19.面向对象编程-
1 为什么考虑数据抽象和面向对象编程Python类（class） 类和对象创建对象对象方法 编程实例 类的继承（类层次结构，类功能的利用和修改，下次课的内容） 计算概论（Python程序设计） 裘宗燕，2015/5/25//-1- 程序组织 随着程序越来越大，需要有更好的方法把程序组织起来 前面讨论的各种程序结构，其中最大的单位是函数，用于构造计算过程的抽象（过程抽象/函数抽象）Python允许函数定义嵌套，通过嵌套定义和一组函数和局部变量，可以把很复杂的（计算）功能包装在一个函数里 但仅有函数抽象可能不够，或者不够方便 许多计算功能需要围绕一类数据描述（定义）。
例如，定义一个有理数功能包，能大大简化（规范）处理有理数的程序 这种围绕着一类数据“对象”的程序实际上包含两个方面o数据对象的表示。
例如用一个二元组表示一个有理数o一组操作。
例如从有理数计算出新的有理数等 计算概论（Python程序设计） 裘宗燕，2015/5/25//-2- 数据组织 Python提供了一批内置类型，每个类型是一种数据抽象表示一类数据（如整数、表等），有一组可用操作用一个名字（类型名）代表这类对象提供了一种（或几种）字面量描述方式可以利用Python内置的组合类型实现程序所需的数据组织 前面讨论了组合的形式表示有理数的必要性，也借助于Python的数据组合机制设计了一种有理数实现，其中用两个元素的元组表示有理数，元素分别表示分子和分母定义了一组操作，定义了构造这种形式的“有理数”的函数，还有定义了基于这种元组实现各种有理数运算的函数定义这样一套函数，就像是在Python里实现了有理数 计算概论（Python程序设计） 裘宗燕，2015/5/25//-3- 基于数据组合，有根本性的缺点 虽然上述技术可行，但也有一些明显的弱点（缺点） 操作方式是通过下标访问元组元素，r[0]、r[1]没有提示性。
对于成分更多的对象，这样操作很容易写错 这里建立和操作的只是规定形式的元组（两个元素都是整数的元组），而不是真正的有理数 例：假如还需要表示整数格点，可能也会用二元组。
这时无法区分两种不同数据，无法避免不正确的互操作 相关的操作无法绑定于表示有理数的元组对象 Python的函数不描述参数类型，使问题更严重 无法利用Python中各种与类型有关的机制 总结：虽然定义了有理数的表示，但不能将其区别于其他元组对象。
这样的“有理数”只是一种表示形式，不是一种类型 计算概论（Python程序设计） 裘宗燕，2015/5/25//-4- 用户定义类型 无论编程语言提供了多少内置类型，也不可能满足编程序的人的需要。
解决问题的办法只能是允许编程序的人定义所需类型 称为用户定义类型（user-definedtypes） 定义新类型也是扩充语言，但这种定义比函数复杂，因为一个类型不仅要关注一类数据的表示，还需要定义一组相关操作 进而，用户定义类型应该具有与内置类型同等地位，同样操作方式，从使用方式上无区分 总之，实现复杂程序时，经常需要围绕着一类数据组织程序模块，需要数据抽象机制。
内置类型总不够用，需要用户定义类型 实现数据抽象，就需要能把一类数据的表示方式（实现方式）和相关操作集合在一起，做成一个整体 定义为类型，使之自然融入Python语言的编程环境中 计算概论（Python程序设计） 裘宗燕，2015/5/25//-5- 数据抽象 Python支持数据抽象的编程概念是类（class）和对象 整个Python语言也是围绕着类和对象的概念构造起来的 Python的所有内置类型都被看着是类，例如 >>>type
(1)>>>type(print) 整数1的类型是名字为int的类，print的类型也是类 Python语言被称为是一种面向对象的编程语言 类和对象是面向对象编程的两个最基本概念 例如，int是一个类型（类），0、1等是这个类型的对象。
