义”就是对对象的操作行为的定义，外界能够请求对象所做的事情完全由这些方法决定。

每个方法定义其实都是一个函数定义，即形如：

def <方法名>(<参数>):
    ...

方法与普通函数略有差别。首先，每个方法都必须有一个特殊的形参 self，并且 self 必须是该方法的第一个形参（如果还有其他参数的话）。至于这个特殊参数的作用，我们在稍后介绍方法调用的时候再解释。其次，方法只能通过对象来调用，即向对象发消息请求对象执行某个方法。

至此，读者也许会有疑问：不是说类中包含了数据和操作的定义吗，怎么上述类定义形式中只有操作没有数据？在 Python 中，类的实例所拥有的数据一般在类的方法中定义的，尤其是在一个特殊方法 init方法①中。这里的方法名 init是 Python 规定的，通常每个类都会定义 init__方法，其功能将在介绍类实例创建时进行解释。

作为例子，我们来定义类 Person。Person 是对现实世界中“人”的抽象，每个人都有自己的姓名和出生年份，并且都能回答外界有关其姓名和年龄的提问。我们将 Person 类的定义保存在文件 person.py 中，将来任何程序都可以通过导入此文件而使用 Person 类。

【程序 7.3】person.py

class Person:
    def __init__ (self,n,y): 
        self.name = n self.year = y
    def whatName(self):
        print "My name is",self.name 
    def howOld(self,y):
        age = y – self.year 
        if age > 0:
            print "My age in",y,"is",age 
        else:
            print "I was born in",self.year

Person 对象的数据就是在 init__方法中定义的 self.name 和 self.year，Person 对象能够执行的操作就是方法 whatName()和 howOld()。

像 Person 类中的 self.name 和 self.year 这样，以“self.<变量名>”形式定义的变量称为实例变量（instance variable），意思是这种数据是属于类的实例的，不同实例可有不同的值。实例变量可以在类的任何方法中定义（通常在 init中定义），也可以在类的任何方法中直接引用。Person 类中，self.name 和 self.year 是实例变量，将来创建的每一个 Person 实例都拥有这两个数据，每个实例各自的姓名和出生年份的值可以是不同的；另外，这两个实例变量虽然是在 init中定义，但在 whatName 和 howOld 方法中都可以直接引用。注意，如果方法中定义的某个变量名前没有 self 前缀，则该变量是普通的函数局部变量，其作用域仅限于该方法。例如上例中在 howOld 方法中定义的 age 就是局部变量，它只能在 howOld 中引用。类的方法定义中可以通过 self.f()的方式调用同一个类中的其它方法 f。例如：

① 注意，这个名称中 init 前后各是两个下划线字符！Python 常用这种形式的标识符来命名内部对象。

class Person1:
    def __init__ (self,n,y): 
        self.name = n 
        self.year = y
    def whatName(self):
        print "My name is",self.name 
    def howOld(self,y):
        age = y – self.year 
        if age > 0:
            print "My age in",y,"is",age 
        else:
            print "I was born in",self.year 
    def allInfo(self,y):
        self.whatName() 
        self.howOld(y)

其中的方法 allInfo 调用了本类中的另外两个方法 whatName 和 howOld。

类实际上是用户自定义的数据类型，是对 Python 语言本身提供的基本数据类型的扩充。一旦定义了类，就可以将它当作 Python 标准数据类型来使用。

作为特例，如果某种对象只包含一些数据，不包含对数据的操作，则可以在类中只定义实例变量而不定义操作方法（除了特殊的 init 方法）。这样的类相当于很多编程语言中的 “结构”类型①，其作用是将一些数据项组合成一个整体。事实上，类可以看作是传统结构类型的发展，即类是添加了数据操作的“结构”。

最后说一下命名问题。面向对象编程中习惯上使用大写字母开头的标识符来为类命名（如 Person），而类中方法和实例变量则惯常使用小写字母开头的标识符来命名（如 name、year 和 whatName）。方法名如果由多个单词构成，一般采用骆驼式命名法，即除第一个单词之外的各单词首字母大写，如 whatName 和 howOld。