Python编程-多态、封装、特性

一、多态与多态性

1.多态

（1）什么是多态

多态指的是一类事物有多种形态，（一个抽象类有多个子类，因而多态的概念依赖于继承）

• 序列类型有多种形态：字符串，列表，元组。
• 动物有多种形态：人，狗，猪
• 文件有多种形态：文本文件，可执行文件

import abc
class Animal(metaclass=abc.ABCMeta): #同一类事物:动物
    @abc.abstractmethod
    def talk(self):
        pass

class People(Animal): #动物的形态之一:人
    def talk(self):
        print('say hello')

class Dog(Animal): #动物的形态之二:狗
    def talk(self):
        print('say wangwang')

class Pig(Animal): #动物的形态之三:猪
    def talk(self):
        print('say aoao')

import abc
class File(metaclass=abc.ABCMeta): #同一类事物:文件
    @abc.abstractmethod
    def click(self):
        pass

class Text(File): #文件的形态之一:文本文件
    def click(self):
        print('open file')

class ExeFile(File): #文件的形态之二:可执行文件
    def click(self):
        print('execute file')

（2）多态的作用是什么

我们知道，封装可以隐藏实现细节，使得代码模块化；继承可以扩展已存在的代码模块（类）；它们的目的都是为了——代码重用。而多态则是为了实现另一个目的——接口重用！多态的作用，就是为了类在继承和派生的时候，保证使用“家谱”中任一类的实例的某一属性时的正确调用。

Pyhon 很多语法都是支持多态的，比如 len(),sorted(), 你给len传字符串就返回字符串的长度，传列表就返回列表长度。

class Animal(object):
    def __init__(self, name):  # Constructor of the class
        self.name = name

    def talk(self):              # Abstract method, defined by convention only
        raise NotImplementedError("Subclass must implement abstract method")

class Cat(Animal):
    def talk(self):
        print('%s: 喵喵喵!' %self.name)

class Dog(Animal):
    def talk(self):
        print('%s: 汪！汪！汪！' %self.name)

def func(obj): #一个接口，多种形态
    obj.talk()

c1 = Cat('小晴')
d1 = Dog('李磊')

func(c1)
func(d1)

2.多态性

多态性（polymorphisn）是允许你将父对象设置成为和一个或更多的他的子对象相等的技术，赋值之后，父对象就可以根据当前赋值给它的子对象的特性以不同的方式运作。简单的说，就是一句话：允许将子类类型的指针赋值给父类类型的指针。

（1）什么是多态性 （请务必注意：多态与多态性是两种概念。）

多态性是指具有不同功能的函数可以使用相同的函数名，这样就可以用一个函数名调用不同功能的函数。

在面向对象方法中一般是这样表述多态性：向不同的对象发送同一条消息（obj.func():是调用了obj的方法func，又称为向obj发送了一条消息func），不同的对象在接收时会产生不同的行为（即方法）。也就是说，每个对象可以用自己的方式去响应共同的消息。所谓消息，就是调用函数，不同的行为就是指不同的实现，即执行不同的函数。

比如：老师.下课铃响了（），学生.下课铃响了()，老师执行的是下班操作，学生执行的是放学操作，虽然二者消息一样，但是执行的效果不同

多态性分为静态多态性和动态多态性

• 静态多态性：如任何类型都可以用运算符+进行运算
• 动态多态性：如下
  
  

>>> def func(animal): #参数animal就是多态性的体现
...     animal.talk()
...
>>> people1=People() #产生一个人的对象
>>> pig1=Pig() #产生一个猪的对象
>>> dog1=Dog() #产生一个狗的对象
>>> func(people1)
say hello
>>> func(pig1)
say aoao
>>> func(dog1)
say wangwang

>>> def func(f):
...     f.click()
...
>>> t1=Text()
>>> e1=ExeFile()
>>> func(t1)
open file
>>> func(e1)
execute file

综上我们也可以说，多态性是‘一个接口（函数func），多种实现（如f.click()）。

（2）为什么要用多态性（多态性的好处）

其实大家从上面多态性的例子可以看出，我们并没有增加什么新的知识，也就是说python本身就是支持多态性的，这么做的好处是什么呢？

• 增加了程序的灵活性
  
  以不变应万变，不论对象千变万化，使用者都是同一种形式去调用，如func(animal)
• 增加了程序额可扩展性
  
  通过继承animal类创建了一个新的类，使用者无需更改自己的代码，还是用func(animal)去调用

>>> class Cat(Animal): #属于动物的另外一种形态：猫
...     def talk(self):
...         print('say miao')
...
>>> def func(animal): #对于使用者来说，自己的代码根本无需改动
...     animal.talk()
...
>>> cat1=Cat() #实例出一只猫
>>> func(cat1) #甚至连调用方式也无需改变，就能调用猫的talk功能
say miao

