Python教程(三)：类对象、闭包、装饰器、类型注解、MRO

Python总结（三）

本系列其他教程：

Python教程(一)：基本语法、流程控制、数据容器
Python教程(二)：函数、异常、模块&包、文件读取、常用模块

一、类&对象

使用 class 关键字来定义类，通过 对象=类名称() 来创建对象。

• 对象也像变量一样，不用声明类型。
• 创建对象的写法就像调用 “类函数” 一样。

1.1 成员方法

• 类中定义的成员方法必须要有一个形参 self，且必须放在所有参数的第一位。
  • self 表示类对象自身的意思，在成员方法内想要访问成员变量必须使用 self 来访问。
  • 使用类对象调用成员方法的时候，可以当 self 参数不存在。
    • 当使用类对象调用成员方法时，self 会自动被 Python 传入。

# 定义类
class Student:# 成员变量name = None# 成员方法，必须要有self参数def myMethod(self, address):# 通过self来访问成员变量print(f"大家好，我叫{self.name}，我的地址是{address}")# 创建对象
s1 = Student()
# 定义成员变量值
s1.name = 'Jay'
# 调用成员方法（当作self参数不存在）
s1.myMethod('Taiwan') # 大家好，我叫Jay，我的地址是Taiwan

1.2 构造方法

• 构造方法在创建类对象的时候会自动调用。
  • Python中构造方法的名称固定为 __init__() ，前后各两个下划线。
  • 如果自己不定义构造方法，默认会有一个空参的构造方法；如果自己定义了构造方法，则默认的空参构造方法会失效。
• 构造方法也属于成员方法，也必须有 self 参数。
• 经常用构造方法在创建对象的时候给成员变量赋值。
  • 以下代码在类中并没有定义三个属性而构造方法直接使用了，下面会解释。

class Student:# 构造方法def __init__(self, name, age, address):self.name = nameself.age = ageself.address = addressdef myInformation(self):print(self.name, self.age, self.address)# 创建对象自动调用构造方法，self当作不存在
stu1 = Student('Jay', 30, 'Taiwan')
stu1.myInformation() # Jay 30 Taiwan

1.3 类属性&类方法&静态方法

• 类属性：

  • 对象是从类创造的，它们的属性和方法是各个对象独有的，互相不能共享。
  • 而类也有属性和方法，且它们可以和类创建的所有对象共享，并且类本身不用创建对象也能访问。
  • 以下代码定义了类属性，而不是对象属性：
    • 访问类属性要使用类名，而不是self，self表示对象。

  class Student:# 以下都是类属性name = Noneage = Nonecount = 0def __init__(self, name, age):# 访问类属性要使用类名，而不是self，self表示对象Student.count += 1print(Student.count) # 0
  stu1 = Student('Tom', 12)
  print(stu1.count) # 1
  stu2 = Student('Jack', 18)
  print(stu2.count) # 2
  print(Student.count) # 2
  # 可以发现所有对象和类本身都共享类属性count
  

• 对象属性：

  • 使用 self 定义在 __init__ 构造方法中，每个对象独有。
  • 以下代码定义了对象属性，而不是类属性：
    • 访问对象属性要使用self，而不是类名。

  class Student:def __init__(self, name, age, address):self.name = nameself.age = ageself.address = address
  

  • 注意：定义了对象属性后一般不会再定义同名的类属性，这也是为什么第1.2节代码中没有定义类属性的原因。

• 类方法：

  • 类方法也不需要创建对象，通过类名就可以访问，通过对象也可以访问。
  • 使用 @classmethod 装饰器定义，第一个参数是 cls，而不是 self， cls 表示类本身而不是对象本身，类方法中访问类中的其他类方法和类属性必须使用 cls 。

  class MyClass:# 类属性class_attribute = 2@classmethoddef class_method(cls):# 类方法通过cls访问类属性return cls.class_attribute# 调用类方法
  print(MyClass.class_method()) # 2# 也可以通过实例调用类方法，但效果相同
  obj = MyClass()
  print(obj.class_method()) # 2
  