下面考虑基于类和对象的编程，也就是面向对象的编程 计算概论（Python程序设计） 裘宗燕，2015/5/25//-6- 类和抽象数据类型 类定义是Python语言里的一种程序结构，一个类（一个类定义）为程序引入了一个新的数据类型 所定义的类具有给定的名字，可以通过名字使用 程序里可以建立该类的实例，称为该类的对象或实例对象 类定义中描述了其实例（对象）的表示方式和相关操作 类定义的形式很简单，基本形式是： class类名:语句块 其中语句块可以包含任何语句，最常见情况是一系列函数定义，也可以有一些赋值语句建立一组局部变量（称为属性） 与函数定义的情况类似，Python把类定义也看成一种复合语句， 其执行的效果就是建立起一个类对象，并将其与类名约束 计算概论（Python程序设计） 裘宗燕，2015/5/25//-7- 类定义实例：初探 通过一个例子说明类定义的一些情况：有理数类有理数类的实例应该是有理数，类定义应该描述有理数的行为 需要考虑如何存储一个有理数的信息需要定义有理数的行为，即它们能做的各种运算需要为有理数类命名选定Rational作为有理数类的名字，定义好的类可以：创建有理数：Rational(3,5)将创建一个有理数，建立起一个 分子为3分母为5有理数对象有理数运算：需要为有理数定义一组操作（运算），实现各 种有用的有理数运算首先考虑一个朴素的实现 计算概论（Python程序设计） 裘宗燕，2015/5/25//-8- 简单有理数类 类定义通常包含一些函数定义和一些用赋值描述的数据定义 类里的函数定义描述该类的函数属性，定义的函数称为这个类的方法。
最基本的是实例方法，可供本类的实例使用 用赋值形式描述的是类的数据属性，有关情况后面介绍 定义有理数类是为了建立和使用有理数，考虑一些情况 有理数对象需要创建和记录成分，为此需定义一个用特殊名字__init__的初始化方法，建立有理数时自动调用这个方法 有时需要取得有理数的分子或分母，为此需要定义两个方法，分别命名为num和den 需要做有理数计算，需要定义相应方法 在实例方法的定义中，总需要用第一个参数描述被操作的实例对象，这个参数通常取名self。
还可以有其他参数 计算概论（Python程序设计） 裘宗燕，2015/5/25//-9- 简单有理数类 classRational0:#定义几个实例方法，其他类似def__init__(self,num,den=1):self._num=num#设置实例的数据属性self._den=den#用_num形式名字避免与方法名冲突 defnum(self):returnself._num defden(self):returnself._den defplus(self,another):n=(self._num*another._den+self._den*another._num)d=self._den*another._denreturnRational0(n,d) defprint(self):#输出有理数的方法，输出形式(n/d) print("("+str(self._num)+"/"+str(self._den)+")") 计算概论（Python程序设计） 裘宗燕，2015/5/25//-10- 简单有理数类 一些情况：从实例出发，通过圆点形式调用类里定义的实例方法实例方法里通过参数self以self.xxx形式访问实例的属性初始化方法为实例对象设置属性值，对象可以有任意多个属性，设置即建立。
创建的每个有理数都有两个属性可以根据需要扩充其他操作（增加有理数运算） 这个简单有理数类可用，但也有些情况不令人满意建立的有理数不规范，数学中常要求分数的分母为正计算中没有做有理数化简。
虽然Python可以表示任意大整数，计算结果正确。
但表示大整数浪费资源，也不利于阅读有理数的输出最好能纳入内置print之中（可以考虑） 计算概论（Python程序设计） 裘宗燕，2015/5/25//-11- 改造的有理数类 作为一个更好的有理数类，应该总建立规范的有理数 需要检查分子/分母的符号，对其进行规范化 需要考虑化简，保证创建的总是不可约简的有理数 化简有理数时需要求最大公约数的函数，这个函数在前面做过。
现在的问题是，应该把这个函数定义在哪里？ 两种可能： 定义为全局函数，这样定义的函数与有理数类无关，可以随处使用，对于gcd这种通用函数，可以考虑 定义在类里，但要注意：gcd不以有理数对象作为操作对象，不应定义为以self作为第一个参数的实例方法 类定义中常需要一些在类内部使用，但不以本类的实例对象为操作对象的函数，Python为处理这种问题提供了静态方法 计算概论（Python程序设计） 裘宗燕，2015/5/25//-12- 改造的有理数类 现在考虑改造的有理数类的定义： classRational:@staticmethod#定义一个内部使用的静态函数def_gcd(m,n):#用_开头的名字是Python惯例ifn==0:m,n=n,mwhilem!