这样我们新增了一个形态Cat，由Cat类产生的实例cat1，使用者可以在完全不需要修改自己代码的情况下。使用和人、狗、猪一样的方式调用cat1的talk方法，即func(cat1)

二、封装

1.什么是封装

封装，也就是把客观事物封装成抽象的类，并且类可以把自己的数据和方法只让可信的类或者对象操作，对不可信的进行信息隐藏。

面向对象的封装特性：

• 将内容封装到某处
• 从某处调用被封装的内容

2.要封装什么

你钱包的有多少钱（数据的封装）

你的性取向（数据的封装）

你撒尿的具体功能是怎么实现的（方法的封装）

3.为什么要封装

封装不是单纯意义的隐藏：

（1） 封装数据的主要原因是：保护隐私（作为男人的你，脸上就写着：我喜欢男人，你害怕么？）

（2） 封装方法的主要原因是：隔离复杂度（快门就是傻瓜相机为傻瓜们提供的方法，该方法将内部复杂的照相功能都隐藏起来了，比如你不必知道你自己的尿是怎么流出来的，你直接掏出自己的接口就能用尿这个功能）

你的身体没有一处不体现着封装的概念：你的身体把膀胱尿道等等这些尿的功能隐藏了起来，然后为你提供一个尿的接口就可以了（接口就是你的。。。，），你总不能把膀胱挂在身体外面，上厕所的时候就跟别人炫耀：hi，man，你瞅我的膀胱，看看我是怎么尿的。还有你的头把你的脑子封装到了脑壳里，然后提供了眼睛这个接口....再比如电视机本身是一个黑盒子，隐藏了所有细节，但是一定会对外提供了一堆按钮，这些按钮也正是接口的概念，所以说，封装并不是单纯意义的隐藏！！！

提示：在编程语言里，对外提供的接口（接口可理解为了一个入口），可以是函数，称为接口函数，这与接口的概念还不一样，接口代表一组接口函数的集合体。

4.封装分为两个层面

封装其实分为两个层面，但无论哪种层面的封装，都要对外界提供好访问你内部隐藏内容的接口（接口可以理解为入口，有了这个入口，使用者无需且不能够直接访问到内部隐藏的细节，只能走接口，并且我们可以在接口的实现上附加更多的处理逻辑，从而严格控制使用者的访问）

第一个层面的封装（什么都不用做）：创建类和对象会分别创建二者的名称空间，我们只能用类名.或者obj.的方式去访问里面的名字，这本身就是一种封装

>>> r1.nickname
'草丛伦'
>>> Riven.camp
'Noxus'

<font color=#FF0000> 注意：对于这一层面的封装（隐藏），类名.和实例名.就是访问隐藏属性的接口</font>

第二个层面的封装：类中把某些属性和方法隐藏起来(或者说定义成私有的)，只在类的内部使用、外部无法访问，或者留下少量接口（函数）供外部访问。
在python中用双下划线的方式实现隐藏属性（设置成私有的）。
类中所有双下划线开头的名称如\_\_x都会自动变形成：\_类名\_\_x的形式：

class A:
    __N=0 #类的数据属性就应该是共享的,但是语法上是可以把类的数据属性设置成私有的如__N,会变形为_A__N
    def __init__(self):
        self.__X=10 #变形为self._A__X
    def __foo(self): #变形为_A__foo
        print('from A')
    def bar(self):
        self.__foo() #只有在类内部才可以通过__foo的形式访问到.

