HackMD 完整版請點我

Python 進階

物件導向程式設計（Object-Oriented Programming, OOP）

物件導向程式設計是軟體設計的一種方法，它把軟體分成數個「物件」來撰寫。每個物件都有自己的屬性和行為，並且可以跟其他物件互動。這樣的好處是，軟體的各部分之間彼此獨立，不但便於重複使用，也更容易理解和修改，提高軟體的可維護性和可擴展性。

物件導向程式設計是目前最流行的軟體設計方法之一，被廣泛應用於各種領域，包括網站開發、商用軟體、遊戲開發等等。常見的物件導向程式設計語言包括 Java、C++、C#、Python 等。

Credit: The world-wide famous ChatGPT

類別（Class） - 簡介

以下我們使用一個簡單的例子來說明類別的概念：在現實生活中，有各式各樣的車子，而每台車子雖然皆不相同，但都具有共同特徵，像是有四個輪胎、都有駕駛與車牌跟廠牌、都使用汽油前進等等，這時候就很適合使用物件導向的概念為車子建造一個類別。

在以下的例子中，Car 是一個類別名稱，這個類別包含 driver, engine, meter 等等屬性（Attribute），以及 turnOnEngine, checkEngine, drive 等等方法（Method）。

而 mycar 是一個屬於 Car 類別的物件或變數，我們也可以建立多個屬於 Car 類別的物件像是 mycar1, mycar2...，彼此之間的屬性與函數操作互不影響。

宣告類別與建構函式（Constructor）

在宣告類別時，我們使用以下語法：

  • class Car 代表這個類別的名稱，亦可使用 class Car() 或 class Car(object)
  • def __init__() 是一種特殊的類別方法，也稱為建構函式
    • 一個類別只有一個建構函式，若未撰寫則預設什麼事情都不做
    • 名稱必為 __init__()，建立此類別物件時會自動執行，不須呼叫
    • 主要用途為初始化相關配置，像是車子必有車牌號碼等等
1
2
3
4
5
6
7
8
class Car:  # or class Car(): / class Car(object):
    def __init__(self, plateID, driver):
        self.wheels = 4
        self.plateID = plateID
        self.driver = driver
        self.engine = False
        self.meters = 0
        self.turnOnEngine()

補充：在其他語言（如 C++）中，時常會見到解構函式（Destructor）的使用
與建構函式相對應，解構函式在物件被銷毀時會自動執行
其使用主要是為了刪除 Runtime 時動態分配的記憶體空間，以避免 Memory Leak
Python 中也有提供解構函式，但因為我們通常不會自己分配記憶體
所以大多狀況下不需要使用，Python 會自己幫我們刪除分配的空間

屬性（Attribute）與方法（Method）

  • 屬性（Attribute）：靜態，描述此物件的屬性
    • 車子有駕駛、引擎、公里數等等
    • 又稱為成員變數（Member Variable）
    • 其值可以是任何東西，像是 list、int、string 等等，甚至可以是另一個類別
    • 會一直保存並且隨程式進行而更新，直到物件消滅為止
  • 方法（Method）：動態，對此物件執行一個動作
    • 車子可以點燃引擎、檢查引擎、往前開等等
    • 又稱為成員函式（Member Function）
    • 與一般的函式（Function）撰寫方式相同
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
class Car:  # or class Car(): / class Car(object):
    def __init__(self, plateID, driver):
        self.wheels = 4
        self.plateID = plateID
        self.driver = driver
        self.engine = False
        self.meters = 0
        self.turnOnEngine()
        
    def turnOnEngine(self):
        if self.checkEngine():
            self.engine = True
            print("Engine Started!")
            
    def checkEngine(self):
        return True
    
    def drive(self, distance):
        if self.engine:
            self.meters += distance
            print("Drive %d kilometers."%distance)
        else:
            print('Engine is not turned on.')
    
    def turnOffEngine(self):
        self.engine = False
        print("Engine has been turned off.")
        
