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文件和异常

实际开发中常常会遇到对数据进行持久化操作的场景，而实现数据持久化最直接简单的方式就是将数据保存到文件中。说到“文件”这个词，可能需要先科普一下关于文件系统的知识，但是这里我们并不浪费笔墨介绍这个概念，请大家自行通过维基百科进行了解。

在Python中实现文件的读写操作其实非常简单，通过Python内置的open函数，我们可以指定文件名、操作模式、编码信息等来获得操作文件的对象，接下来就可以对文件进行读写操作了。这里所说的操作模式是指要打开什么样的文件（字符文件还是二进制文件）以及做什么样的操作（读、写还是追加），具体的如下表所示。

操作模式 具体含义
'r' 读取 （默认）
'w' 写入（会先截断之前的内容）
'x' 写入，如果文件已经存在会产生异常
'a' 追加，将内容写入到已有文件的末尾
'b' 二进制模式
't' 文本模式（默认）
'+' 更新（既可以读又可以写）

下面这张图来自于菜鸟教程网站，它展示了如果根据应用程序的需要来设置操作模式。

读写文本文件

读取文本文件时，需要在使用open函数时指定好带路径的文件名（可以使用相对路径或绝对路径）并将文件模式设置为'r'（如果不指定，默认值也是'r'），然后通过encoding参数指定编码（如果不指定，默认值是None，那么在读取文件时使用的是操作系统默认的编码），如果不能保证保存文件时使用的编码方式与encoding参数指定的编码方式是一致的，那么就可能因无法解码字符而导致读取失败。下面的例子演示了如何读取一个纯文本文件。

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def main():
    f = open('致橡树.txt', 'r', encoding='utf-8')
    print(f.read())
    f.close()


if __name__ == '__main__':
    main()

请注意上面的代码，如果open函数指定的文件并不存在或者无法打开，那么将引发异常状况导致程序崩溃。为了让代码有一定的健壮性和容错性，我们可以使用Python的异常机制对可能在运行时发生状况的代码进行适当的处理，如下所示。

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def main():
    f = None
    try:
        f = open('致橡树.txt', 'r', encoding='utf-8')
        print(f.read())
    except FileNotFoundError:
        print('无法打开指定的文件!')
    except LookupError:
        print('指定了未知的编码!')
    except UnicodeDecodeError:
        print('读取文件时解码错误!')
    finally:
        if f:
            f.close()


if __name__ == '__main__':
    main()

在Python中，我们可以将那些在运行时可能会出现状况的代码放在try代码块中，在try代码块的后面可以跟上一个或多个except来捕获可能出现的异常状况。例如在上面读取文件的过程中，文件找不到会引发FileNotFoundError，指定了未知的编码会引发LookupError，而如果读取文件时无法按指定方式解码会引发UnicodeDecodeError，我们在try后面跟上了三个except分别处理这三种不同的异常状况。最后我们使用finally代码块来关闭打开的文件，释放掉程序中获取的外部资源，由于finally块的代码不论程序正常还是异常都会执行到（甚至是调用了sys模块的exit函数退出Python环境，finally块都会被执行，因为exit函数实质上是引发了SystemExit异常），因此我们通常把finally块称为“总是执行代码块”，它最适合用来做释放外部资源的操作。如果不愿意在finally代码块中关闭文件对象释放资源，也可以使用上下文语法，通过with关键字指定文件对象的上下文环境并在离开上下文环境时自动释放文件资源，代码如下所示。

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def main():
    try:
        with open('致橡树.txt', 'r', encoding='utf-8') as f:
            print(f.read())
    except FileNotFoundError:
        print('无法打开指定的文件!')
    except LookupError:
        print('指定了未知的编码!')
    except UnicodeDecodeError:
        print('读取文件时解码错误!')


if __name__ == '__main__':
    main()

除了使用文件对象的read方法读取文件之外，还可以使用for-in循环逐行读取或者用readlines方法将文件按行读取到一个列表容器中，代码如下所示。

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import time


def main():
    # 一次性读取整个文件内容
    with open('致橡树.txt', 'r', encoding='utf-8') as f:
        print(f.read())

    # 通过for-in循环逐行读取
    with open('致橡树.txt', mode='r') as f:
        for line in f:
            print(line, end='')
            time.sleep(0.5)
    print()

    # 读取文件按行读取到列表中
    with open('致橡树.txt') as f:
        lines = f.readlines()
    print(lines)
    

if __name__ == '__main__':
    main()

要将文本信息写入文件文件也非常简单，在使用open函数时指定好文件名并将文件模式设置为'w'即可。注意如果需要对文件内容进行追加式写入，应该将模式设置为'a'。如果要写入的文件不存在会自动创建文件而不是引发异常。下面的例子演示了如何将1-9999之间的素数分别写入三个文件中（1-99之间的素数保存在a.txt中，100-999之间的素数保存在b.txt中，1000-9999之间的素数保存在c.txt中）。

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from math import sqrt


def is_prime(n):
    """判断素数的函数"""
    assert n > 0
    for factor in range(2, int(sqrt(n)) + 1):
        if n % factor == 0:
            return False
    return True if n != 1 else False


def main():
    filenames = ('a.txt', 'b.txt', 'c.txt')
    fs_list = []
    try:
        for filename in filenames:
            fs_list.append(open(filename, 'w', encoding='utf-8'))
        for number in range(1, 10000):
            if is_prime(number):
                if number < 100:
                    fs_list[0].write(str(number) + '\n')
                elif number < 1000:
                    fs_list[1].write(str(number) + '\n')
                else:
                    fs_list[2].write(str(number) + '\n')
    except IOError as ex:
        print(ex)
        print('写文件时发生错误!')
    finally:
        for fs in fs_list:
            fs.close()
    print('操作完成!')


if __name__ == '__main__':
    main()

读写二进制文件

知道了如何读写文本文件要读写二进制文件也就很简单了，下面的代码实现了复制图片文件的功能。

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def main():
    try:
        with open('guido.jpg', 'rb') as fs1:
            data = fs1.read()
            print(type(data))  # <class 'bytes'>
        with open('吉多.jpg', 'wb') as fs2:
            fs2.write(data)
    except FileNotFoundError as e:
        print('指定的文件无法打开.')
    except IOError as e:
        print('读写文件时出现错误.')
    print('程序执行结束.')


if __name__ == '__main__':
    main()

读写JSON文件

通过上面的讲解，我们已经知道如何将文本数据和二进制数据保存到文件中，那么这里还有一个问题，如果希望把一个列表或者一个字典中的数据保存到文件中又该怎么做呢？答案是将数据以JSON格式进行保存。JSON是“JavaScript Object Notation”的缩写，它本来是JavaScript语言中创建对象的一种字面量语法，现在已经被广泛的应用于跨平台跨语言的数据交换，原因很简单，因为JSON也是纯文本，任何系统任何编程语言处理纯文本都是没有问题的。目前JSON基本上已经取代了XML作为异构系统间交换数据的事实标准。关于JSON的知识，更多的可以参考JSON的官方网站，从这个网站也可以了解到每种语言处理JSON数据格式可以使用的工具或三方库，下面是一个JSON的简单例子。

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{
    "name": "骆昊",
    "age": 38,
    "qq": 957658,
    "friends": ["王大锤", "白元芳"],
    "cars": [
        {"brand": "BYD", "max_speed": 180},
        {"brand": "Audi", "max_speed": 280},
        {"brand": "Benz", "max_speed": 320}
    ]
}

可能大家已经注意到了，上面的JSON跟Python中的字典其实是一样一样的，事实上JSON的数据类型和Python的数据类型是很容易找到对应关系的，如下面两张表所示。

JSON Python
object dict
array list
string str
number (int / real) int / float
true / false True / False
null None
Python JSON
dict object
list, tuple array
str string
int, float, int- & float-derived Enums number
True / False true / false
None null

我们使用Python中的json模块就可以将字典或列表以JSON格式保存到文件中，代码如下所示。

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import json


def main():
    mydict = {
        'name': '骆昊',
        'age': 38,
        'qq': 957658,
        'friends': ['王大锤', '白元芳'],
        'cars': [
            {'brand': 'BYD', 'max_speed': 180},
            {'brand': 'Audi', 'max_speed': 280},
            {'brand': 'Benz', 'max_speed': 320}
        ]
    }
    try:
        with open('data.json', 'w', encoding='utf-8') as fs:
            json.dump(mydict, fs)
    except IOError as e:
        print(e)
    print('保存数据完成!')


if __name__ == '__main__':
    main()

json模块主要有四个比较重要的函数，分别是：

  • dump - 将Python对象按照JSON格式序列化到文件中
  • dumps - 将Python对象处理成JSON格式的字符串
  • load - 将文件中的JSON数据反序列化成对象
  • loads - 将字符串的内容反序列化成Python对象

这里出现了两个概念，一个叫序列化，一个叫反序列化。自由的百科全书维基百科上对这两个概念是这样解释的：“序列化（serialization）在计算机科学的数据处理中，是指将数据结构或对象状态转换为可以存储或传输的形式，这样在需要的时候能够恢复到原先的状态，而且通过序列化的数据重新获取字节时，可以利用这些字节来产生原始对象的副本（拷贝）。与这个过程相反的动作，即从一系列字节中提取数据结构的操作，就是反序列化（deserialization）”。