隐藏，并对外提供接口，接口附加类型检查逻辑

class Teacher:
    def __init__(self,name,age):
        self.__name=name
        self.__age=age

    def tell_info(self):
        print('姓名:%s,年龄:%s' %(self.__name,self.__age))
    def set_info(self,name,age):
        if not isinstance(name,str):
            raise TypeError('姓名必须是字符串类型')
        if not isinstance(age,int):
            raise TypeError('年龄必须是整型')
        self.__name=name
        self.__age=age

t=Teacher('egon',18)
t.tell_info()

t.set_info('egon',19)
t.tell_info()

5.封装的使用

（1）将内容封装到某处

self 是一个形式参数，当执行 obj1 = Foo('wupeiqi', 18 ) 时，self 等于 obj1

当执行 obj2 = Foo('alex', 78 ) 时，self 等于 obj2

所以，内容其实被封装到了对象 obj1 和 obj2 中，每个对象中都有 name 和 age 属性，在内存里类似于下图来保存。

（2）从某处调用被封装的内容

调用被封装的内容时，有两种情况：

• 通过对象直接调用
• 通过self间接调用

1）通过对象直接调用被封装的内容

上图展示了对象 obj1 和 obj2 在内存中保存的方式，根据保存格式可以如此调用被封装的内容：对象.属性名

class Foo:

    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age

obj1 = Foo('wupeiqi', 18)
print obj1.name    # 直接调用obj1对象的name属性
print obj1.age     # 直接调用obj1对象的age属性

obj2 = Foo('alex', 73)
print obj2.name    # 直接调用obj2对象的name属性
print obj2.age     # 直接调用obj2对象的age属性

2）通过self间接调用被封装的内容

执行类中的方法时，需要通过self间接调用被封装的内容

class Foo:

    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age

    def detail(self):
        print self.name
        print self.age

obj1 = Foo('wupeiqi', 18)
obj1.detail()  # Python默认会将obj1传给self参数，即：obj1.detail(obj1)，所以，此时方法内部的 self ＝ obj1，即：self.name 是 wupeiqi ；self.age 是 18

obj2 = Foo('alex', 73)
obj2.detail()  # Python默认会将obj2传给self参数，即：obj1.detail(obj2)，所以，此时方法内部的 self ＝ obj2，即：self.name 是 alex ； self.age 是 78

综上所述，对于面向对象的封装来说，其实就是使用构造方法将内容封装到 对象 中，然后通过对象直接或者self间接获取被封装的内容。

6.封装时变形的含义

这种自动变形的特点：

• 类中定义的__x只能在内部使用，如self.__x，引用的就是变形的结果。
• 这种变形其实正是针对外部的变形，在外部是无法通过__x这个名字访问到的。
• 在子类定义的__x不会覆盖在父类定义的__x，因为子类中变形成了：_子类名__x,而父类中变形成了：_父类名__x，即双下滑线开头的属性在继承给子类时，子类是无法覆盖的。

注意：对于这一层面的封装（隐藏），我们需要在类中定义一个函数（接口函数）在它内部访问被隐藏的属性，然后外部就可以使用了。

也可以用property来解决，即将介绍

这种变形需要注意的问题是：

（1）这种机制也并没有真正意义上限制我们从外部直接访问属性，知道了类名和属性名就可以拼出名字：_类名__属性，然后就可以访问了，如a._A__N

>>> a=A()
>>> a._A__N
>>> a._A__X
>>> A._A__N

（2）变形的过程只在类的定义时发生一次,在定义后的赋值操作，不会变形

（3）在继承中，父类如果不想让子类覆盖自己的方法，可以将方法定义为私有的

#正常情况
>>> class A:
...     def fa(self):
...         print('from A')
...     def test(self):
...         self.fa()
...
>>> class B(A):
...     def fa(self):
...         print('from B')
...
>>> b=B()
>>> b.test()
from B

#把fa定义成私有的，即__fa
>>> class A:
...     def __fa(self): #在定义时就变形为_A__fa
...         print('from A')
...     def test(self):
...         self.__fa() #只会与自己所在的类为准,即调用_A__fa
...
>>> class B(A):
...     def __fa(self):
...         print('from B')
...
>>> b=B()
>>> b.test()
from A

python并不会真的阻止你访问私有的属性，模块也遵循这种约定，如果模块名以单下划线开头，那么from module import *时不能被导入,但是你from module import _private_module依然是可以导入的

其实很多时候你去调用一个模块的功能时会遇到单下划线开头的(socket._socket,sys._home,sys._clear_type_cache),这些都是私有的，原则上是供内部调用的，作为外部的你，一意孤行也是可以用的，只不过显得稍微傻逼一点点

python要想与其他编程语言一样，严格控制属性的访问权限，只能借助内置方法如__getattr__。

三、练习

1.练习题1

在终端输出如下信息：

小明，10岁，男，上山去砍柴

小明，10岁，男，开车去东北

小明，10岁，男，最爱大保健

老李，90岁，男，上山去砍柴

老李，90岁，男，开车去东北

老李，90岁，男，最爱大保健

老张...