• 对象方法：

  • 定义在类中，第一个参数是self，可以访问对象属性。

• 静态方法：

  • 静态方法通过 @staticmethod 装饰器在类中定义。
  • 静态方法不使用 cls 或 self 作为第一个参数。
  • 静态方法类和对象都可以访问。
  • 静态方法用于实现一些与类相关的功能，但在实现过程中不需要访问或修改类或对象的成员（不使用cls、self参数也没法访问），一般只是用来做与本类相关的一些逻辑运算。

  class MyClass:@staticmethoddef static_method(arg1, arg2):return arg1 + arg2# 调用静态方法
  result = MyClass.static_method(5, 10)
  print(result)  # 输出: 15# 也可以通过实例调用静态方法，但效果相同
  obj = MyClass()
  result = obj.static_method(5, 10)
  print(result)  # 输出: 15
  

综合案例：

class Car:# 类属性wheels = 4def __init__(self, brand, model, year):# 对象属性self.brand = brandself.model = modelself.year = year# 类方法@classmethoddef is_motor_vehicle(cls):return cls.wheels == 4# 对象方法def car_details(self):return f"{self.brand} {self.model} ({self.year})"# 静态方法# 不访问类或对象中的任何成员@staticmethoddef calculate_mileage(distance, fuel_used):return distance / fuel_used# 创建实例
car1 = Car("Toyota", "Camry", 2020)
car2 = Car("Honda", "Accord", 2019)# 调用对象方法
print(car1.car_details())  # 输出: Toyota Camry (2020)
print(car2.car_details())  # 输出: Honda Accord (2019)# 调用类方法
print(Car.is_motor_vehicle())  # 输出: True# 调用静态方法
print(Car.calculate_mileage(500, 25))  # 输出: 20.0# 访问类属性
print(Car.wheels)  # 输出: 4# 访问对象属性
print(car1.brand)  # 输出: Toyota
print(car2.model)  # 输出: Accord

1.4 魔术方法

Python内置的对象方法称为魔术方法（第一个参数是self）：

__str__

• 用于控制输出对象的时候输出的内容，而不是输出没什么用的内存地址。
• 该方法必须返回一个字符串，这个返回的字符串就是打印对象时输出的内容。

# 没有定义__str__魔术方法
class Student1:def __init__(self, name, age):self.name = nameself.age = agestu1 = Student1('Jack', 12)
print(stu1) # <__main__.Student object at 0x0000016A8BDE5810># 使用__str__魔术方法
class Student2:def __init__(self, name, age):self.name = nameself.age = agedef __str__(self):return f'{self.name} {self.age}'stu2 = Student2('Jack', 12)
# 输出魔术方法返回的内容
print(stu2) # Jack 12

__lt__

• 直接进行对象的比较是会报错的，该方法用于支持对象之间的比较。
• 该方法传入的第二个参数 other 指的是另一个参与比较的对象，而 self 参数指的是对象本身。
• 该方法的返回值是 True 或 False。

class Student1:def __init__(self, name, age):self.name = nameself.age = agedef __lt__(self, other):return self.age < other.agestu1 = Student1('Jack', 12)
stu2 = Student1('Jack', 15)
# stu2对应方法中的other参数
print(stu1 < stu2) # True

其他魔术方法：

• __le__：用于支持对象之间进行比较的 <= 和 >= 两种运算符。
  • 用法和 __lt__ 一模一样。
• __eq__：用于支持对象之间进行比较的 == 运算符。
  • 用法和 __lt__ 一模一样。