目前绝大多数网络数据服务（或称之为网络API）都是基于HTTP协议提供JSON格式的数据，关于HTTP协议的相关知识，可以看看阮一峰老师的《HTTP协议入门》，如果想了解国内的网络数据服务，可以看看聚合数据和阿凡达数据等网站，国外的可以看看{API}Search网站。下面的例子演示了如何使用requests模块（封装得足够好的第三方网络访问模块）访问网络API获取国内新闻，如何通过json模块解析JSON数据并显示新闻标题，这个例子使用了天行数据提供的国内新闻数据接口，其中的APIKey需要自己到该网站申请。

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import requests
import json


def main():
    resp = requests.get('http://api.tianapi.com/guonei/?key=APIKey&num=10')
    data_model = json.loads(resp.text)
    for news in data_model['newslist']:
        print(news['title'])


if __name__ == '__main__':
    main()

在Python中要实现序列化和反序列化除了使用json模块之外，还可以使用pickle和shelve模块，但是这两个模块是使用特有的序列化协议来序列化数据，因此序列化后的数据只能被Python识别。关于这两个模块的相关知识可以自己看看网络上的资料。另外，如果要了解更多的关于Python异常机制的知识，可以看看segmentfault上面的文章《总结：Python中的异常处理》，这篇文章不仅介绍了Python中异常机制的使用，还总结了一系列的最佳实践，很值得一读。

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图形用户界面和游戏开发

基于tkinter模块的GUI

GUI是图形用户界面的缩写，图形化的用户界面对使用过计算机的人来说应该都不陌生，在此也无需进行赘述。Python默认的GUI开发模块是tkinter（在Python 3以前的版本中名为Tkinter），从这个名字就可以看出它是基于Tk的，Tk是一个工具包，最初是为Tcl设计的，后来被移植到很多其他的脚本语言中，它提供了跨平台的GUI控件。当然Tk并不是最新和最好的选择，也没有功能特别强大的GUI控件，事实上，开发GUI应用并不是Python最擅长的工作，如果真的需要使用Python开发GUI应用，wxPython、PyQt、PyGTK等模块都是不错的选择。

基本上使用tkinter来开发GUI应用需要以下5个步骤：

  1. 导入tkinter模块中我们需要的东西。
  2. 创建一个顶层窗口对象并用它来承载整个GUI应用。
  3. 在顶层窗口对象上添加GUI组件。
  4. 通过代码将这些GUI组件的功能组织起来。
  5. 进入主事件循环(main loop)。

下面的代码演示了如何使用tkinter做一个简单的GUI应用。

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import tkinter
import tkinter.messagebox


def main():
    flag = True

    # 修改标签上的文字
    def change_label_text():
        nonlocal flag
        flag = not flag
        color, msg = ('red', 'Hello, world!')\
            if flag else ('blue', 'Goodbye, world!')
        label.config(text=msg, fg=color)

    # 确认退出
    def confirm_to_quit():
        if tkinter.messagebox.askokcancel('温馨提示', '确定要退出吗?'):
            top.quit()

    # 创建顶层窗口
    top = tkinter.Tk()
    # 设置窗口大小
    top.geometry('240x160')
    # 设置窗口标题
    top.title('小游戏')
    # 创建标签对象并添加到顶层窗口
    label = tkinter.Label(top, text='Hello, world!', font='Arial -32', fg='red')
    label.pack(expand=1)
    # 创建一个装按钮的容器
    panel = tkinter.Frame(top)
    # 创建按钮对象 指定添加到哪个容器中 通过command参数绑定事件回调函数
    button1 = tkinter.Button(panel, text='修改', command=change_label_text)
    button1.pack(side='left')
    button2 = tkinter.Button(panel, text='退出', command=confirm_to_quit)
    button2.pack(side='right')
    panel.pack(side='bottom')
    # 开启主事件循环
    tkinter.mainloop()


if __name__ == '__main__':
    main()

需要说明的是，GUI应用通常是事件驱动式的，之所以要进入主事件循环就是要监听鼠标、键盘等各种事件的发生并执行对应的代码对事件进行处理，因为事件会持续的发生，所以需要这样的一个循环一直运行着等待下一个事件的发生。另一方面，Tk为控件的摆放提供了三种布局管理器，通过布局管理器可以对控件进行定位，这三种布局管理器分别是：Placer（开发者提供控件的大小和摆放位置）、Packer（自动将控件填充到合适的位置）和Grid（基于网格坐标来摆放控件），此处不进行赘述。

使用Pygame进行游戏开发

Pygame是一个开源的Python模块，专门用于多媒体应用（如电子游戏）的开发，其中包含对图像、声音、视频、事件、碰撞等的支持。Pygame建立在SDL的基础上，SDL是一套跨平台的多媒体开发库，用C语言实现，被广泛的应用于游戏、模拟器、播放器等的开发。而Pygame让游戏开发者不再被底层语言束缚，可以更多的关注游戏的功能和逻辑。

下面我们来完成一个简单的小游戏，游戏的名字叫“大球吃小球”，当然完成这个游戏并不是重点，学会使用Pygame也不是重点，最重要的我们要在这个过程中体会如何使用前面讲解的面向对象程序设计，学会用这种编程思想去解决现实中的问题。

制作游戏窗口

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import pygame


def main():
    # 初始化导入的pygame中的模块
    pygame.init()
    # 初始化用于显示的窗口并设置窗口尺寸
    screen = pygame.display.set_mode((800, 600))
    # 设置当前窗口的标题
    pygame.display.set_caption('大球吃小球')
    running = True
    # 开启一个事件循环处理发生的事件
    while running:
        # 从消息队列中获取事件并对事件进行处理
        for event in pygame.event.get():
            if event.type == pygame.QUIT:
                running = False


if __name__ == '__main__':
    main()

在窗口中绘图

可以通过pygame中draw模块的函数在窗口上绘图，可以绘制的图形包括：线条、矩形、多边形、圆、椭圆、圆弧等。需要说明的是，屏幕坐标系是将屏幕左上角设置为坐标原点(0, 0)，向右是x轴的正向，向下是y轴的正向，在表示位置或者设置尺寸的时候，我们默认的单位都是像素。所谓像素就是屏幕上的一个点，你可以用浏览图片的软件试着将一张图片放大若干倍，就可以看到这些点。pygame中表示颜色用的是色光三原色表示法，即通过一个元组或列表来指定颜色的RGB值，每个值都在0~255之间，因为是每种原色都用一个8位（bit）的值来表示，三种颜色相当于一共由24位构成，这也就是常说的“24位颜色表示法”。

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import pygame


def main():
    # 初始化导入的pygame中的模块
    pygame.init()
    # 初始化用于显示的窗口并设置窗口尺寸
    screen = pygame.display.set_mode((800, 600))
    # 设置当前窗口的标题
    pygame.display.set_caption('大球吃小球')
    # 设置窗口的背景色(颜色是由红绿蓝三原色构成的元组)
    screen.fill((242, 242, 242))
    # 绘制一个圆(参数分别是: 屏幕, 颜色, 圆心位置, 半径, 0表示填充圆)
    pygame.draw.circle(screen, (255, 0, 0,), (100, 100), 30, 0)
    # 刷新当前窗口(渲染窗口将绘制的图像呈现出来)
    pygame.display.flip()
    running = True
    # 开启一个事件循环处理发生的事件
    while running:
        # 从消息队列中获取事件并对事件进行处理
        for event in pygame.event.get():
            if event.type == pygame.QUIT:
                running = False


if __name__ == '__main__':
    main()

加载图像

如果需要直接加载图像到窗口上，可以使用pygame中image模块的函数来加载图像，再通过之前获得的窗口对象的blit方法渲染图像，代码如下所示。

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import pygame


def main():
    # 初始化导入的pygame中的模块
    pygame.init()
    # 初始化用于显示的窗口并设置窗口尺寸
    screen = pygame.display.set_mode((800, 600))
    # 设置当前窗口的标题
    pygame.display.set_caption('大球吃小球')
    # 设置窗口的背景色(颜色是由红绿蓝三原色构成的元组)
    screen.fill((255, 255, 255))
    # 通过指定的文件名加载图像
    ball_image = pygame.image.load('/images/Python100/ball.png')
    # 在窗口上渲染图像
    screen.blit(ball_image, (50, 50))
    # 刷新当前窗口(渲染窗口将绘制的图像呈现出来)
    pygame.display.flip()
    running = True
    # 开启一个事件循环处理发生的事件
    while running:
        # 从消息队列中获取事件并对事件进行处理
        for event in pygame.event.get():
            if event.type == pygame.QUIT:
                running = False


if __name__ == '__main__':
    main()