class Foo:

    def __init__(self, name, age ,gender):
        self.name = name
        self.age = age
        self.gender = gender

    def kanchai(self):
        print("%s,%s岁,%s,上山去砍柴" % (self.name, self.age, self.gender))

    def qudongbei(self):
        print("%s,%s岁,%s,开车去东北" % (self.name, self.age, self.gender))

    def dabaojian(self):
        print("%s,%s岁,%s,最爱大保健" % (self.name, self.age, self.gender))

xiaoming = Foo('小明', 10, '男')
xiaoming.kanchai()
xiaoming.qudongbei()
xiaoming.dabaojian()

laoli = Foo('老李', 90, '男')
laoli.kanchai()
laoli.qudongbei()
laoli.dabaojian()

2.练习题2

游戏人生程序

（1）创建三个游戏人物，分别是：

苍井井，女，18，初始战斗力1000

东尼木木，男，20，初始战斗力1800

波多多，女，19，初始战斗力2500

（2）游戏场景，分别：

草丛战斗，消耗200战斗力

自我修炼，增长100战斗力

多人游戏，消耗500战斗力

# #####################  定义实现功能的类  #####################
class Person:

    def __init__(self, na, gen, age, fig):
        self.name = na
        self.gender = gen
        self.age = age
        self.fight =fig

    def grassland(self):
        """注释：草丛战斗，消耗200战斗力"""

        self.fight = self.fight - 200

    def practice(self):
        """注释：自我修炼，增长100战斗力"""

        self.fight = self.fight + 200

    def incest(self):
        """注释：多人游戏，消耗500战斗力"""

        self.fight = self.fight - 500

    def detail(self):
        """注释：当前对象的详细情况"""

        temp = "姓名:%s ; 性别:%s ; 年龄:%s ; 战斗力:%s"  % (self.name, self.gender, self.age, self.fight)
        print temp

# #####################  开始游戏  #####################

cang = Person('苍井井', '女', 18, 1000)    # 创建苍井井角色
dong = Person('东尼木木', '男', 20, 1800)  # 创建东尼木木角色
bo = Person('波多多', '女', 19, 2500)      # 创建波多多角色

cang.incest() #苍井空参加一次多人游戏
dong.practice()#东尼木木自我修炼了一次
bo.grassland() #波多多参加一次草丛战斗

#输出当前所有人的详细情况
cang.detail()
dong.detail()
bo.detail()

cang.incest() #苍井空又参加一次多人游戏
dong.incest() #东尼木木也参加了一个多人游戏
bo.practice() #波多多自我修炼了一次

#输出当前所有人的详细情况
cang.detail()
dong.detail()
bo.detail()

3.抛出异常练习

class People:
    def __init__(self,name,age):
        self.__name=name
        self.__age=age

    def tell_info(self):
        print('人的名字是:%s ,人的年龄是：%s' %(
                    self.__name, #p._People__name
                    self.__age))

    def set_info(self,x,y):
        if not isinstance(x,str):
            raise TypeError('名字必须是字符串类型')
        if not isinstance(y,int):
            raise TypeError('年龄必须是整数类型')

        self.__name=x
        self.__age=y

p=People('alex',1000)
p.tell_info()

p.set_info(123,123)
p.tell_info()

运行结果：
Traceback (most recent call last):
  File "E:/s17/day07/test.py", line 26, in <module>
    p.set_info(123,123)
  File "E:/s17/day07/test.py", line 16, in set_info
    raise TypeError('名字必须是字符串类型')
TypeError: 名字必须是字符串类型
人的名字是:alex ,人的年龄是：1000

四、特性（property）

1.什么是特性property

property是一种特殊的属性，访问它时会执行一段功能（函数）然后返回值。

示例1：

BMI指数（bmi是计算而来的，但很明显它听起来像是一个属性而非方法，如果我们将其做成一个属性，更便于理解）

成人的BMI数值：

过轻：低于18.5

正常：18.5-23.9

过重：24-27

肥胖：28-32

非常肥胖, 高于32

体质指数（BMI）=体重（kg）÷身高^2（m）

EX：70kg÷（1.75×1.75）=22.86

class People:
    def __init__(self,name,weight,height):
        self.name=name
        self.weight=weight
        self.height=height

    @property
    def bmi(self):
        return self.weight / (self.height**2)

p1=People('egon',75,1.85)
print(p1.bmi)

运行结果：
21.913805697589478

示例2：

圆的周长和面积

import math
class Circle:
    def __init__(self,radius): #圆的半径radius
        self.radius=radius

