9.3. 初探类

类引入了一些新语法,三种新对象类型和一些新语义。

9.3.1. 类定义语法

最简单的类定义看起来像这样:

  1. class ClassName:
  2. <statement-1>
  3. .
  4. .
  5. .
  6. <statement-N>

类定义与函数定义 (def 语句) 一样必须被执行才会起作用。 (你可以尝试将类定义放在 if 语句的一个分支或是函数的内部。)

在实践中,类定义内的语句通常都是函数定义,但也允许有其他语句,有时还很有用 —- 我们会稍后再回来说明这个问题。 在类内部的函数定义通常具有一种特别形式的参数列表,这是方法调用的约定规范所指明的 —- 这个问题也将在稍后再说明。

当进入类定义时,将创建一个新的命名空间,并将其用作局部作用域 —- 因此,所有对局部变量的赋值都是在这个新命名空间之内。 特别的,函数定义会绑定到这里的新函数名称。

当(从结尾处)正常离开类定义时,将创建一个 类对象。 这基本上是一个包围在类定义所创建命名空间内容周围的包装器;我们将在下一节了解有关类对象的更多信息。 原始的(在进入类定义之前起作用的)局部作用域将重新生效,类对象将在这里被绑定到类定义头所给出的类名称 (在这个示例中为 ClassName)。

9.3.2. 类对象

类对象支持两种操作:属性引用和实例化。

属性引用 使用 Python 中所有属性引用所使用的标准语法: obj.name。 有效的属性名称是类对象被创建时存在于类命名空间中的所有名称。 因此,如果类定义是这样的:

  1. class MyClass:
  2. """A simple example class"""
  3. i = 12345
  4.  
  5. def f(self):
  6. return 'hello world'

那么 MyClass.iMyClass.f 就是有效的属性引用,将分别返回一个整数和一个函数对象。 类属性也可以被赋值,因此可以通过赋值来更改 MyClass.i 的值。 doc 也是一个有效的属性,将返回所属类的文档字符串: "A simple example class"

类的 实例化 使用函数表示法。 可以把类对象视为是返回该类的一个新实例的不带参数的函数。 举例来说(假设使用上述的类):

  1. x = MyClass()

创建类的新 实例 并将此对象分配给局部变量 x

实例化操作(“调用”类对象)会创建一个空对象。 许多类喜欢创建带有特定初始状态的自定义实例。 为此类定义可能包含一个名为 init() 的特殊方法,就像这样:

  1. def __init__(self):
  2. self.data = []

当一个类定义了 init() 方法时,类的实例化操作会自动为新创建的类实例发起调用 init()。 因此在这个示例中,可以通过以下语句获得一个经初始化的新实例:

  1. x = MyClass()

当然,init() 方法还可以有额外参数以实现更高灵活性。 在这种情况下,提供给类实例化运算符的参数将被传递给 init()。 例如,:

  1. >>> class Complex:
  2. ... def __init__(self, realpart, imagpart):
  3. ... self.r = realpart
  4. ... self.i = imagpart
  5. ...
  6. >>> x = Complex(3.0, -4.5)
  7. >>> x.r, x.i
  8. (3.0, -4.5)

9.3.3. 实例对象

现在我们可以用实例对象做什么?实例对象理解的唯一操作是属性引用。有两种有效的属性名称,数据属性和方法。

数据属性 对应于 Smalltalk 中的“实例变量”,以及 C++ 中的“数据成员”。 数据属性不需要声明;像局部变量一样,它们将在第一次被赋值时产生。 例如,如果 x 是上面创建的 MyClass 的实例,则以下代码段将打印数值 16,且不保留任何追踪信息:

  1. x.counter = 1
  2. while x.counter < 10:
  3. x.counter = x.counter * 2
  4. print(x.counter)
  5. del x.counter

另一类实例属性引用称为 方法。 方法是“从属于”对象的函数。 (在 Python 中,方法这个术语并不是类实例所特有的:其他对象也可以有方法。 例如,列表对象具有 append, insert, remove, sort 等方法。 然而,在以下讨论中,我们使用方法一词将专指类实例对象的方法,除非另外显式地说明。)