实现动画效果

说到动画这个词大家都不会陌生，事实上要实现动画效果，本身的原理也非常简单，就是将不连续的图片连续的播放，只要每秒钟达到了一定的帧数，那么就可以做出比较流畅的动画效果。如果要让上面代码中的小球动起来，可以将小球的位置用变量来表示，并在循环中修改小球的位置再刷新整个窗口即可。

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import pygame


def main():
    # 初始化导入的pygame中的模块
    pygame.init()
    # 初始化用于显示的窗口并设置窗口尺寸
    screen = pygame.display.set_mode((800, 600))
    # 设置当前窗口的标题
    pygame.display.set_caption('大球吃小球')
    # 定义变量来表示小球在屏幕上的位置
    x, y = 50, 50
    running = True
    # 开启一个事件循环处理发生的事件
    while running:
        # 从消息队列中获取事件并对事件进行处理
        for event in pygame.event.get():
            if event.type == pygame.QUIT:
                running = False
        screen.fill((255, 255, 255))
        pygame.draw.circle(screen, (255, 0, 0,), (x, y), 30, 0)
        pygame.display.flip()
        # 每隔50毫秒就改变小球的位置再刷新窗口
        pygame.time.delay(50)
        x, y = x + 5, y + 5


if __name__ == '__main__':
    main()

碰撞检测

通常一个游戏中会有很多对象出现，而这些对象之间的“碰撞”在所难免，比如炮弹击中了飞机、箱子撞到了地面等。碰撞检测在绝大多数的游戏中都是一个必须得处理的至关重要的问题，pygame的sprite（动画精灵）模块就提供了对碰撞检测的支持，这里我们暂时不介绍sprite模块提供的功能，因为要检测两个小球有没有碰撞其实非常简单，只需要检查球心的距离有没有小于两个球的半径之和。为了制造出更多的小球，我们可以通过对鼠标事件的处理，在点击鼠标的位置创建颜色、大小和移动速度都随机的小球，当然要做到这一点，我们可以把之前学习到的面向对象的知识应用起来。

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from enum import Enum, unique
from math import sqrt
from random import randint

import pygame


@unique
class Color(Enum):
    """颜色"""

    RED = (255, 0, 0)
    GREEN = (0, 255, 0)
    BLUE = (0, 0, 255)
    BLACK = (0, 0, 0)
    WHITE = (255, 255, 255)
    GRAY = (242, 242, 242)

    @staticmethod
    def random_color():
        """获得随机颜色"""
        r = randint(0, 255)
        g = randint(0, 255)
        b = randint(0, 255)
        return (r, g, b)


class Ball(object):
    """球"""

    def __init__(self, x, y, radius, sx, sy, color=Color.RED):
        """初始化方法"""
        self.x = x
        self.y = y
        self.radius = radius
        self.sx = sx
        self.sy = sy
        self.color = color
        self.alive = True

    def move(self, screen):
        """移动"""
        self.x += self.sx
        self.y += self.sy
        if self.x - self.radius <= 0 or \
                self.x + self.radius >= screen.get_width():
            self.sx = -self.sx
        if self.y - self.radius <= 0 or \
                self.y + self.radius >= screen.get_height():
            self.sy = -self.sy

    def eat(self, other):
        """吃其他球"""
        if self.alive and other.alive and self != other:
            dx, dy = self.x - other.x, self.y - other.y
            distance = sqrt(dx ** 2 + dy ** 2)
            if distance < self.radius + other.radius \
                    and self.radius > other.radius:
                other.alive = False
                self.radius = self.radius + int(other.radius * 0.146)

    def draw(self, screen):
        """在窗口上绘制球"""
        pygame.draw.circle(screen, self.color,
                           (self.x, self.y), self.radius, 0)

事件处理

可以在事件循环中对鼠标事件进行处理，通过事件对象的type属性可以判定事件类型，再通过pos属性就可以获得鼠标点击的位置。如果要处理键盘事件也是在这个地方，做法与处理鼠标事件类似。

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def main():
    # 定义用来装所有球的容器
    balls = []
    # 初始化导入的pygame中的模块
    pygame.init()
    # 初始化用于显示的窗口并设置窗口尺寸
    screen = pygame.display.set_mode((800, 600))
    # 设置当前窗口的标题
    pygame.display.set_caption('大球吃小球')
    running = True
    # 开启一个事件循环处理发生的事件
    while running:
        # 从消息队列中获取事件并对事件进行处理
        for event in pygame.event.get():
            if event.type == pygame.QUIT:
                running = False
            # 处理鼠标事件的代码
            if event.type == pygame.MOUSEBUTTONDOWN and event.button == 1:
                # 获得点击鼠标的位置
                x, y = event.pos
                radius = randint(10, 100)
                sx, sy = randint(-10, 10), randint(-10, 10)
                color = Color.random_color()
                # 在点击鼠标的位置创建一个球(大小、速度和颜色随机)
                ball = Ball(x, y, radius, sx, sy, color)
                # 将球添加到列表容器中
                balls.append(ball)
        screen.fill((255, 255, 255))
        # 取出容器中的球 如果没被吃掉就绘制 被吃掉了就移除
        for ball in balls:
            if ball.alive:
                ball.draw(screen)
            else:
                balls.remove(ball)
        pygame.display.flip()
        # 每隔50毫秒就改变球的位置再刷新窗口
        pygame.time.delay(50)
        for ball in balls:
            ball.move(screen)
            # 检查球有没有吃到其他的球
            for other in balls:
                ball.eat(other)


if __name__ == '__main__':
    main()

上面的两段代码合在一起，我们就完成了“大球吃小球”的游戏（如下图所示），准确的说它算不上一个游戏，但是做一个小游戏的基本知识我们已经通过这个例子告诉大家了，有了这些知识已经可以开始你的小游戏开发之旅了。其实上面的代码中还有很多值得改进的地方，比如刷新窗口以及让球移动起来的代码并不应该放在事件循环中，等学习了多线程的知识后，用一个后台线程来处理这些事可能是更好的选择。如果希望获得更好的用户体验，我们还可以在游戏中加入背景音乐以及在球与球发生碰撞时播放音效，利用pygame的mixer和music模块，我们可以很容易的做到这一点，大家可以自行了解这方面的知识。事实上，想了解更多的关于pygame的知识，最好的教程是pygame的官方网站，如果英语没毛病就可以赶紧去看看啦。 如果想开发3D游戏，pygame就显得力不从心了，对3D游戏开发如果有兴趣的读者不妨看看Panda3D。

发表于 更新于 分类于 Valine：
本文字数： 17k 阅读时长 ≈ 15 分钟

面向对象进阶

在前面的章节我们已经了解了面向对象的入门知识，知道了如何定义类，如何创建对象以及如何给对象发消息。为了能够更好的使用面向对象编程思想进行程序开发，我们还需要对Python中的面向对象编程进行更为深入的了解。

@property装饰器

之前我们讨论过Python中属性和方法访问权限的问题，虽然我们不建议将属性设置为私有的，但是如果直接将属性暴露给外界也是有问题的，比如我们没有办法检查赋给属性的值是否有效。我们之前的建议是将属性命名以单下划线开头，通过这种方式来暗示属性是受保护的，不建议外界直接访问，那么如果想访问属性可以通过属性的getter（访问器）和setter（修改器）方法进行对应的操作。如果要做到这点，就可以考虑使用@property包装器来包装getter和setter方法，使得对属性的访问既安全又方便，代码如下所示。

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class Person(object):

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

    # 访问器 - getter方法
    @property
    def name(self):
        return self._name

    # 访问器 - getter方法
    @property
    def age(self):
        return self._age

    # 修改器 - setter方法
    @age.setter
    def age(self, age):
        self._age = age

    def play(self):
        if self._age <= 16:
            print('%s正在玩飞行棋.' % self._name)
        else:
            print('%s正在玩斗地主.' % self._name)


def main():
    person = Person('王大锤', 12)
    person.play()
    person.age = 22
    person.play()
    # person.name = '白元芳'  # AttributeError: can't set attribute


if __name__ == '__main__':
    main()

__slots__魔法

我们讲到这里，不知道大家是否已经意识到，Python是一门动态语言。通常，动态语言允许我们在程序运行时给对象绑定新的属性或方法，当然也可以对已经绑定的属性和方法进行解绑定。但是如果我们需要限定自定义类型的对象只能绑定某些属性，可以通过在类中定义__slots__变量来进行限定。需要注意的是__slots__的限定只对当前类的对象生效，对子类并不起任何作用。

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class Person(object):

    # 限定Person对象只能绑定_name, _age和_gender属性
    __slots__ = ('_name', '_age', '_gender')

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

    @property
    def name(self):
        return self._name

    @property
    def age(self):
        return self._age

    @age.setter
    def age(self, age):
        self._age = age

    def play(self):
        if self._age <= 16:
            print('%s正在玩飞行棋.' % self._name)
        else:
            print('%s正在玩斗地主.' % self._name)


def main():
    person = Person('王大锤', 22)
    person.play()
    person._gender = '男'
    # AttributeError: 'Person' object has no attribute '_is_gay'
    # person._is_gay = True

