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# ============================================================
# Python 类（Class）完整教程
# ============================================================
# 本教程涵盖：类的定义、属性与方法、构造函数、继承、
# 多态、封装、类方法与静态方法、魔术方法、属性描述符等
# ============================================================
# ----------------------------------------------------------
# 1. 类的定义与实例化
# ----------------------------------------------------------
# 用 class 关键字定义类，类名习惯用大驼峰命名法
class Dog:
"""一个简单的狗类"""
# 类属性：所有实例共享
species = "犬科动物"
def __init__(self, name, age):
# 实例属性：每个实例独有
self.name = name
self.age = age
def bark(self):
"""实例方法：通过 self 访问实例属性"""
return f"{self.name} 汪汪叫！"
def speak(self):
return self.bark()
def describe(self):
return f"{self.name}，{self.age} 岁，属于{Dog.species}"
# 实例化
dog1 = Dog("旺财", 3)
dog2 = Dog("来福", 5)
print("--- 1. 类的定义与实例化 ---")
print(dog1.bark()) # 旺财 汪汪叫！
print(dog2.describe()) # 来福，5 岁，属于犬科动物
print(Dog.species) # 犬科动物（通过类名访问类属性）
print()
# ----------------------------------------------------------
# 2. 构造函数 __init__ 与 self
# ----------------------------------------------------------
# __init__ 是初始化方法，在实例创建后自动调用
# self 代表实例本身，Python 自动传入，调用时不需要传
class Person:
def __init__(self, name, age=0): # age 设默认值
self.name = name
self.age = age
# 可以在 __init__ 中做更多初始化工作
self.friends = []
def add_friend(self, friend_name):
self.friends.append(friend_name)
return f"{friend_name} 已添加为 {self.name} 的朋友"
p = Person("小明", 20)
print("--- 2. 构造函数 ---")
print(f"{p.name}，{p.age} 岁")
print(p.add_friend("小红"))
print(p.add_friend("小刚"))
print(f"朋友列表：{p.friends}")
print()
# ----------------------------------------------------------
# 3. 实例方法、类方法、静态方法
# ----------------------------------------------------------
# 实例方法：第一个参数是 self，操作实例数据
# 类方法：用 @classmethod 装饰，第一个参数是 cls，操作类级别数据
# 静态方法：用 @staticmethod 装饰，不需要 self 或 cls，工具函数
class MathUtils:
# 类属性
pi = 3.14159265
def __init__(self, value):
self.value = value
# 实例方法：访问实例属性
def square(self):
return self.value ** 2
# 类方法：访问/修改类属性
@classmethod
def set_pi(cls, new_pi):
cls.pi = new_pi
return f"pi 已更新为 {cls.pi}"
# 类方法：替代构造函数（工厂方法）
@classmethod
def from_string(cls, num_str):
"""从字符串创建实例"""
return cls(float(num_str))
# 静态方法：与类相关但不依赖实例或类的数据
@staticmethod
def is_positive(num):
return num > 0
print("--- 3. 实例方法、类方法、静态方法 ---")
m = MathUtils(5)
print(f"5 的平方 = {m.square()}")
print(f"pi = {MathUtils.pi}")
print(MathUtils.set_pi(3.14))
print(f"更新后 pi = {MathUtils.pi}")
# 使用类方法创建实例
m2 = MathUtils.from_string("3.14")
print(f"从字符串创建：value = {m2.value}")
# 静态方法
print(f"10 是正数吗？{MathUtils.is_positive(10)}")
print(f"-5 是正数吗？{MathUtils.is_positive(-5)}")
print()
# ----------------------------------------------------------
# 4. 继承
# ----------------------------------------------------------
# 子类继承父类的属性和方法，可以扩展或重写
class Animal:
def __init__(self, name):
self.name = name
def speak(self):
raise NotImplementedError("子类必须实现 speak 方法")
def info(self):
return f"我是 {self.name}"
class Cat(Animal):
def __init__(self, name, color):
super().__init__(name) # 调用父类构造函数
self.color = color
def speak(self):
return f"{self.name} 喵喵叫～"
def info(self):
# 调用父类方法并扩展
return f"{super().info()}，毛色是{self.color}"
class Duck(Animal):
def speak(self):
return f"{self.name} 嘎嘎叫！"
print("--- 4. 继承 ---")
cat = Cat("咪咪", "橘色")
duck = Duck("唐老鸭")
print(cat.speak()) # 咪咪 喵喵叫～
print(cat.info()) # 我是 咪咪，毛色是橘色
print(duck.speak()) # 唐老鸭 嘎嘎叫！
print(f"Cat 是 Animal 的子类：{issubclass(Cat, Animal)}")