1.5 私有成员

• 私有成员不能被类对象访问和使用。
• 私有成员能被类中的其他成员访问和使用。
• 私有成员的定义只需要在方法或变量名之前加 __ 两个下划线即可。

class Student1:#成员变量也可以有默认值__address = '北京'def __init__(self, name, age):self.name = nameself.age = agedef myAddress(self):# 访问私有成员return self.__addressstu1 = Student1('Jack', 12)
print(stu1.__address) # 对象访问私有成员会报错
print(stu1.myAddress()) # 北京

1.6 继承

1.6.1 单继承&多继承

• 继承表示子类从父类继承成员变量和方法（不含私有），然后子类拥有了继承下来的成员，可以直接使用（就当成子类中也定义了相同的成员）。
• 写法：class 类名(父类名)
  • 可以多继承，多个父类名在括号中使用逗号隔开。
  • 如果继承下来的多个父类有同名的成员变量或方法，则以括号中从左到右的顺序来排优先级。

单继承：

# 定义父类
class Phone:IMEI = NonesimCard = Nonedef callBy4G(self):print('父类Phone的成员方法被调用')# 子类继承父类
class XIAOMI(Phone):color = 'green'x1 = XIAOMI()
print(x1.color) # green
# 子类对象可以直接调用继承下来的父类方法
x1.callBy4G() # 父类Phone的成员方法被调用

多继承：

class Phone:IMEI = NonesimCard = Nonedef callBy4G(self):print('父类Phone的成员方法被调用')class NFCReader:producer = 'NVINDA'def readNFC(self):print('读取了NFC')class HUAWEI(Phone, NFCReader):# 拥有了继承下来的两个父类的所有成员pass

1.6.2 复写

• 子类可以复写和父类同名的变量或方法，重写后子类再调用就会调用重写后的而不是父类的。
• 重写的方式是直接定义一个和父类中同名的新方法或新变量。

class Phone:IMEI = NonesimCard = Nonename = "手机大王"def callBy4G(self):print('父类Phone的成员方法被调用')# 子类继承父类
class XIAOMI(Phone):color = 'green'def __init__(self, name):# 从父类继承下来的属性被修改self.name = name# 进行了重写def callBy4G(self):print('子类XIAOMI的成员方法被调用')x1 = XIAOMI("小米手机")
x1.callBy4G() # 调用的是重写后的方法而不是父类的
print(x1.name) # 小米手机

1.6.3 调用父类同名属性

• 子类中调用父类属性有2种方式（仅针对属性，调用父类方法见下述）：
  • 父类名.属性名
  • super().属性名

class Phone:IMEI = NonesimCard = '父类的sim卡'def callBy4G(self):print('父类Phone的成员方法被调用')class XIAOMI(Phone):color = 'green'simCard = '子类重写的sim卡'# 进行了重写def callBy4G(self):# 调用父类成员print(super().simCard)x1 = XIAOMI()
x1.callBy4G() # 父类的sim卡

1.6.4 多态和抽象

• 抽象指的是父类来确定有哪些方法和成员，但什么都不做（pass），具体的实现由子类重写决定。
• 多态指的是参数接收父类，但其实传递的是子类对象，也就是父类抽象，子类实际工作。

# 抽象类中定义抽象方法
class Animal:def noise(self):pass# 定义子类
class Dog(Animal):def noise(self):print("I am a dog")# 参数接受一个父类对象
def makeNoise(animal: Animal):animal.noise()# 实际传递子类对象
makeNoise(Dog()) # I am a dog

1.7 自定义属性

• 对于一些不需要任何参数，然后返回一个值的成员函数，可以使用 @property 装饰器来将它们变成“属性”，以后这些方法就可以当作属性来使用，而不用调用函数。
• 定义后函数名就是属性名。

class Student:baseAge = 12@propertydef age(self):return self.baseAge * 2stu1 = Student()
# 把age函数当成一个属性来使用了
print(stu1.age) # 24