静态方法和类方法

之前，我们在类中定义的方法都是对象方法，也就是说这些方法都是发送给对象的消息。实际上，我们写在类中的方法并不需要都是对象方法，例如我们定义一个“三角形”类，通过传入三条边长来构造三角形，并提供计算周长和面积的方法，但是传入的三条边长未必能构造出三角形对象，因此我们可以先写一个方法来验证三条边长是否可以构成三角形，这个方法很显然就不是对象方法，因为在调用这个方法时三角形对象尚未创建出来（因为都不知道三条边能不能构成三角形），所以这个方法是属于三角形类而并不属于三角形对象的。我们可以使用静态方法来解决这类问题，代码如下所示。

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from math import sqrt


class Triangle(object):

    def __init__(self, a, b, c):
        self._a = a
        self._b = b
        self._c = c

    @staticmethod
    def is_valid(a, b, c):
        return a + b > c and b + c > a and a + c > b

    def perimeter(self):
        return self._a + self._b + self._c

    def area(self):
        half = self.perimeter() / 2
        return sqrt(half * (half - self._a) *
                    (half - self._b) * (half - self._c))


def main():
    a, b, c = 3, 4, 5
    # 静态方法和类方法都是通过给类发消息来调用的
    if Triangle.is_valid(a, b, c):
        t = Triangle(a, b, c)
        print(t.perimeter())
        # 也可以通过给类发消息来调用对象方法但是要传入接收消息的对象作为参数
        # print(Triangle.perimeter(t))
        print(t.area())
        # print(Triangle.area(t))
    else:
        print('无法构成三角形.')


if __name__ == '__main__':
    main()

和静态方法比较类似，Python还可以在类中定义类方法，类方法的第一个参数约定名为cls，它代表的是当前类相关的信息的对象（类本身也是一个对象，有的地方也称之为类的元数据对象），通过这个参数我们可以获取和类相关的信息并且可以创建出类的对象，代码如下所示。

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from time import time, localtime, sleep


class Clock(object):
    """数字时钟"""

    def __init__(self, hour=0, minute=0, second=0):
        self._hour = hour
        self._minute = minute
        self._second = second

    @classmethod
    def now(cls):
        ctime = localtime(time())
        return cls(ctime.tm_hour, ctime.tm_min, ctime.tm_sec)

    def run(self):
        """走字"""
        self._second += 1
        if self._second == 60:
            self._second = 0
            self._minute += 1
            if self._minute == 60:
                self._minute = 0
                self._hour += 1
                if self._hour == 24:
                    self._hour = 0

    def show(self):
        """显示时间"""
        return '%02d:%02d:%02d' % \
               (self._hour, self._minute, self._second)


def main():
    # 通过类方法创建对象并获取系统时间
    clock = Clock.now()
    while True:
        print(clock.show())
        sleep(1)
        clock.run()


if __name__ == '__main__':
    main()

类之间的关系

简单的说，类和类之间的关系有三种：is-a、has-a和use-a关系。

  • is-a关系也叫继承或泛化，比如学生和人的关系、手机和电子产品的关系都属于继承关系。
  • has-a关系通常称之为关联，比如部门和员工的关系，汽车和引擎的关系都属于关联关系；关联关系如果是整体和部分的关联，那么我们称之为聚合关系；如果整体进一步负责了部分的生命周期（整体和部分是不可分割的，同时同在也同时消亡），那么这种就是最强的关联关系，我们称之为合成关系。
  • use-a关系通常称之为依赖，比如司机有一个驾驶的行为（方法），其中（的参数）使用到了汽车，那么司机和汽车的关系就是依赖关系。

我们可以使用一种叫做UML（统一建模语言）的东西来进行面向对象建模，其中一项重要的工作就是把类和类之间的关系用标准化的图形符号描述出来。关于UML我们在这里不做详细的介绍，有兴趣的读者可以自行阅读《UML面向对象设计基础》一书。

利用类之间的这些关系，我们可以在已有类的基础上来完成某些操作，也可以在已有类的基础上创建新的类，这些都是实现代码复用的重要手段。复用现有的代码不仅可以减少开发的工作量，也有利于代码的管理和维护，这是我们在日常工作中都会使用到的技术手段。

继承和多态

刚才我们提到了，可以在已有类的基础上创建新类，这其中的一种做法就是让一个类从另一个类那里将属性和方法直接继承下来，从而减少重复代码的编写。提供继承信息的我们称之为父类，也叫超类或基类；得到继承信息的我们称之为子类，也叫派生类或衍生类。子类除了继承父类提供的属性和方法，还可以定义自己特有的属性和方法，所以子类比父类拥有的更多的能力，在实际开发中，我们经常会用子类对象去替换掉一个父类对象，这是面向对象编程中一个常见的行为，对应的原则称之为里氏替换原则。下面我们先看一个继承的例子。

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class Person(object):
    """人"""

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

    @property
    def name(self):
        return self._name

    @property
    def age(self):
        return self._age

    @age.setter
    def age(self, age):
        self._age = age

    def play(self):
        print('%s正在愉快的玩耍.' % self._name)

    def watch_av(self):
        if self._age >= 18:
            print('%s正在观看爱情动作片.' % self._name)
        else:
            print('%s只能观看《熊出没》.' % self._name)


class Student(Person):
    """学生"""

    def __init__(self, name, age, grade):
        super().__init__(name, age)
        self._grade = grade

    @property
    def grade(self):
        return self._grade

    @grade.setter
    def grade(self, grade):
        self._grade = grade

    def study(self, course):
        print('%s的%s正在学习%s.' % (self._grade, self._name, course))


class Teacher(Person):
    """老师"""

    def __init__(self, name, age, title):
        super().__init__(name, age)
        self._title = title

    @property
    def title(self):
        return self._title

    @title.setter
    def title(self, title):
        self._title = title

    def teach(self, course):
        print('%s%s正在讲%s.' % (self._name, self._title, course))


def main():
    stu = Student('王大锤', 15, '初三')
    stu.study('数学')
    stu.watch_av()
    t = Teacher('骆昊', 38, '砖家')
    t.teach('Python程序设计')
    t.watch_av()


if __name__ == '__main__':
    main()

子类在继承了父类的方法后，可以对父类已有的方法给出新的实现版本，这个动作称之为方法重写（override）。通过方法重写我们可以让父类的同一个行为在子类中拥有不同的实现版本，当我们调用这个经过子类重写的方法时，不同的子类对象会表现出不同的行为，这个就是多态（poly-morphism）。

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from abc import ABCMeta, abstractmethod


class Pet(object, metaclass=ABCMeta):
    """宠物"""

    def __init__(self, nickname):
        self._nickname = nickname

    @abstractmethod
    def make_voice(self):
        """发出声音"""
        pass


class Dog(Pet):
    """狗"""

    def make_voice(self):
        print('%s: 汪汪汪...' % self._nickname)


class Cat(Pet):
    """猫"""

    def make_voice(self):
        print('%s: 喵...喵...' % self._nickname)


def main():
    pets = [Dog('旺财'), Cat('凯蒂'), Dog('大黄')]
    for pet in pets:
        pet.make_voice()


if __name__ == '__main__':
    main()

在上面的代码中，我们将Pet类处理成了一个抽象类，所谓抽象类就是不能够创建对象的类，这种类的存在就是专门为了让其他类去继承它。Python从语法层面并没有像Java或C#那样提供对抽象类的支持，但是我们可以通过abc模块的ABCMeta元类和abstractmethod包装器来达到抽象类的效果，如果一个类中存在抽象方法那么这个类就不能够实例化（创建对象）。上面的代码中，Dog和Cat两个子类分别对Pet类中的make_voice抽象方法进行了重写并给出了不同的实现版本，当我们在main函数中调用该方法时，这个方法就表现出了多态行为（同样的方法做了不同的事情）。

综合案例

案例1：奥特曼打小怪兽

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from abc import ABCMeta, abstractmethod
from random import randint, randrange


class Fighter(object, metaclass=ABCMeta):
    """战斗者"""

    # 通过__slots__魔法限定对象可以绑定的成员变量
    __slots__ = ('_name', '_hp')

    def __init__(self, name, hp):
        """初始化方法

        :param name: 名字
        :param hp: 生命值
        """
        self._name = name
        self._hp = hp

    @property
    def name(self):
        return self._name

    @property
    def hp(self):
        return self._hp

    @hp.setter
    def hp(self, hp):
        self._hp = hp if hp >= 0 else 0

    @property
    def alive(self):
        return self._hp > 0

    @abstractmethod
    def attack(self, other):
        """攻击

        :param other: 被攻击的对象
        """
        pass


class Ultraman(Fighter):
    """奥特曼"""

    __slots__ = ('_name', '_hp', '_mp')

    def __init__(self, name, hp, mp):
        """初始化方法

        :param name: 名字
        :param hp: 生命值
        :param mp: 魔法值
        """
        super().__init__(name, hp)
        self._mp = mp

    def attack(self, other):
        other.hp -= randint(15, 25)

    def huge_attack(self, other):
        """究极必杀技(打掉对方至少50点或四分之三的血)