print(f"cat 是 Cat 的实例：{isinstance(cat, Cat)}")
print(f"cat 也是 Animal 的实例：{isinstance(cat, Animal)}")
print()
# ----------------------------------------------------------
# 5. 多态
# ----------------------------------------------------------
# 不同子类对同一方法有不同实现，调用时自动匹配
def make_them_speak(animals):
"""让所有动物说话——不关心具体类型"""
for animal in animals:
print(animal.speak())
print("--- 5. 多态 ---")
animals = [Cat("小花", "白色"), Duck("唐老鸭"), Dog("旺财", 3)]
make_them_speak(animals)
print()
# ----------------------------------------------------------
# 6. 封装：私有属性与属性访问控制
# ----------------------------------------------------------
# Python 没有严格的访问控制，用命名约定表示：
# _name → 受保护（约定不直接访问，但可以）
# __name → 私有（名称改写，外部不易访问）
# 推荐用 @property 控制属性的读写
class BankAccount:
def __init__(self, owner, balance=0):
self.owner = owner
self.__balance = balance # 私有属性
@property
def balance(self):
"""余额：只读属性"""
return self.__balance
@balance.setter
def balance(self, amount):
"""通过 setter 修改余额，加入校验"""
if amount < 0:
raise ValueError("余额不能为负数")
self.__balance = amount
def deposit(self, amount):
if amount <= 0:
raise ValueError("存款金额必须大于零")
self.__balance += amount
return f"存入 {amount}，余额 {self.__balance}"
def withdraw(self, amount):
if amount <= 0:
raise ValueError("取款金额必须大于零")
if amount > self.__balance:
raise ValueError("余额不足")
self.__balance -= amount
return f"取出 {amount}，余额 {self.__balance}"
print("--- 6. 封装 ---")
account = BankAccount("张三", 1000)
print(f"户主：{account.owner}，余额：{account.balance}")
print(account.deposit(500))
print(account.withdraw(200))
print(f"当前余额：{account.balance}")
# 尝试直接访问私有属性（名称改写）
# print(account.__balance) # AttributeError!
# print(account._BankAccount__balance) # 技术上可以，但不推荐
print()
# ----------------------------------------------------------
# 7. 魔术方法（Dunder Methods）
# ----------------------------------------------------------
# 以双下划线包裹的方法，让自定义类支持内置操作
class Vector:
"""二维向量，演示常见魔术方法"""
def __init__(self, x, y):
self.x = x
self.y = y
def __repr__(self):
"""官方字符串表示，用于调试，应无歧义"""
return f"Vector({self.x}, {self.y})"
def __str__(self):
"""用户友好的字符串表示，print() 时使用"""
return f"({self.x}, {self.y})"
def __add__(self, other):
"""支持 + 运算符"""
return Vector(self.x + other.x, self.y + other.y)
def __sub__(self, other):
"""支持 - 运算符"""
return Vector(self.x - other.x, self.y - other.y)
def __mul__(self, scalar):
"""支持 * 运算符（向量数乘）"""
return Vector(self.x * scalar, self.y * scalar)
def __eq__(self, other):
"""支持 == 运算符"""
return self.x == other.x and self.y == other.y
def __abs__(self):
"""支持 abs() 函数，返回向量长度"""
return (self.x ** 2 + self.y ** 2) ** 0.5
def __len__(self):
"""支持 len() 函数，这里返回维度"""
return 2
def __getitem__(self, index):
"""支持索引访问 v[0], v[1]"""
if index == 0:
return self.x
elif index == 1:
return self.y
raise IndexError("Vector 索引只能是 0 或 1")
def __bool__(self):
"""支持布尔判断，零向量为 False"""
return self.x != 0 or self.y != 0
def __call__(self, scale=1):
"""让实例可调用"""
return Vector(self.x * scale, self.y * scale)
print("--- 7. 魔术方法 ---")
v1 = Vector(3, 4)
v2 = Vector(1, 2)
print(f"v1 = {v1}") # (3, 4)
print(f"repr(v1) = {repr(v1)}") # Vector(3, 4)
print(f"v1 + v2 = {v1 + v2}") # (4, 6)
print(f"v1 - v2 = {v1 - v2}") # (2, 2)
print(f"v1 * 3 = {v1 * 3}") # (9, 12)
print(f"v1 == Vector(3,4) = {v1 == Vector(3, 4)}")
print(f"abs(v1) = {abs(v1):.2f}") # 5.00
print(f"len(v1) = {len(v1)}") # 2
print(f"v1[0] = {v1[0]}, v1[1] = {v1[1]}")
print(f"bool(Vector(0,0)) = {bool(Vector(0, 0))}")
print(f"v1(2) = {v1(2)}") # (6, 8) — 像函数一样调用
print()
