Python 类与对象的详细用法

Python 是一种面向对象编程语言，其中 类 和 对象 是核心概念。通过使用类与对象，我们可以实现代码的高效复用、逻辑的清晰结构化以及功能模块化。本教程将详细介绍 Python 中类与对象的概念、使用方法及示例，帮助你更容易学习和理解。

一、什么是类和对象？

1. 类：类是一个蓝图，用于定义对象的属性和行为。它定义了对象的结构和方法。
2. 对象：对象是类的实例。类是抽象的，而对象是具体的。

举例：

class Car:
    # 类是一个模板，描述车的属性和行为
    pass

# 实例化类，生成对象
my_car = Car()

二、定义类和创建对象

2.1 定义类

使用 class 关键字定义类。类通常包含以下部分：

• 属性（变量）：描述对象的特征。
• 方法（函数）：定义对象的行为。

class Dog:
    # 初始化方法，定义属性
    def __init__(self, name, breed):
        self.name = name  # 属性1
        self.breed = breed  # 属性2

    # 定义方法
    def bark(self):
        print(f"{self.name} is barking!")

2.2 创建对象

通过调用类名并传入参数来创建对象。

# 创建对象
dog1 = Dog("Buddy", "Golden Retriever")
dog2 = Dog("Max", "Beagle")

# 调用对象的方法
dog1.bark()  # 输出：Buddy is barking!
dog2.bark()  # 输出：Max is barking!

三、类的详细用法

3.1 类的属性

类变量和实例变量

• 类变量：属于类，所有对象共享。
• 实例变量：属于实例，每个对象独有。

class Circle:
    pi = 3.14  # 类变量

    def __init__(self, radius):
        self.radius = radius  # 实例变量

# 访问类变量和实例变量
c1 = Circle(5)
c2 = Circle(10)

print(Circle.pi)  # 3.14，访问类变量
print(c1.radius)  # 5，访问实例变量
print(c2.radius)  # 10

3.2 类的方法

普通方法

普通方法的第一个参数是 self，用于表示对象本身。

class Rectangle:
    def __init__(self, width, height):
        self.width = width
        self.height = height

    def area(self):
        return self.width * self.height

# 创建对象并调用方法
rect = Rectangle(5, 10)
print(rect.area())  # 50

类方法

类方法使用 @classmethod 装饰器，第一个参数是 cls，表示类本身。

class MyClass:
    count = 0

    @classmethod
    def increment_count(cls):
        cls.count += 1

MyClass.increment_count()
print(MyClass.count)  # 1

静态方法

静态方法使用 @staticmethod 装饰器，不需要 self 或 cls 参数。

class Math:
    @staticmethod
    def add(x, y):
        return x + y

print(Math.add(3, 5))  # 8

四、继承与多态

4.1 继承

一个类可以继承另一个类，子类会获得父类的所有属性和方法。

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

    def speak(self):
        print(f"{self.name} makes a sound.")

class Cat(Animal):
    def speak(self):
        print(f"{self.name} meows.")

# 创建对象
animal = Animal("Generic Animal")
animal.speak()  # Generic Animal makes a sound.

cat = Cat("Kitty")
cat.speak()  # Kitty meows.

4.2 多态

通过继承可以实现多态，即同一方法在不同对象上有不同的行为。

def animal_sound(animal):
    animal.speak()

dog = Dog("Buddy", "Golden Retriever")
cat = Cat("Kitty")
animal_sound(dog)  # Buddy is barking!
animal_sound(cat)  # Kitty meows.

五、特殊方法与操作符重载

5.1 特殊方法

特殊方法以双下划线开头和结尾（如 __init__、__str__）。

class Book:
    def __init__(self, title, author):
        self.title = title
        self.author = author

    def __str__(self):
        return f"'{self.title}' by {self.author}"

book = Book("1984", "George Orwell")
print(book)  # '1984' by George Orwell

5.2 操作符重载

可以重载操作符以支持自定义的对象运算。

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 __str__(self):
        return f"Vector({self.x}, {self.y})"

v1 = Vector(1, 2)
v2 = Vector(3, 4)
print(v1 + v2)  # Vector(4, 6)

六、类的封装、继承与多态示意图

以下示意图展示了类的三大特性：

1. 封装：通过访问控制隐藏类内部实现。
2. 继承：子类可以复用父类代码。
3. 多态：同一方法在不同对象上的行为不同。

Animal (父类)
└── Dog (子类)
    ├── 属性：name, breed
    ├── 方法：bark()

七、完整案例：银行账户管理系统

class BankAccount:
    def __init__(self, owner, balance=0):
        self.owner = owner
        self.balance = balance

    def deposit(self, amount):
        self.balance += amount
        print(f"Deposited ${amount}. New balance: ${self.balance}")

    def withdraw(self, amount):
        if amount > self.balance:
            print("Insufficient funds.")
        else:
            self.balance -= amount
            print(f"Withdrew ${amount}. New balance: ${self.balance}")

# 创建账户并操作
account = BankAccount("Alice", 1000)
account.deposit(500)
account.withdraw(300)
account.withdraw(1500)

八、总结

通过本文的学习，我们掌握了 Python 中类与对象的以下知识点：

1. 定义类和创建对象。
2. 使用类变量、实例变量和方法。
3. 实现继承与多态。
4. 特殊方法和操作符重载的使用。

理解类与对象的概念和用法将大大提高代码复用性和可维护性。祝你学习愉快！