实例对象的有效方法名称依赖于其所属的类。 根据定义,一个类中所有是函数对象的属性都是定义了其实例的相应方法。 因此在我们的示例中,x.f 是有效的方法引用,因为 MyClass.f 是一个函数,而 x.i 不是方法,因为 MyClass.i 不是一个函数。 但是 x.fMyClass.f 并不是一回事 —- 它是一个 方法对象,不是函数对象。

9.3.4. 方法对象

通常,方法在绑定后立即被调用:

  1. x.f()

MyClass 示例中,这将返回字符串 'hello world'。 但是,立即调用一个方法并不是必须的: x.f 是一个方法对象,它可以被保存起来以后再调用。 例如:

  1. xf = x.f
  2. while True:
  3. print(xf())

将继续打印 hello world,直到结束。

当一个方法被调用时到底发生了什么? 你可能已经注意到上面调用 x.f() 时并没有带参数,虽然 f() 的函数定义指定了一个参数。 这个参数发生了什么事? 当不带参数地调用一个需要参数的函数时 Python 肯定会引发异常 —- 即使参数实际未被使用…

实际上,你可能已经猜到了答案:方法的特殊之处就在于实例对象会作为函数的第一个参数被传入。 在我们的示例中,调用 x.f() 其实就相当于 MyClass.f(x)。 总之,调用一个具有 n 个参数的方法就相当于调用再多一个参数的对应函数,这个参数值为方法所属实例对象,位置在其他参数之前。

如果你仍然无法理解方法的运作原理,那么查看实现细节可能会澄清问题。 当一个实例的非数据属性被引用时,将搜索实例所属的类。 如果名称表示一个属于函数对象的有效类属性,会通过合并打包(指向)实例对象和函数对象到一个抽象对象中的方式来创建一个方法对象:这个抽象对象就是方法对象。 当附带参数列表调用方法对象时,将基于实例对象和参数列表构建一个新的参数列表,并使用这个新参数列表调用相应的函数对象。

9.3.5. 类和实例变量

一般来说,实例变量用于每个实例的唯一数据,而类变量用于类的所有实例共享的属性和方法:

  1. class Dog:
  2.  
  3. kind = 'canine' # class variable shared by all instances
  4.  
  5. def __init__(self, name):
  6. self.name = name # instance variable unique to each instance
  7.  
  8. >>> d = Dog('Fido')
  9. >>> e = Dog('Buddy')
  10. >>> d.kind # shared by all dogs
  11. 'canine'
  12. >>> e.kind # shared by all dogs
  13. 'canine'
  14. >>> d.name # unique to d
  15. 'Fido'
  16. >>> e.name # unique to e
  17. 'Buddy'

正如 名称和对象 中已讨论过的,共享数据可能在涉及 mutable 对象例如列表和字典的时候导致令人惊讶的结果。 例如以下代码中的 tricks 列表不应该被用作类变量,因为所有的 Dog 实例将只共享一个单独的列表:

  1. class Dog:
  2.  
  3. tricks = [] # mistaken use of a class variable
  4.  
  5. def __init__(self, name):
  6. self.name = name
  7.  
  8. def add_trick(self, trick):
  9. self.tricks.append(trick)
  10.  
  11. >>> d = Dog('Fido')
  12. >>> e = Dog('Buddy')
  13. >>> d.add_trick('roll over')
  14. >>> e.add_trick('play dead')
  15. >>> d.tricks # unexpectedly shared by all dogs
  16. ['roll over', 'play dead']

正确的类设计应该使用实例变量:

  1. class Dog:
  2.  
  3. def __init__(self, name):
  4. self.name = name
  5. self.tricks = [] # creates a new empty list for each dog
  6.  
  7. def add_trick(self, trick):
  8. self.tricks.append(trick)
  9.  
  10. >>> d = Dog('Fido')
  11. >>> e = Dog('Buddy')
  12. >>> d.add_trick('roll over')
  13. >>> e.add_trick('play dead')
  14. >>> d.tricks
  15. ['roll over']
  16. >>> e.tricks
  17. ['play dead']