        :param other: 被攻击的对象

        :return: 使用成功返回True否则返回False
        """
        if self._mp >= 50:
            self._mp -= 50
            injury = other.hp * 3 // 4
            injury = injury if injury >= 50 else 50
            other.hp -= injury
            return True
        else:
            self.attack(other)
            return False

    def magic_attack(self, others):
        """魔法攻击

        :param others: 被攻击的群体

        :return: 使用魔法成功返回True否则返回False
        """
        if self._mp >= 20:
            self._mp -= 20
            for temp in others:
                if temp.alive:
                    temp.hp -= randint(10, 15)
            return True
        else:
            return False

    def resume(self):
        """恢复魔法值"""
        incr_point = randint(1, 10)
        self._mp += incr_point
        return incr_point

    def __str__(self):
        return '~~~%s奥特曼~~~\n' % self._name + \
            '生命值: %d\n' % self._hp + \
            '魔法值: %d\n' % self._mp


class Monster(Fighter):
    """小怪兽"""

    __slots__ = ('_name', '_hp')

    def attack(self, other):
        other.hp -= randint(10, 20)

    def __str__(self):
        return '~~~%s小怪兽~~~\n' % self._name + \
            '生命值: %d\n' % self._hp


def is_any_alive(monsters):
    """判断有没有小怪兽是活着的"""
    for monster in monsters:
        if monster.alive > 0:
            return True
    return False


def select_alive_one(monsters):
    """选中一只活着的小怪兽"""
    monsters_len = len(monsters)
    while True:
        index = randrange(monsters_len)
        monster = monsters[index]
        if monster.alive > 0:
            return monster


def display_info(ultraman, monsters):
    """显示奥特曼和小怪兽的信息"""
    print(ultraman)
    for monster in monsters:
        print(monster, end='')


def main():
    u = Ultraman('骆昊', 1000, 120)
    m1 = Monster('狄仁杰', 250)
    m2 = Monster('白元芳', 500)
    m3 = Monster('王大锤', 750)
    ms = [m1, m2, m3]
    fight_round = 1
    while u.alive and is_any_alive(ms):
        print('========第%02d回合========' % fight_round)
        m = select_alive_one(ms)  # 选中一只小怪兽
        skill = randint(1, 10)   # 通过随机数选择使用哪种技能
        if skill <= 6:  # 60%的概率使用普通攻击
            print('%s使用普通攻击打了%s.' % (u.name, m.name))
            u.attack(m)
            print('%s的魔法值恢复了%d点.' % (u.name, u.resume()))
        elif skill <= 9:  # 30%的概率使用魔法攻击(可能因魔法值不足而失败)
            if u.magic_attack(ms):
                print('%s使用了魔法攻击.' % u.name)
            else:
                print('%s使用魔法失败.' % u.name)
        else:  # 10%的概率使用究极必杀技(如果魔法值不足则使用普通攻击)
            if u.huge_attack(m):
                print('%s使用究极必杀技虐了%s.' % (u.name, m.name))
            else:
                print('%s使用普通攻击打了%s.' % (u.name, m.name))
                print('%s的魔法值恢复了%d点.' % (u.name, u.resume()))
        if m.alive > 0:  # 如果选中的小怪兽没有死就回击奥特曼
            print('%s回击了%s.' % (m.name, u.name))
            m.attack(u)
        display_info(u, ms)  # 每个回合结束后显示奥特曼和小怪兽的信息
        fight_round += 1
    print('\n========战斗结束!========\n')
    if u.alive > 0:
        print('%s奥特曼胜利!' % u.name)
    else:
        print('小怪兽胜利!')


if __name__ == '__main__':
    main()

案例2：扑克游戏

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import random


class Card(object):
    """一张牌"""

    def __init__(self, suite, face):
        self._suite = suite
        self._face = face

    @property
    def face(self):
        return self._face

    @property
    def suite(self):
        return self._suite

    def __str__(self):
        if self._face == 1:
            face_str = 'A'
        elif self._face == 11:
            face_str = 'J'
        elif self._face == 12:
            face_str = 'Q'
        elif self._face == 13:
            face_str = 'K'
        else:
            face_str = str(self._face)
        return '%s%s' % (self._suite, face_str)
    
    def __repr__(self):
        return self.__str__()


class Poker(object):
    """一副牌"""

    def __init__(self):
        self._cards = [Card(suite, face) 
                       for suite in '♠♥♣♦'
                       for face in range(1, 14)]
        self._current = 0

    @property
    def cards(self):
        return self._cards

    def shuffle(self):
        """洗牌(随机乱序)"""
        self._current = 0
        random.shuffle(self._cards)

    @property
    def next(self):
        """发牌"""
        card = self._cards[self._current]
        self._current += 1
        return card

    @property
    def has_next(self):
        """还有没有牌"""
        return self._current < len(self._cards)


class Player(object):
    """玩家"""

    def __init__(self, name):
        self._name = name
        self._cards_on_hand = []

    @property
    def name(self):
        return self._name

    @property
    def cards_on_hand(self):
        return self._cards_on_hand

    def get(self, card):
        """摸牌"""
        self._cards_on_hand.append(card)

    def arrange(self, card_key):
        """玩家整理手上的牌"""
        self._cards_on_hand.sort(key=card_key)


# 排序规则-先根据花色再根据点数排序
def get_key(card):
    return (card.suite, card.face)


def main():
    p = Poker()
    p.shuffle()
    players = [Player('东邪'), Player('西毒'), Player('南帝'), Player('北丐')]
    for _ in range(13):
        for player in players:
            player.get(p.next)
    for player in players:
        print(player.name + ':', end=' ')
        player.arrange(get_key)
        print(player.cards_on_hand)


if __name__ == '__main__':
    main()

说明： 大家可以自己尝试在上面代码的基础上写一个简单的扑克游戏，例如21点(Black Jack)，游戏的规则可以自己在网上找一找。

案例3：工资结算系统

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"""
某公司有三种类型的员工 分别是部门经理、程序员和销售员
需要设计一个工资结算系统 根据提供的员工信息来计算月薪
部门经理的月薪是每月固定15000元
程序员的月薪按本月工作时间计算 每小时150元
销售员的月薪是1200元的底薪加上销售额5%的提成
"""
from abc import ABCMeta, abstractmethod


class Employee(object, metaclass=ABCMeta):
    """员工"""

    def __init__(self, name):
        """
        初始化方法

        :param name: 姓名
        """
        self._name = name

    @property
    def name(self):
        return self._name

    @abstractmethod
    def get_salary(self):
        """
        获得月薪

        :return: 月薪
        """
        pass


class Manager(Employee):
    """部门经理"""

    def get_salary(self):
        return 15000.0


class Programmer(Employee):
    """程序员"""

    def __init__(self, name, working_hour=0):
        super().__init__(name)
        self._working_hour = working_hour

    @property
    def working_hour(self):
        return self._working_hour

    @working_hour.setter
    def working_hour(self, working_hour):
        self._working_hour = working_hour if working_hour > 0 else 0

    def get_salary(self):
        return 150.0 * self._working_hour


class Salesman(Employee):
    """销售员"""

    def __init__(self, name, sales=0):
        super().__init__(name)
        self._sales = sales

    @property
    def sales(self):
        return self._sales

    @sales.setter
    def sales(self, sales):
        self._sales = sales if sales > 0 else 0

    def get_salary(self):
        return 1200.0 + self._sales * 0.05


def main():
    emps = [
        Manager('刘备'), Programmer('诸葛亮'),
        Manager('曹操'), Salesman('荀彧'),
        Salesman('吕布'), Programmer('张辽'),
        Programmer('赵云')
    ]
    for emp in emps:
        if isinstance(emp, Programmer):
            emp.working_hour = int(input('请输入%s本月工作时间: ' % emp.name))
        elif isinstance(emp, Salesman):
            emp.sales = float(input('请输入%s本月销售额: ' % emp.name))
        # 同样是接收get_salary这个消息但是不同的员工表现出了不同的行为(多态)
        print('%s本月工资为: ￥%s元' %
              (emp.name, emp.get_salary()))


if __name__ == '__main__':
    main()

发表于 更新于 分类于 Valine：
本文字数： 5.9k 阅读时长 ≈ 5 分钟

面向对象编程基础

活在当下的程序员应该都听过“面向对象编程”一词，也经常有人问能不能用一句话解释下什么是“面向对象编程”，我们先来看看比较正式的说法。

“把一组数据结构和处理它们的方法组成对象（object），把相同行为的对象归纳为类（class），通过类的封装（encapsulation）隐藏内部细节，通过继承（inheritance）实现类的特化（specialization）和泛化（generalization），通过多态（polymorphism）实现基于对象类型的动态分派。”