二、类型注解

2.1 基本用法

• 对代码实际执行没有任何影响，只是帮助第三方IDE工具做类型提示，如自动补全和类型检查。
• 支持的范围：
  • 变量、对象的类型注解。
  • 函数的形参和返回值的类型注解。
• 写法：
  • 变量、对象的注解直接在原本的代码基础上，变量或者对象之后加 : 类型 即可，其他赋值等代码都不动。
    • 对象的类型注解就是所属的类。
  • 方法的返回值注解：def 函数名() -> 返回值类型

2.2 容器类型注解

• 元组类型设置类型详细注解，需要将每一个元素都标记出来。
• 字典类型设置类型详细注解，需要2个类型，第一个是key第二个是value。

2.3 type定义类型注解

• 除了使用 变量: 类型 这种语法做注解外，也可以在注释中进行类型注解。
  • 语法：# type: 类型
    

2.4 Union联合类型

• 对于可以存放各种类型的容器来说，如果一个一个的把所有元素的类型都按顺序写出来会比较麻烦，可以使用联合类型指出所有可能的类型即可。

• 用法：先从typing导包，然后 Union[所有可能的类型逗号隔开]：

from typing import Union# data可能是int, str种的一种
def process_data(data: Union[int, str]) -> None:if isinstance(data, int):print(f"Processing integer: {data}")elif isinstance(data, str):print(f"Processing string: {data}")process_data(42)
process_data("Hello")

• isinstance 用来判断对象和类的关系，返回 True 或 False：
  • 第一个参数写对象，第二个参数写类。

三、闭包

• 闭包指的是函数进行嵌套，内部函数使用外层函数的参数，并且外层函数返回值是内层函数本身。
• 如果一个变量只是用来传递给仅一个函数使用，可以使用闭包增加安全性。

def outer(num1: str):def inner(num2: str):# 内部函数可直接使用外层函数的参数print(f'我是{num2}，我引用了外层的参数{num1}')# 外层函数直接返回内部函数本身return inner# 此时out1就相当于inner函数，当作函数来使用
out1 = outer('Jay')
out1('Tom') # 我是Tom，我引用了外层的参数Jay

• 如果不使用闭包，直接在inner之外定义num1变量，会存在被导包后被其他模块篡改num1变量的风险，而使用闭包避免这种风险，增加安全性。

• 可以在内部函数中使用 nonlocal 关键字修饰外层函数的参数，从而使得内部函数可以修改这个参数的值。

  def outer(num1: int):def inner(num2: int):# 使用nonlocal关键字修饰外层函数的参数，从而可以修改他nonlocal num1num1 += num2return num1return innerfn = outer(10)
  print(fn(20)) # 30
  print(fn(20)) # 50
  

  • 注意：观察上方代码的最后两行，并不是两次输出都是30，那么得出结论：外层函数的变量在内层函数是共用的，也就是一旦外层函数的参数被修改，那么对内层函数不论调用几次都整体生效，不会重置。

• 闭包优缺点：

  • 优点：
    • 无需定义全局变量即可通过内层函数持续访问、修改它的参数。
    • 增加代码安全性。
  • 缺点：
    • 内部函数持续引用外部函数的值，会导致这一部分内存空间不释放，占用内存（但是几个变量不释放的内存可以忽略不计）。

四、装饰器

• 装饰器也是闭包，其作用是在不改变原有函数功能的基础上，为函数增加新功能。
• 装饰器本质上是一个接受函数作为参数并返回内层函数的函数。也就是上述闭包模块的外层函数的参数不再是一个变量，而是一个函数。

举例：想要在调用sleep函数前后各执行一些代码：

# 外层函数的参数接收一个函数
def outerFunc(func):def inner():print('睡觉前做的事情')func()print('睡觉后做的事情')return innerdef sleep():print('我要睡觉了啊')inner = outerFunc(sleep)
inner()
"""
睡觉前做的事情
我要睡觉了啊
睡觉后做的事情
"""