=0:m,n=n%m,mreturnn 在类的内部，静态函数应该通过类名以圆点形式调用 静态函数没有self参数，与本类实例无关 用_开头的名字作为类的内部定义，在类外不应该使用。
但这只是约定，Python并不禁止在类外使用 计算概论（Python程序设计） 裘宗燕，2015/5/25//-13- 改造的有理数类 新的初始化函数： def__init__(self,num,den=1):ifnotisinstance(num,int)ornotisinstance(den,int):raiseTypeErrorifden==0:raiseZeroDivisionErrorsign=1#记录数的符号ifnum<0:#记录分子符号num,sign=-num,-signifden<0:#记录分母符号den,sign=-den,-signg=Rational._gcd(num,den)#调用本类的_gcdself._num=sign*(num//g)self._den=den//g 计算概论（Python程序设计） 裘宗燕，2015/5/25//-14- 改造的有理数类 方法num和den的定义不变 现在考虑有理数运算 r1.plus(r2)的形式不太令人满意 有理数是数类型，最好能用内部数类型一样的+-*/运算符 Python规定了一套特殊方法名（函数名） 完整的表见标准库手册3.3节Specialmethodnames，包括__init__，__str__等 其中3.3.7.Emulatingnumerictypes给出了与各种算术运算有关的特殊方法名，包括： +：__add__-：__sub__ *:__mul__ /:__truediv__//:__floordiv__**:__pow__ %:__mod__ 计算概论（Python程序设计） 还有各种逻辑运算符等 裘宗燕，2015/5/25//-15- 改造的有理数类 定义有理数的算术运算，加法： def__add__(self,another):#模拟+运算符den=self._den*another.den()num=(self._num*another.den()+self._den*another.num())returnRational(num,den) 用Rational构造，保证构造出有理数总具有正确的形式 除法，需要检查除数，可能抛出异常： def__floordiv__(self,another):#模拟//运算符ifanother.num()==0:raiseZeroDivisionErrorreturnRational(self._num*another.den(),self._den*another.num()) 计算概论（Python程序设计） 裘宗燕，2015/5/25//-16- 改造的有理数类 考虑定义有理数的比较运算，Python也提供了特殊方法名 ==:__eq__ !
=:__ne__ <:__lt__ <+:__le__ >:__gt__ >=:__ge__ 方法定义： def__eq__(self,another):return(self._num*another.den()==self._den*another.num()) def__lt__(self,another):return(self._num*another.den()如果希望实现1+Rational(2,3)，需要另外定义一个方法（也有一组名字） def__radd__(self,another):#ifnotisinstance(another,int):raiseTypeErroranother=Rational(another) 计算概论（Py…thon…程序设计） 裘宗燕，2015/5/25//-19- 改造的有理数类 继续扩充，可以定义出一个完整的有理数类看看有理数计算的例子 目前定义的缺点：实现算术运算的实例方法中构造有理数，也像在类外构造有理数一样，做了很多无意义的检查 这个事情也可以解决，方法是另外定义一个类内部使用的构造有理数的方法，其中省略不必要的检查方法的名字可以任意取，其中调用Rational.__new__()建立新的Rational对象技术和解释比较复杂，在代码里有例子，定义了一个名字是create的方法，这里不解释，有些情况后面介绍 计算概论（Python程序设计） 裘宗燕，2015/5/25//-20- 类定义基本情况的总结 一个类定义的处理（计算）建立一个类对象 就像函数定义建立起一个函数对象，而后可以调用执行。