这样一说是不是更不明白了。所以我们还是看看更通俗易懂的说法，下面这段内容来自于知乎。

说明： 以上的内容来自于网络，不代表作者本人的观点和看法，与作者本人立场无关，相关责任不由作者承担。

之前我们说过“程序是指令的集合”，我们在程序中书写的语句在执行时会变成一条或多条指令然后由CPU去执行。当然为了简化程序的设计，我们引入了函数的概念，把相对独立且经常重复使用的代码放置到函数中，在需要使用这些功能的时候只要调用函数即可；如果一个函数的功能过于复杂和臃肿，我们又可以进一步将函数继续切分为子函数来降低系统的复杂性。但是说了这么多，不知道大家是否发现，所谓编程就是程序员按照计算机的工作方式控制计算机完成各种任务。但是，计算机的工作方式与正常人类的思维模式是不同的，如果编程就必须得抛弃人类正常的思维方式去迎合计算机，编程的乐趣就少了很多，“每个人都应该学习编程”这样的豪言壮语就只能说说而已。当然，这些还不是最重要的，最重要的是当我们需要开发一个复杂的系统时，代码的复杂性会让开发和维护工作都变得举步维艰，所以在上世纪60年代末期，“软件危机”、“软件工程”等一系列的概念开始在行业中出现。

当然，程序员圈子内的人都知道，现实中并没有解决上面所说的这些问题的“银弹”，真正让软件开发者看到希望的是上世纪70年代诞生的Smalltalk编程语言中引入的面向对象的编程思想（面向对象编程的雏形可以追溯到更早期的Simula语言）。按照这种编程理念，程序中的数据和操作数据的函数是一个逻辑上的整体，我们称之为“对象”，而我们解决问题的方式就是创建出需要的对象并向对象发出各种各样的消息，多个对象的协同工作最终可以让我们构造出复杂的系统来解决现实中的问题。

说明： 当然面向对象也不是解决软件开发中所有问题的最后的“银弹”，所以今天的高级程序设计语言几乎都提供了对多种编程范式的支持，Python也不例外。

类和对象

简单的说，类是对象的蓝图和模板，而对象是类的实例。这个解释虽然有点像用概念在解释概念，但是从这句话我们至少可以看出，类是抽象的概念，而对象是具体的东西。在面向对象编程的世界中，一切皆为对象，对象都有属性和行为，每个对象都是独一无二的，而且对象一定属于某个类（型）。当我们把一大堆拥有共同特征的对象的静态特征（属性）和动态特征（行为）都抽取出来后，就可以定义出一个叫做“类”的东西。

定义类

在Python中可以使用class关键字定义类，然后在类中通过之前学习过的函数来定义方法，这样就可以将对象的动态特征描述出来，代码如下所示。

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class Student(object):

    # __init__是一个特殊方法用于在创建对象时进行初始化操作
    # 通过这个方法我们可以为学生对象绑定name和age两个属性
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age

    def study(self, course_name):
        print('%s正在学习%s.' % (self.name, course_name))

    # PEP 8要求标识符的名字用全小写多个单词用下划线连接
    # 但是部分程序员和公司更倾向于使用驼峰命名法(驼峰标识)
    def watch_movie(self):
        if self.age < 18:
            print('%s只能观看《熊出没》.' % self.name)
        else:
            print('%s正在观看岛国爱情大电影.' % self.name)

说明： 写在类中的函数，我们通常称之为（对象的）方法，这些方法就是对象可以接收的消息。

创建和使用对象

当我们定义好一个类之后，可以通过下面的方式来创建对象并给对象发消息。

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def main():
    # 创建学生对象并指定姓名和年龄
    stu1 = Student('骆昊', 38)
    # 给对象发study消息
    stu1.study('Python程序设计')
    # 给对象发watch_av消息
    stu1.watch_movie()
    stu2 = Student('王大锤', 15)
    stu2.study('思想品德')
    stu2.watch_movie()


if __name__ == '__main__':
    main()

访问可见性问题

对于上面的代码，有C++、Java、C#等编程经验的程序员可能会问，我们给Student对象绑定的name和age属性到底具有怎样的访问权限（也称为可见性）。因为在很多面向对象编程语言中，我们通常会将对象的属性设置为私有的（private）或受保护的（protected），简单的说就是不允许外界访问，而对象的方法通常都是公开的（public），因为公开的方法就是对象能够接受的消息。在Python中，属性和方法的访问权限只有两种，也就是公开的和私有的，如果希望属性是私有的，在给属性命名时可以用两个下划线作为开头，下面的代码可以验证这一点。

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class Test:

    def __init__(self, foo):
        self.__foo = foo

    def __bar(self):
        print(self.__foo)
        print('__bar')


def main():
    test = Test('hello')
    # AttributeError: 'Test' object has no attribute '__bar'
    test.__bar()
    # AttributeError: 'Test' object has no attribute '__foo'
    print(test.__foo)


if __name__ == "__main__":
    main()

但是，Python并没有从语法上严格保证私有属性或方法的私密性，它只是给私有的属性和方法换了一个名字来“妨碍”对它们的访问，事实上如果你知道更换名字的规则仍然可以访问到它们，下面的代码就可以验证这一点。之所以这样设定，可以用这样一句名言加以解释，就是“We are all consenting adults here”。因为绝大多数程序员都认为开放比封闭要好，而且程序员要自己为自己的行为负责。

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class Test:

    def __init__(self, foo):
        self.__foo = foo

    def __bar(self):
        print(self.__foo)
        print('__bar')


def main():
    test = Test('hello')
    test._Test__bar()
    print(test._Test__foo)


if __name__ == "__main__":
    main()

在实际开发中，我们并不建议将属性设置为私有的，因为这会导致子类无法访问（后面会讲到）。所以大多数Python程序员会遵循一种命名惯例就是让属性名以单下划线开头来表示属性是受保护的，本类之外的代码在访问这样的属性时应该要保持慎重。这种做法并不是语法上的规则，单下划线开头的属性和方法外界仍然是可以访问的，所以更多的时候它是一种暗示或隐喻，关于这一点可以看看我的《Python - 那些年我们踩过的那些坑》文章中的讲解。

面向对象的支柱

面向对象有三大支柱：封装、继承和多态。后面两个概念在下一个章节中进行详细的说明，这里我们先说一下什么是封装。我自己对封装的理解是“隐藏一切可以隐藏的实现细节，只向外界暴露（提供）简单的编程接口”。我们在类中定义的方法其实就是把数据和对数据的操作封装起来了，在我们创建了对象之后，只需要给对象发送一个消息（调用方法）就可以执行方法中的代码，也就是说我们只需要知道方法的名字和传入的参数（方法的外部视图），而不需要知道方法内部的实现细节（方法的内部视图）。

练习

练习1：定义一个类描述数字时钟

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from time import sleep


class Clock(object):
    """数字时钟"""

    def __init__(self, hour=0, minute=0, second=0):
        """初始化方法

        :param hour: 时
        :param minute: 分
        :param second: 秒
        """
        self._hour = hour
        self._minute = minute
        self._second = second

    def run(self):
        """走字"""
        self._second += 1
        if self._second == 60:
            self._second = 0
            self._minute += 1
            if self._minute == 60:
                self._minute = 0
                self._hour += 1
                if self._hour == 24:
                    self._hour = 0

    def show(self):
        """显示时间"""
        return '%02d:%02d:%02d' % \
               (self._hour, self._minute, self._second)


def main():
    clock = Clock(23, 59, 58)
    while True:
        print(clock.show())
        sleep(1)
        clock.run()


if __name__ == '__main__':
    main()

练习2：定义一个类描述平面上的点并提供移动点和计算到另一个点距离的方法。

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from math import sqrt


class Point(object):

    def __init__(self, x=0, y=0):
        """初始化方法
        
        :param x: 横坐标
        :param y: 纵坐标
        """
        self.x = x
        self.y = y

    def move_to(self, x, y):
        """移动到指定位置
        
        :param x: 新的横坐标
        "param y: 新的纵坐标
        """
        self.x = x
        self.y = y

    def move_by(self, dx, dy):
        """移动指定的增量
        
        :param dx: 横坐标的增量
        "param dy: 纵坐标的增量
        """
        self.x += dx
        self.y += dy

    def distance_to(self, other):
        """计算与另一个点的距离
        
        :param other: 另一个点
        """
        dx = self.x - other.x
        dy = self.y - other.y
        return sqrt(dx ** 2 + dy ** 2)

    def __str__(self):
        return '(%s, %s)' % (str(self.x), str(self.y))


def main():
    p1 = Point(3, 5)
    p2 = Point()
    print(p1)
    print(p2)
    p2.move_by(-1, 2)
    print(p2)
    print(p1.distance_to(p2))


if __name__ == '__main__':
    main()

说明： 本章中的插图来自于Grady Booch等著作的《面向对象分析与设计》一书，该书是讲解面向对象编程的经典著作，有兴趣的读者可以购买和阅读这本书来了解更多的面向对象的相关知识。

发表于 更新于 分类于 Valine：
本文字数： 13k 阅读时长 ≈ 12 分钟

字符串和常用数据结构

使用字符串

第二次世界大战促使了现代电子计算机的诞生，最初的目的用计算机来快速的完成导弹弹道的计算，因此在计算机刚刚诞生的那个年代，计算机处理的信息基本上都是数值型的信息，而世界上的第一台电子计算机ENIAC每秒钟能够完成约5000次浮点运算。随着时间的推移，虽然数值运算仍然是计算机日常工作中最为重要的事情之一，但是今天的计算机更多的时间需要处理的数据可能都是以文本的方式存在的，如果我们希望通过Python程序操作本这些文本信息，就必须要先了解字符串类型以及与它相关的知识。