# ----------------------------------------------------------
# 8. 多重继承与 MRO
# ----------------------------------------------------------
# Python 支持多重继承，方法解析顺序（MRO）使用 C3 线性化
class A:
def greet(self):
return "Hello from A"
class B(A):
def greet(self):
return "Hello from B"
class C(A):
def greet(self):
return "Hello from C"
class D(B, C):
pass
print("--- 8. 多重继承与 MRO ---")
d = D()
print(d.greet()) # Hello from B（B 在继承列表中更靠前）
print(f"MRO: {[cls.__name__ for cls in D.__mro__]}")
# D -> B -> C -> A -> object
print()
# ----------------------------------------------------------
# 9. 组合优于继承
# ----------------------------------------------------------
# 当 "has-a" 关系比 "is-a" 更合适时，用组合
class Engine:
def __init__(self, horsepower):
self.horsepower = horsepower
def start(self):
return f"引擎启动！{self.horsepower} 马力"
class Wheel:
def __init__(self, size):
self.size = size
class Car:
"""汽车 '拥有' 引擎和轮子——组合关系"""
def __init__(self, brand, horsepower, wheel_size):
self.brand = brand
self.engine = Engine(horsepower) # 组合
self.wheels = [Wheel(wheel_size) for _ in range(4)] # 组合
def start(self):
return f"{self.brand}：{self.engine.start()}"
def info(self):
return f"{self.brand}，{self.engine.horsepower}马力，{len(self.wheels)}个{self.wheels[0].size}寸轮毂"
print("--- 9. 组合优于继承 ---")
car = Car("特斯拉", 450, 19)
print(car.start())
print(car.info())
print()
# ----------------------------------------------------------
# 10. 数据类 dataclass（Python 3.7+）
# ----------------------------------------------------------
# 自动生成 __init__、__repr__、__eq__ 等方法，适合数据容器
from dataclasses import dataclass, field
@dataclass
class Student:
name: str
age: int
scores: list[float] = field(default_factory=list)
active: bool = True
def average_score(self):
if not self.scores:
return 0
return sum(self.scores) / len(self.scores)
print("--- 10. 数据类 dataclass ---")
s1 = Student("小明", 18, [90, 85, 92])
s2 = Student("小红", 19, [88, 95, 91])
print(s1) # Student(name='小明', age=18, scores=[90, 85, 92], active=True)
print(f"平均分：{s1.average_score():.1f}")
print(f"s1 == Student('小明', 18, [90, 85, 92]) = {s1 == Student('小明', 18, [90, 85, 92])}")
print()
# ----------------------------------------------------------
# 11. 抽象基类（ABC）
# ----------------------------------------------------------
# 定义接口规范，子类必须实现抽象方法
from abc import ABC, abstractmethod
class Shape(ABC):
"""图形基类，子类必须实现 area 和 perimeter"""
@abstractmethod
def area(self):
"""计算面积"""
pass
@abstractmethod
def perimeter(self):
"""计算周长"""
pass
def describe(self):
return f"面积={self.area():.2f}，周长={self.perimeter():.2f}"
class Circle(Shape):
def __init__(self, radius):
self.radius = radius
def area(self):
import math
return math.pi * self.radius ** 2
def perimeter(self):
import math
return 2 * math.pi * self.radius
class Rectangle(Shape):
def __init__(self, width, height):
self.width = width
self.height = height
def area(self):
return self.width * self.height
def perimeter(self):
return 2 * (self.width + self.height)
print("--- 11. 抽象基类 ---")
# shape = Shape() # TypeError! 不能实例化抽象类
c = Circle(5)
r = Rectangle(4, 6)
print(f"圆形：{c.describe()}")
print(f"矩形：{r.describe()}")
print()
# ----------------------------------------------------------
# 12. 上下文管理器（with 语句）
# ----------------------------------------------------------
# 实现 __enter__ 和 __exit__，用于资源管理
class DatabaseConnection:
"""模拟数据库连接的上下文管理器"""
def __init__(self, db_name):
self.db_name = db_name
self.connected = False
def __enter__(self):
"""进入 with 块时调用"""
print(f" 连接到数据库 {self.db_name}...")
