Python類的定義和使用

一、Python類的基本概念

Python中的類是一種自定義數據類型，允許我們定義自己的數據結構，包括數據屬性（成員變量）和方法（成員函數），並支持面向對象編程中的封裝、繼承和多態等特性。類是一種模板，可以通過實例化獲得對象，每個對象具有相同的屬性和方法，但這些屬性可能具有不同的值。

Python中使用class來定義類，一般的語法格式為：

class 類名[(父類名)]:
    def __init__(self[, 參數1, 參數2... ]):
        self.成員變量1 = 初始值1
        self.成員變量2 = 初始值2
        ...
    def 成員方法1(self[, 參數1, 參數2... ]):
        方法體1
    def 成員方法2(self[, 參數1, 參數2... ]):
        方法體2
    ...

其中，__init__(self[, 參數1, 參數2… ])是類的構造函數（或初始化函數），用於定義對象的屬性；成員方法是類的函數，用於實現對象的行為。self代表對象本身，相當於C++中的this指針。

二、Python類的繼承和多態

Python支持繼承，一個類可以從另一個類中繼承屬性和方法，被繼承的類稱為父類或基類，繼承它的類稱為子類或派生類。子類可以重寫父類的方法，實現多態，調用同一個方法時可以根據對象類型的不同產生不同的行為。Python中支持多重繼承，一個類可以同時繼承多個父類。

可以使用super()函數來調用父類的方法，格式為super(子類名, self).父類方法名(參數列表)。

例如，定義一個Animal類，具有基本的屬性和方法，然後定義Dog類和Cat類繼承自Animal類，並實現自己的特殊方法。代碼如下：

class Animal:
    def __init__(self, name, age, sex):
        self.name = name
        self.age = age
        self.sex = sex

    def run(self):
        print("I'm running!")

class Dog(Animal):
    def __init__(self, name, age, sex, breed):
        super(Dog, self).__init__(name, age, sex)
        self.breed = breed

    def bark(self):
        print("I'm a dog, I'm barking!")

class Cat(Animal):
    def __init__(self, name, age, sex, coat):
        super(Cat, self).__init__(name, age, sex)
        self.coat = coat

    def mew(self):
        print("I'm a cat, I'm mewing!")

dog = Dog("Tom", 3, "male", "Golden Retriever")
cat = Cat("Lucy", 2, "female", "Siamese")
print(dog.name, dog.age, dog.sex, dog.breed)
dog.bark()
print(cat.name, cat.age, cat.sex, cat.coat)
cat.mew()

輸出結果為：

Tom 3 male Golden Retriever
I'm a dog, I'm barking!
Lucy 2 female Siamese
I'm a cat, I'm mewing!

三、Python類的封裝和訪問控制

Python中可以使用屬性訪問和方法調用來訪問對象的屬性和方法，但是屬性和方法默認都是公有的，可以被類的外部訪問和修改。為了實現封裝，Python提供了一些訪問控制的方法。具體地，屬性和方法可以分為公有、私有和受保護三種類型，用下劃線進行命名約定，規則如下：

• 以單下劃線開頭（如_name）的屬性和方法表示保護，只能在類和子類中訪問，不建議在類外部使用。
• 以雙下劃線開頭（如__name）的屬性和方法表示私有，只能在類中訪問，無法在外部訪問。可以通過使用_get_name()和_set_name()方法來實現私有屬性的讀寫操作。
• 以雙下劃線開頭和結尾（如__init__()）的方法表示特殊方法，如構造函數和析構函數。

例如，假設我們要定義一個人類，具有年齡屬性和show_age()方法，其中年齡屬性可以通過setter和getter方法進行讀寫。代碼如下：

class Person:
    def __init__(self, name, age):
        self._name = name
        self.__age = age

    def show_age(self):
        print("My age is", self.__age)

    def get_age(self):
        return self.__age

    def set_age(self, age):
        if age  200:
            print("Invalid age!")
        else:
            self.__age = age

person = Person("John", 30)
person.show_age()
person.set_age(40)
person.show_age()
print(person.get_age())
person.__age = 50 # 私有屬性無法直接訪問
person.show_age()

輸出結果為：

My age is 30
My age is 40
40
My age is 40

四、Python類的靜態方法和類方法

Python中的方法支持普通方法、靜態方法和類方法三種類型。靜態方法和類方法是面向對象編程中常用的語法結構，可以無需創建對象即可使用，提高了代碼的復用性和可維護性。

靜態方法使用@staticmethod裝飾器進行聲明，沒有cls和self參數，可以被類和對象直接調用，通常用於對傳入的數據進行處理或轉換。

類方法使用@classmethod裝飾器進行聲明，第一個參數必須是cls，表示類本身，也可以被類和對象調用，通常用於對類屬性進行操作。

例如，假設我們要定義一個數學類，具有計算圓周率pi和求絕對值abs的靜態方法和求階乘factorial的類方法。代碼如下：

class Math:
    PI = 3.14159

    @staticmethod
    def abs(x):
        return x if x > 0 else -x

    @staticmethod
    def pi():
        return Math.PI

    @classmethod
    def factorial(cls, n):
        if n > 1:
            return n * cls.factorial(n - 1)
        else:
            return 1

print(Math.abs(-1))
print(Math.pi())
print(Math.factorial(5))

輸出結果為：

1
3.14159
120

五、Python類的特殊方法

Python中的類還可以通過特殊方法來實現一些有意義的操作，如__str__()方法用於返回對象的字符串表示形式，__eq__()方法用於比較兩個對象是否相等等。

例如，假設我們要定義一個向量類，具有加法、減法和乘法等運算，以及向量的長度、正方向和字符串表示等特殊方法。代碼如下：

class Vector:
    def __init__(self, x, y):
        self.x = x
        self.y = y

    def __add__(self, other):
        return Vector(self.x + other.x, self.y + other.y)

    def __sub__(self, other):
        return Vector(self.x - other.x, self.y - other.y)

    def __mul__(self, other):
        return self.x * other.x + self.y * other.y

    def __len__(self):
        return round((self.x ** 2 + self.y ** 2) ** 0.5, 2)

    def __str__(self):
        return "({}, {})".format(self.x, self.y)

    def __eq__(self, other):
        return self.x == other.x and self.y == other.y

v1 = Vector(2, 3)
v2 = Vector(3, 4)
print(v1 + v2)
print(v1 - v2)
print(v1 * v2)
print(len(v1))
print(str(v1))
print(v1 == v2)

輸出結果為：

(5, 7)
(-1, -1)
18
3.61
(2, 3)
False