所谓字符串，就是由零个或多个字符组成的有限序列，一般记为$${\displaystyle s=a_{1}a_{2}\dots a_{n}(0\leq n \leq \infty)}$$。

我们可以通过下面的代码来了解字符串的使用。

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def main():
    str1 = 'hello, world!'
    # 通过len函数计算字符串的长度
    print(len(str1))  # 13
    # 获得字符串首字母大写的拷贝
    print(str1.capitalize())  # Hello, world!
    # 获得字符串变大写后的拷贝
    print(str1.upper())  # HELLO, WORLD!
    # 从字符串中查找子串所在位置
    print(str1.find('or'))  # 8
    print(str1.find('shit'))  # -1
    # 与find类似但找不到子串时会引发异常
    # print(str1.index('or'))
    # print(str1.index('shit'))
    # 检查字符串是否以指定的字符串开头
    print(str1.startswith('He'))  # False
    print(str1.startswith('hel'))  # True
    # 检查字符串是否以指定的字符串结尾
    print(str1.endswith('!'))  # True
    # 将字符串以指定的宽度居中并在两侧填充指定的字符
    print(str1.center(50, '*'))
    # 将字符串以指定的宽度靠右放置左侧填充指定的字符
    print(str1.rjust(50, ' '))
    str2 = 'abc123456'
    # 从字符串中取出指定位置的字符(下标运算)
    print(str2[2])  # c
    # 字符串切片(从指定的开始索引到指定的结束索引)
    print(str2[2:5])  # c12
    print(str2[2:])  # c123456
    print(str2[2::2])  # c246
    print(str2[::2])  # ac246
    print(str2[::-1])  # 654321cba
    print(str2[-3:-1])  # 45
    # 检查字符串是否由数字构成
    print(str2.isdigit())  # False
    # 检查字符串是否以字母构成
    print(str2.isalpha())  # False
    # 检查字符串是否以数字和字母构成
    print(str2.isalnum())  # True
    str3 = '  jackfrued@126.com '
    print(str3)
    # 获得字符串修剪左右两侧空格的拷贝
    print(str3.strip())


if __name__ == '__main__':
    main()

除了字符串，Python还内置了多种类型的数据结构，如果要在程序中保存和操作数据，绝大多数时候可以利用现有的数据结构来实现，最常用的包括列表、元组、集合和字典。

使用列表

下面的代码演示了如何定义列表、使用下标访问列表元素以及添加和删除元素的操作。

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def main():
    list1 = [1, 3, 5, 7, 100]
    print(list1)
    list2 = ['hello'] * 5
    print(list2)
    # 计算列表长度(元素个数)
    print(len(list1))
    # 下标(索引)运算
    print(list1[0])
    print(list1[4])
    # print(list1[5])  # IndexError: list index out of range
    print(list1[-1])
    print(list1[-3])
    list1[2] = 300
    print(list1)
    # 添加元素
    list1.append(200)
    list1.insert(1, 400)
    list1 += [1000, 2000]
    print(list1)
    print(len(list1))
    # 删除元素
    list1.remove(3)
    if 1234 in list1:
        list1.remove(1234)
    del list1[0]
    print(list1)
    # 清空列表元素
    list1.clear()
    print(list1)


if __name__ == '__main__':
    main()

和字符串一样，列表也可以做切片操作，通过切片操作我们可以实现对列表的复制或者将列表中的一部分取出来创建出新的列表，代码如下所示。

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def main():
    fruits = ['grape', 'apple', 'strawberry', 'waxberry']
    fruits += ['pitaya', 'pear', 'mango']
    # 循环遍历列表元素
    for fruit in fruits:
        print(fruit.title(), end=' ')
    print()
    # 列表切片
    fruits2 = fruits[1:4]
    print(fruits2)
    # fruit3 = fruits  # 没有复制列表只创建了新的引用
    # 可以通过完整切片操作来复制列表
    fruits3 = fruits[:]
    print(fruits3)
    fruits4 = fruits[-3:-1]
    print(fruits4)
    # 可以通过反向切片操作来获得倒转后的列表的拷贝
    fruits5 = fruits[::-1]
    print(fruits5)


if __name__ == '__main__':
    main()

下面的代码实现了对列表的排序操作。

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def main():
    list1 = ['orange', 'apple', 'zoo', 'internationalization', 'blueberry']
    list2 = sorted(list1)
    # sorted函数返回列表排序后的拷贝不会修改传入的列表
    # 函数的设计就应该像sorted函数一样尽可能不产生副作用
    list3 = sorted(list1, reverse=True)
    # 通过key关键字参数指定根据字符串长度进行排序而不是默认的字母表顺序
    list4 = sorted(list1, key=len)
    print(list1)
    print(list2)
    print(list3)
    print(list4)
    # 给列表对象发出排序消息直接在列表对象上进行排序
    list1.sort(reverse=True)
    print(list1)


if __name__ == '__main__':
    main()

我们还可以使用列表的生成式语法来创建列表，代码如下所示。

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import sys


def main():
    f = [x for x in range(1, 10)]
    print(f)
    f = [x + y for x in 'ABCDE' for y in '1234567']
    print(f)
    # 用列表的生成表达式语法创建列表容器
    # 用这种语法创建列表之后元素已经准备就绪所以需要耗费较多的内存空间
    f = [x ** 2 for x in range(1, 1000)]
    print(sys.getsizeof(f))  # 查看对象占用内存的字节数
    print(f)
    # 请注意下面的代码创建的不是一个列表而是一个生成器对象
    # 通过生成器可以获取到数据但它不占用额外的空间存储数据
    # 每次需要数据的时候就通过内部的运算得到数据(需要花费额外的时间)
    f = (x ** 2 for x in range(1, 1000))
    print(sys.getsizeof(f))  # 相比生成式生成器不占用存储数据的空间
    print(f)
    for val in f:
        print(val)


if __name__ == '__main__':
    main()

除了上面提到的生成器语法，Python中还有另外一种定义生成器的方式，就是通过yield关键字将一个普通函数改造成生成器函数。下面的代码演示了如何实现一个生成斐波拉切数列的生成器。所谓斐波拉切数列可以通过下面递归的方法来进行定义：

$${\displaystyle F_{0}=0}$$

$${\displaystyle F_{1}=1}$$

$${\displaystyle F_{n}=F_{n-1}+F_{n-2}}({n}\geq{2})$$

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def fib(n):
    a, b = 0, 1
    for _ in range(n):
        a, b = b, a + b
        yield a


def main():
    for val in fib(20):
        print(val)


if __name__ == '__main__':
    main()

使用元组

Python 的元组与列表类似，不同之处在于元组的元素不能修改，在前面的代码中我们已经不止一次使用过元组了。顾名思义，我们把多个元素组合到一起就形成了一个元组，所以它和列表一样可以保存多条数据。下面的代码演示了如何定义和使用元组。

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def main():
    # 定义元组
    t = ('骆昊', 38, True, '四川成都')
    print(t)
    # 获取元组中的元素
    print(t[0])
    print(t[3])
    # 遍历元组中的值
    for member in t:
        print(member)
    # 重新给元组赋值
    # t[0] = '王大锤'  # TypeError
    # 变量t重新引用了新的元组原来的元组将被垃圾回收
    t = ('王大锤', 20, True, '云南昆明')
    print(t)
    # 将元组转换成列表
    person = list(t)
    print(person)
    # 列表是可以修改它的元素的
    person[0] = '李小龙'
    person[1] = 25
    print(person)
    # 将列表转换成元组
    fruits_list = ['apple', 'banana', 'orange']
    fruits_tuple = tuple(fruits_list)
    print(fruits_tuple)


if __name__ == '__main__':
    main()

这里有一个非常值得探讨的问题，我们已经有了列表这种数据结构，为什么还需要元组这样的类型呢？

  1. 元组中的元素是无法修改的，事实上我们在项目中尤其是多线程环境（后面会讲到）中可能更喜欢使用的是那些不变对象（一方面因为对象状态不能修改，所以可以避免由此引起的不必要的程序错误，简单的说就是一个不变的对象要比可变的对象更加容易维护；另一方面因为没有任何一个线程能够修改不变对象的内部状态，一个不变对象自动就是线程安全的，这样就可以省掉处理同步化的开销。一个不变对象可以方便的被共享访问）。所以结论就是：如果不需要对元素进行添加、删除、修改的时候，可以考虑使用元组，当然如果一个方法要返回多个值，使用元组也是不错的选择。
  2. 元组在创建时间和占用的空间上面都优于列表。我们可以使用sys模块的getsizeof函数来检查存储同样的元素的元组和列表各自占用了多少内存空间，这个很容易做到。我们也可以在ipython中使用魔法指令%timeit来分析创建同样内容的元组和列表所花费的时间，下图是我的macOS系统上测试的结果。