self.connected = True
return self # 返回的对象绑定到 as 变量
def __exit__(self, exc_type, exc_val, exc_tb):
"""退出 with 块时调用，即使发生异常也会执行"""
print(f" 断开数据库 {self.db_name} 的连接")
self.connected = False
# 返回 False 表示不抑制异常，True 则吞掉异常
return False
def query(self, sql):
if not self.connected:
raise RuntimeError("数据库未连接")
return f"执行查询：{sql}"
print("--- 12. 上下文管理器 ---")
with DatabaseConnection("mydb") as db:
print(db.query("SELECT * FROM users"))
# 离开 with 块后自动断开连接
print()
# ----------------------------------------------------------
# 13. __slots__ 优化
# ----------------------------------------------------------
# 限制实例属性，节省内存，提升访问速度
class Point:
__slots__ = ('x', 'y') # 只允许 x 和 y 两个属性
def __init__(self, x, y):
self.x = x
self.y = y
def __repr__(self):
return f"Point({self.x}, {self.y})"
print("--- 13. __slots__ ---")
p = Point(3, 4)
print(p)
# p.z = 5 # AttributeError! __slots__ 不允许添加新属性
print()
# ----------------------------------------------------------
# 14. 类型注解（Python 3.5+）
# ----------------------------------------------------------
# 为类的方法和属性添加类型提示，提升可读性和 IDE 支持
from typing import Optional
class UserService:
def __init__(self, db_connection: str) -> None:
self.db = db_connection
self.current_user: Optional[str] = None
def login(self, username: str, password: str) -> bool:
if username and password:
self.current_user = username
return True
return False
def get_user(self) -> Optional[str]:
return self.current_user
print("--- 14. 类型注解 ---")
svc = UserService("postgres://localhost")
print(f"登录前：{svc.get_user()}")
svc.login("admin", "123456")
print(f"登录后：{svc.get_user()}")
print()
# ----------------------------------------------------------
# 15. 综合实战：图书管理系统
# ----------------------------------------------------------
# 综合运用以上知识点
class BookNotFoundError(Exception):
pass
class BookAlreadyBorrowedError(Exception):
pass
@dataclass
class Book:
title: str
author: str
isbn: str
is_borrowed: bool = False
def __str__(self):
status = "已借出" if self.is_borrowed else "在馆"
return f"《{self.title}》{self.author} [{status}]"
class Library:
"""简易图书管理系统"""
def __init__(self, name: str):
self.name = name
self.__books: dict[str, Book] = {} # isbn -> Book
@property
def book_count(self) -> int:
return len(self.__books)
@property
def available_count(self) -> int:
return sum(1 for b in self.__books.values() if not b.is_borrowed)
def add_book(self, title: str, author: str, isbn: str) -> str:
book = Book(title, author, isbn)
self.__books[isbn] = book
return f"已添加：{book}"
def borrow_book(self, isbn: str) -> str:
if isbn not in self.__books:
raise BookNotFoundError(f"ISBN {isbn} 不存在")
book = self.__books[isbn]
if book.is_borrowed:
raise BookAlreadyBorrowedError(f"{book.title} 已被借出")
book.is_borrowed = True
return f"借出成功：{book}"
def return_book(self, isbn: str) -> str:
if isbn not in self.__books:
raise BookNotFoundError(f"ISBN {isbn} 不存在")
book = self.__books[isbn]
book.is_borrowed = False
return f"归还成功：{book}"
def list_books(self) -> list[str]:
return [str(book) for book in self.__books.values()]
def __repr__(self):
return f"Library({self.name}, 共{self.book_count}本, 可借{self.available_count}本)"
def __len__(self):
return self.book_count
def __contains__(self, isbn: str):
return isbn in self.__books
print("--- 15. 综合实战：图书管理系统 ---")
lib = Library("城市图书馆")
lib.add_book("Python编程", "Eric Matthes", "978-7-115-42802-8")
lib.add_book("流畅的Python", "Luciano Ramalho", "978-7-115-45415-8")
lib.add_book("算法导论", "Cormen", "978-7-111-40701-0")
print(f"图书馆：{lib}")
print("所有图书：")
for book_info in lib.list_books():
print(f" {book_info}")
print(lib.borrow_book("978-7-115-42802-8"))
print(f"借出一本后：{lib}")
print(lib.return_book("978-7-115-42802-8"))
print(f"归还后：{lib}")
print(f"ISBN 978-7-115-45415-8 在馆吗？{'978-7-115-45415-8' in lib}")
print()
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# 知识点速查表
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# ┌─────────────────────┬──────────────────────────────────────┐
# │ 概念 │ 关键语法 │
# ├─────────────────────┼──────────────────────────────────────┤
# │ 定义类 │ class ClassName: │
# │ 构造函数 │ def __init__(self, ...): │
# │ 实例属性 │ self.attr = value │
# │ 类属性 │ 在类体中直接定义 │
# │ 实例方法 │ def method(self, ...): │
# │ 类方法 │ @classmethod def m(cls, ...): │
# │ 静态方法 │ @staticmethod def m(...): │
# │ 继承 │ class Child(Parent): │
# │ 调用父类方法 │ super().method(...) │
# │ 私有属性 │ self.__attr │
# │ 属性访问器 │ @property / @attr.setter │
# │ 抽象基类 │ class Cls(ABC): + @abstractmethod │
# │ 数据类 │ @dataclass class Cls: │
# │ 上下文管理器 │ __enter__ / __exit__ │
# │ 限制属性 │ __slots__ = ('x', 'y') │
# │ 类型注解 │ def m(self, x: int) -> str: │
# └─────────────────────┴──────────────────────────────────────┘