类定义建立的类对象主要用于创建类的实例对象 可以通过类名以函数调用形式建立本类的实例对象 类定义中可以包装一批属性，包括函数属性和数据属性 类定义里列出的定义（还可以有赋值）描述类的属性 Python处理类定义时为类对象建立这些属性 可以通过类对象使用其属性，如Rational._gcd(…) 注意区分由类定义创建的类对象和通过类实例化创建的实例对象 如果变量x的值是类C的实例对象，isinstance(x,C)成立 可对任两个对象检查此关系，例如isinstance(None,int) 计算概论（Python程序设计） 裘宗燕，2015/5/25//-21- 类定义基本情况的总结 例如： Python处理Rational类定义，建立一个相应的类对象，并将其约束于类名Rational 通过表达式Rational(…)创建的是有理数类的实例对象 前者可称为有理数类（有理数的类），后者可称为有理数 类定义里最重要的是一批表示实例方法的函数定义 每个实例函数以self为第一个参数名，代表方法的调用对象 实例方法从类实例对象出发，用圆点记法和参数表的形式调用，在调用时还需要为其他参数提供实参 初始化方法以__init__为名，创建本类对象时自动调用。
其self参数代表正在创建的对象。
这个方法用于给创建的对象建立数据属性，设置初始状态（应建立良好的初始状态） 计算概论（Python程序设计） 裘宗燕，2015/5/25//-22- 类定义基本情况的总结 通过一个类的实例对象，可以调用该类里定义的实例方法采用圆点调用形式，调用对象自动作为其第一个参数调用中应按需要提供其他参数 实例对象的属性通常都在初始化函数里设置一般采用_开头的名字，表示仅供实例方法使用实例的属性可以在其他实例方法里修改 一般而言，类里定义的实例方法可以分为三类：
1.建立新对象的操作（创建操作或构造操作）
2.使用对象内部信息的操作（访问操作或解析操作）
3.修改已有对象状态的操作（变动操作） 计算概论（Python程序设计） 裘宗燕，2015/5/25//-23- 类定义基本情况的总结 在有理数类里只有两类实例方法，创建和解析：这个类建立的对象，在创建之后的状态不会改变这种类型的对象就是不变对象这样的类定义出的类型即是不变类型（str类等也是这样） 对象属性的值决定了对象的状态如果在一个类里定义了修改对象属性的方法，执行这种方法就会修改对象的状态修改实例对象属性的操作称为变动操作定义了对象变动操作的类实现的是可变类型（类似list等）可变类型的实例对象就是可变对象 计算概论（Python程序设计） 裘宗燕，2015/5/25//-24- 类定义基本情况的总结 考虑一个简单的计数器类定义 classCounter:def__init__(self,init=0):#初始化操作self._count=init definc(self):self._count+=
1 #变动操作 defdec(self):self._count-=
1 #变动操作 defvalue(self):returnself._count#访问操作 defreset(self):self._count=0#变动操作 可以建立起任意多个计数器对象，每个维护一个计数状态 建立起的计数器对象，通过操作可以改变其内部状态 改变对象状态，并不改变其id函数的值（对象标识） 计算概论（Python程序设计） 裘宗燕，2015/5/25//-25- 类定义基本情况的总结 类定义可以定义静态方法（前加@staticmethod修饰字）用于实现并不与本类实例有关的方法，例如一些用于实现实例方法的辅助功能函数内部使用的方法通常用下划线开头的名字 Python支持用特殊方法名模拟内部类型的操作，通过运算符或系统内置函数自动调用这种函数名有一大批，其中一些可用于模拟算术表达式 计算概论（Python程序设计） 裘宗燕，2015/5/25//-26- 数据抽象与软件 以数据为中心是目前广泛使用的软件开发理念，原因之一： 数据更直接地对应于需要解决的客观问题所在的真实世界 人们对真实世界的研究和认识，总结为一些抽象或具体的概念，它们通常都具有信息内涵和可能的变化（操作） 这些可以比较直接地映射到数据抽象，定义为抽象数据类型 客观知识体系都围绕着一批概念，具体例子如： 自然语言（例如汉语）处理中的汉字、词、短语、句子是不同层次的对象。
各种对象有属性，例如动词/名词；相互搭配关系，等等 商业流通领域的商品、价格、存量、利润、货架、仓库、卖场分区、供应商、客户、折扣、处理商品等等 数学中的各种数、向量、矩阵、概念、定义、公理等 计算概论（Python程序设计） 裘宗燕，2015/5/25//-27- 数据抽象与软件 用计算中的对象模拟现实世界需要解决的问题中的对象，已证明是用计算机解决实际问题的一种有效方法，如此工作，需要 总结需要解决的问题领域的一组最主要的概念，总结出其数据属性和行为特征 设法建立相应的计算对象（类/类型），用这种对象的数据属性记录客观对象的信息，用相应操作反映客观对象的行为 采用基于数据抽象的设计，在计算机领域本身也有重要意义 抽象数据类型是比函数更大的程序模块概念，应用起来也更加灵活方便 从技术上，既能关注计算的数据方面的性质，也能关注计算方面的性质 从规模上，具有更好的适应性，可以定义或大或小的模块 计算概论（Python程序设计） 裘宗燕，2015/5/25//-28-