使用集合

Python中的集合跟数学上的集合是一致的，不允许有重复元素，而且可以进行交集、并集、差集等运算。

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def main():
    set1 = {1, 2, 3, 3, 3, 2}
    print(set1)
    print('Length =', len(set1))
    set2 = set(range(1, 10))
    print(set2)
    set1.add(4)
    set1.add(5)
    set2.update([11, 12])
    print(set1)
    print(set2)
    set2.discard(5)
    # remove的元素如果不存在会引发KeyError
    if 4 in set2:
        set2.remove(4)
    print(set2)
    # 遍历集合容器
    for elem in set2:
        print(elem ** 2, end=' ')
    print()
    # 将元组转换成集合
    set3 = set((1, 2, 3, 3, 2, 1))
    print(set3.pop())
    print(set3)
    # 集合的交集、并集、差集、对称差运算
    print(set1 & set2)
    # print(set1.intersection(set2))
    print(set1 | set2)
    # print(set1.union(set2))
    print(set1 - set2)
    # print(set1.difference(set2))
    print(set1 ^ set2)
    # print(set1.symmetric_difference(set2))
    # 判断子集和超集
    print(set2 <= set1)
    # print(set2.issubset(set1))
    print(set3 <= set1)
    # print(set3.issubset(set1))
    print(set1 >= set2)
    # print(set1.issuperset(set2))
    print(set1 >= set3)
    # print(set1.issuperset(set3))


if __name__ == '__main__':
    main()

说明： Python中允许通过一些特殊的方法来为某种类型或数据结构自定义运算符（后面的章节中会讲到），上面的代码中我们对集合进行运算的时候可以调用集合对象的方法，也可以直接使用对应的运算符，例如&运算符跟intersection方法的作用就是一样的，但是使用运算符让代码更加直观。

使用字典

字典是另一种可变容器模型，类似于我们生活中使用的字典，它可以存储任意类型对象，与列表、集合不同的是，字典的每个元素都是由一个键和一个值组成的“键值对”，键和值通过冒号分开。下面的代码演示了如何定义和使用字典。

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def main():
    scores = {'骆昊': 95, '白元芳': 78, '狄仁杰': 82}
    # 通过键可以获取字典中对应的值
    print(scores['骆昊'])
    print(scores['狄仁杰'])
    # 对字典进行遍历(遍历的其实是键再通过键取对应的值)
    for elem in scores:
        print('%s\t--->\t%d' % (elem, scores[elem]))
    # 更新字典中的元素
    scores['白元芳'] = 65
    scores['诸葛王朗'] = 71
    scores.update(冷面=67, 方启鹤=85)
    print(scores)
    if '武则天' in scores:
        print(scores['武则天'])
    print(scores.get('武则天'))
    # get方法也是通过键获取对应的值但是可以设置默认值
    print(scores.get('武则天', 60))
    # 删除字典中的元素
    print(scores.popitem())
    print(scores.popitem())
    print(scores.pop('骆昊', 100))
    # 清空字典
    scores.clear()
    print(scores)


if __name__ == '__main__':
    main()

练习

练习1：在屏幕上显示跑马灯文字

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import os
import time


def main():
    content = '北京欢迎你为你开天辟地…………'
    while True:
        # 清理屏幕上的输出
        os.system('cls')  # os.system('clear')
        print(content)
        # 休眠200毫秒
        time.sleep(0.2)
        content = content[1:] + content[0]


if __name__ == '__main__':
    main()

练习2：设计一个函数产生指定长度的验证码，验证码由大小写字母和数字构成。

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import random


def generate_code(code_len=4):
    """
    生成指定长度的验证码

    :param code_len: 验证码的长度(默认4个字符)

    :return: 由大小写英文字母和数字构成的随机验证码
    """
    all_chars = '0123456789abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ'
    last_pos = len(all_chars) - 1
    code = ''
    for _ in range(code_len):
        index = random.randint(0, last_pos)
        code += all_chars[index]
    return code

练习3：设计一个函数返回给定文件名的后缀名。

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def get_suffix(filename, has_dot=False):
    """
    获取文件名的后缀名

    :param filename: 文件名
    :param has_dot: 返回的后缀名是否需要带点
    :return: 文件的后缀名
    """
    pos = filename.rfind('.')
    if 0 < pos < len(filename) - 1:
        index = pos if has_dot else pos + 1
        return filename[index:]
    else:
        return ''

练习4：设计一个函数返回传入的列表中最大和第二大的元素的值。

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def max2(x):
    m1, m2 = (x[0], x[1]) if x[0] > x[1] else (x[1], x[0])
    for index in range(2, len(x)):
        if x[index] > m1:
            m2 = m1
            m1 = x[index]
        elif x[index] > m2:
            m2 = x[index]
    return m1, m2

练习5：计算指定的年月日是这一年的第几天

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def is_leap_year(year):
    """
    判断指定的年份是不是闰年

    :param year: 年份
    :return: 闰年返回True平年返回False
    """
    return year % 4 == 0 and year % 100 != 0 or year % 400 == 0


def which_day(year, month, date):
    """
    计算传入的日期是这一年的第几天

    :param year: 年
    :param month: 月
    :param date: 日
    :return: 第几天
    """
    days_of_month = [
        [31, 28, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31],
        [31, 29, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31]
    ][is_leap_year(year)]
    total = 0
    for index in range(month - 1):
        total += days_of_month[index]
    return total + date


def main():
    print(which_day(1980, 11, 28))
    print(which_day(1981, 12, 31))
    print(which_day(2018, 1, 1))
    print(which_day(2016, 3, 1))


if __name__ == '__main__':
    main()

练习6：打印杨辉三角。

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def main():
    num = int(input('Number of rows: '))
    yh = [[]] * num
    for row in range(len(yh)):
        yh[row] = [None] * (row + 1)
        for col in range(len(yh[row])):
            if col == 0 or col == row:
                yh[row][col] = 1
            else:
                yh[row][col] = yh[row - 1][col] + yh[row - 1][col - 1]
            print(yh[row][col], end='\t')
        print()


if __name__ == '__main__':
    main()

综合案例

案例1：双色球选号

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from random import randrange, randint, sample


def display(balls):
    """
    输出列表中的双色球号码
    """
    for index, ball in enumerate(balls):
        if index == len(balls) - 1:
            print('|', end=' ')
        print('%02d' % ball, end=' ')
    print()


def random_select():
    """
    随机选择一组号码
    """
    red_balls = [x for x in range(1, 34)]
    selected_balls = []
    selected_balls = sample(red_balls, 6)
    selected_balls.sort()
    selected_balls.append(randint(1, 16))
    return selected_balls


def main():
    n = int(input('机选几注: '))
    for _ in range(n):
        display(random_select())


if __name__ == '__main__':
    main()

说明： 上面使用random模块的sample函数来实现从列表中选择不重复的n个元素。

综合案例2：约瑟夫环问题

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"""
《幸运的基督徒》
有15个基督徒和15个非基督徒在海上遇险，为了能让一部分人活下来不得不将其中15个人扔到海里面去，有个人想了个办法就是大家围成一个圈，由某个人开始从1报数，报到9的人就扔到海里面，他后面的人接着从1开始报数，报到9的人继续扔到海里面，直到扔掉15个人。由于上帝的保佑，15个基督徒都幸免于难，问这些人最开始是怎么站的，哪些位置是基督徒哪些位置是非基督徒。
"""


def main():
    persons = [True] * 30
    counter, index, number = 0, 0, 0
    while counter < 15:
        if persons[index]:
            number += 1
            if number == 9:
                persons[index] = False
                counter += 1
                number = 0
        index += 1
        index %= 30
    for person in persons:
        print('基' if person else '非', end='')


if __name__ == '__main__':
    main()

综合案例3：井字棋游戏

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import os


def print_board(board):
    print(board['TL'] + '|' + board['TM'] + '|' + board['TR'])
    print('-+-+-')
    print(board['ML'] + '|' + board['MM'] + '|' + board['MR'])
    print('-+-+-')
    print(board['BL'] + '|' + board['BM'] + '|' + board['BR'])


def main():
    init_board = {
        'TL': ' ', 'TM': ' ', 'TR': ' ',
        'ML': ' ', 'MM': ' ', 'MR': ' ',
        'BL': ' ', 'BM': ' ', 'BR': ' '
    }
    begin = True
    while begin:
        curr_board = init_board.copy()
        begin = False
        turn = 'x'
        counter = 0
        os.system('clear')
        print_board(curr_board)
        while counter < 9:
            move = input('轮到%s走棋, 请输入位置: ' % turn)
            if curr_board[move] == ' ':
                counter += 1
                curr_board[move] = turn
                if turn == 'x':
                    turn = 'o'
                else:
                    turn = 'x'
            os.system('clear')
            print_board(curr_board)
        choice = input('再玩一局?(yes|no)')
        begin = choice == 'yes'


if __name__ == '__main__':
    main()

说明： 最后这个案例来自《Python编程快速上手:让繁琐工作自动化》一书（这本书对有编程基础想迅速使用Python将日常工作自动化的人来说还是不错的选择），对代码做了一点点的调整。