    def whoisDriving(self):
        print('%s is driving the car.'%self.driver)
        return self.driver

    def getMeters(self):
        return self.meters

Self

你應該有注意到上面出現了很多個 self 這個關鍵字，這個關鍵字在類別中扮演了很重要的角色，且任何類別方法中，第一個參數一定要是 self，他的意思是「這個物件本身」，而因為 self 代表這個方法中的物件本身，所以這個位置不需要傳入任何東西，在呼叫時可以直接無視。

用以下的例子來說：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
class Car:
    ...
    def drive(self, distance):
        if self.engine:
            self.meters += distance
            print("Drive %d kilometers."%distance)
        else:
            print('Engine is not turned on.')

    def getMeters(self):
        return self.meters
1
2
3
4
5
6
...
print(myCar1.getMeters())
myCar1.drive(100)
print(myCar1.getMeters())
print(myCar2.getMeters())
print(myCar3.getMeters())
1
2
3
4
5
Output:
100
200
1000
0

可以注意到幾個重點：

  • 每輛車的結果都不同，因為每輛車的 self.meters 都不同
  • 呼叫 mycar1.getMeters() 時，不用傳入任何參數，但定義時卻必須定義一個參數 self，也就是說，類別方法的傳入參數量 + 1 = 定義參數量
  • 也可以在類別方法內來呼叫其他類別方法，像是 self.turnOnEngine()

靜態變數（Static Variable）

上述例子中，有些屬性是屬於整個類別共享的，像是 self.wheels，所有車子都有四個輪子。此時我們可以利用靜態變數，來宣告整個類別的屬性。詳細作法如下：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
class Car:  # or class Car(): / class Car(object):
    wheels = 4
    def __init__(self, plateID, driver):
        self.plateID = plateID
        self.driver = driver
        self.engine = False
        self.meters = 0
        self.turnOnEngine()
    ...

變數/屬性 說明 例子 語法
實體變數 每個物件的屬性 每輛車有不同的駕駛 mycar.driver
類別變數 整個類別的屬性 所有車都有 4 個輪子 Car.wheels

使用方式

在完成以上的宣告後，接著我們來看使用方式：

  • 使用 Car() 來建立一個類別物件
  • 使用 myCar.drive() 來呼叫類別方法
  • 使用 myCar.driver 來獲取類別屬性
1
2
3
4
5
6
myCar = Car("ABC-0311","Jack")
print('=====')
myCar.drive(100)
print('=====')
driverName = myCar.driver
print(driverName, "is driving the car.")
1
2
3
4
5
6
7
Output:
Engine Started!
=====
Drive 100 kilometers.
=====
Jack is driving the car.
=====

補充：在其他語言中，為了更好的管理獲取權限
有時候會限制類別屬性或方法的取的與使用
此舉可以避免類別屬性被意外的修改，像 C++ 中 private 與 protected 的使用

完整程式碼

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
class Car:  # or class Car(): / class Car(object):
    wheels = 4
    def __init__(self, plateID, driver):
        self.plateID = plateID
        self.driver = driver
        self.engine = False
        self.meters = 0
        self.turnOnEngine()
        
    def turnOnEngine(self):
        if self.checkEngine():
            self.engine = True
            print("Engine Started!")
            
    def checkEngine(self):
        return True
    
    def drive(self, distance):
        if self.engine:
            self.meters += distance
            print("Drive %d kilometers."%distance)
        else:
            print('Engine is not turned on.')
    
    def turnOffEngine(self):
        self.engine = False
        print("Engine has been turned off.")
        
    def whoisDriving(self):
        print('%s is driving the car.'%self.driver)
        return self.driver

    def getMeters(self):
        return self.meters

myCar = Car("ABC-0311","Jack")
print('=====')
myCar.drive(100)
print('=====')
driverName = myCar.whoisDriving()
print('=====')
myCar.turnOffEngine()
print('=====')
myCar.drive(100)
print('=====')
myCar.turnOnEngine()
print('=====')
myCar.drive(100)
print('=====')
meter = myCar.getMeters()
print("Meters:",meter)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Output:
Engine Started!
=====
Drive 100 kilometers.
=====
Jack is driving the car.
=====
Engine has been turned off.
=====
Engine is not turned on.
=====
Engine Started!
=====
Drive 100 kilometers.
=====
Meters: 200