    @property
    def area(self):
        return math.pi * self.radius**2 #计算面积

    @property
    def perimeter(self):
        return 2*math.pi*self.radius #计算周长

c=Circle(10)
print(c.radius)
print(c.area) #可以向访问数据属性一样去访问area,会触发一个函数的执行,动态计算出一个值
print(c.perimeter) #同上

运行结果:
314.1592653589793
62.83185307179586

注意：此时的特性area和perimeter不能被赋值

c.area=3 #为特性area赋值

抛出异常:
AttributeError: can't set attribute

2.为什么要用property

将一个类的函数定义成特性以后，对象再去使用的时候obj.name,根本无法察觉自己的name是执行了一个函数然后计算出来的，这种特性的使用方式遵循了统一访问的原则。

除此之外，面向对象的封装有三种方式:

【public】这种其实就是不封装,是对外公开的

【protected】这种封装方式对外不公开,但对朋友(friend)或者子类(形象的说法是“儿子”,但我不知道为什么大家 不说“女儿”,就像“parent”本来是“父母”的意思,但中文都是叫“父类”)公开

【private】这种封装对谁都不公开

python并没有在语法上把它们三个内建到自己的class机制中，在C++里一般会将所有的数据都设置为私有的，然后提供set和get方法（接口）去设置和获取，在python中通过property方法可以实现

class Foo:
    def __init__(self,val):
        self.__NAME=val #将所有的数据属性都隐藏起来

    @property
    def name(self):
        return self.__NAME #obj.name访问的是self.__NAME(这也是真实值的存放位置)

    @name.setter
    def name(self,value):
        if not isinstance(value,str):  #在设定值之前进行类型检查
            raise TypeError('%s must be str' %value)
        self.__NAME=value #通过类型检查后,将值value存放到真实的位置self.__NAME

    @name.deleter
    def name(self):
        raise TypeError('Can not delete')

f=Foo('egon')
print(f.name)
# f.name=10 #抛出异常'TypeError: 10 must be str'
del f.name #抛出异常'TypeError: Can not delete'

3.用法

class People:
    def __init__(self,name,permmission=False):
        self.__name=name
        self.permmission=permmission
    @property
    def name(self):
        return self.__name

    @name.setter
    def name(self,value):
        if not isinstance(value,str):
            raise TypeError('名字必须是字符串类型')
        self.__name=value

    @name.deleter
    def name(self):
        if not self.permmission:
            raise PermissionError('不允许的操作')
        del self.__name

p=People('egon')

print(p.name)

p.name='egon666'
print(p.name)

p.name=35357
p.permmission=True
del p.name

运行结果：
egon
Traceback (most recent call last):
egon666
  File "E:/s17/day07/test.py", line 31, in <module>
    p.name=35357
  File "E:/s17/day07/test.py", line 15, in name
    raise TypeError('名字必须是字符串类型')
TypeError: 名字必须是字符串类型

五、封装与扩展性

封装在于明确区分内外，使得类实现者可以修改封装内的东西而不影响外部调用者的代码；而外部使用用者只知道一个接口(函数)，只要接口（函数）名、参数不变，使用者的代码永远无需改变。这就提供一个良好的合作基础——或者说，只要接口这个基础约定不变，则代码改变不足为虑。

#类的设计者
class Room:
    def __init__(self,name,owner,width,length,high):
        self.name=name
        self.owner=owner
        self.__width=width
        self.__length=length
        self.__high=high
    def tell_area(self): #对外提供的接口，隐藏了内部的实现细节，此时我们想求的是面积
        return self.__width * self.__length

#使用者
>>> r1=Room('卧室','egon',20,20,20)
>>> r1.tell_area() #使用者调用接口tell_area
400

#类的设计者，轻松的扩展了功能，而类的使用者完全不需要改变自己的代码
class Room:
    def __init__(self,name,owner,width,length,high):
        self.name=name
        self.owner=owner
        self.__width=width
        self.__length=length
        self.__high=high
    def tell_area(self): #对外提供的接口，隐藏内部实现，此时我们想求的是体积,内部逻辑变了,只需求修该下列一行就可以很简答的实现,而且外部调用感知不到,仍然使用该方法，但是功能已经变了
        return self.__width * self.__length * self.__high

对于仍然在使用tell_area接口的人来说，根本无需改动自己的代码，就可以用上新功能

>>> r1.tell_area()
8000