代码可使用装饰器的语法糖来写：

def outerFunc(func):def inner():print('睡觉前做的事情')func()print('睡觉后做的事情')return inner# 使用@+外层函数名的方式
@outerFunc
def sleep():print('我要睡觉了啊')# 直接调用sleep函数即可实现上述功能
sleep()
"""
睡觉前做的事情
我要睡觉了啊
睡觉后做的事情
"""

• 在这个例子中，自定义的 @outerFunc 就是一个装饰器，sleep() 是被装饰器修饰的函数。调用 sleep() 其实是在调用外层函数 outerFunc() 的内层方法 inner()，且外层方法的参数是被修饰的 sleep() 函数。
• sleep() 函数被修饰，所以调用 sleep() 函数就是修饰后的内容，而不是函数原本的内容。

总结一下具体写法：

1. 想要修饰哪个函数就给哪个函数加装饰器。
2. 定义一个与装饰器同名的外层函数，并接收一个参数（这个参数实际就是被修饰的函数）。
3. 定义内层函数（这是将要被实际执行的函数），并在内层函数中使用外层函数的参数（被修饰的函数）。
4. 直接调用被修饰的函数，运行结果就是被修饰后的代码（内层函数）。

注意：外层函数要在被修饰的函数之前定义，因为Python代码从上往下执行，否则Python识别不到当前行之后的内容。

五、构造方法重写补充

注意事项：

• 在Python中，如果子类没有显式定义构造函数（__init__方法），当实例化子类对象时，Python 会自动调用父类的构造函数。这是 Python 的默认行为，以使用父类的构造方法提供的功能。
• 如果需要在子类中添加更多的初始化逻辑，可以定义子类自己的 __init__ 方法，并且一定要在其中调用父类的 __init__ 方法，确保父类的初始化逻辑也能够执行。
• 调用父类的属性（两种方式无差别）：
  • 父类名.属性名
  • super().属性名
• 调用父类的方法（无论构造方法还是普通方法都要遵守以下两个规则）：
  • 父类名.方法名：一定需要显式传递 self 作为第一个参数。
  • super().方法名：一定不需要显示传递 self 作为第一个参数。因为 super() 会自动处理这个参数。在多继承情况下更有用，所以推荐以后都使用这种方式。

5.1 子类单继承没有定义构造方法

class Base1:def __init__(self):print("父类1构造方法执行了！")class Child(Base1):# 没有显示调用父类的构造方法pass# 创建 Child 类的实例
child = Child()

输出：

父类1构造方法执行了！

5.2 子类单继承重写构造方法

使用super()调用：

class Base1:def __init__(self):print("父类1构造方法执行了！")def normalMethod(self):print("调用了父类的普通方法")class Child(Base1):def __init__(self):super().__init__()super().normalMethod()print("子类构造方法执行了！")# 创建 Child 类的实例
child = Child()

输出：

父类1构造方法执行了！
调用了父类的普通方法
子类构造方法执行了！

使用父类名调用：

class Base1:def __init__(self):print("父类1构造方法执行了！")def normalMethod(self):print("调用了父类的普通方法")class Child(Base1):def __init__(self):Base1.__init__(self)Base1.normalMethod(self)print("子类构造方法执行了！")# 创建 Child 类的实例
child = Child()

5.3 MRO

• 在Python中，使用 super() 函数来调用父类的构造方法遵循了方法解析顺序（Method Resolution Order，MRO）。MRO是Python确定方法继承顺序的一种方式，它是基于C3线性化算法。
• super() 的工作方式：在构造方法中使用 super().__init__() 时，Python会查找当前类的MRO来确定下一个类，并调用下一个类的构造方法。
• 通过 类名.__mro__ 可以得到一个类的MRO顺序。

如何确定一个类的MRO呢？比如这段代码：

class Base1:def __init__(self):print("父类1构造方法执行了！")def normalMethod(self):print("调用了父类1的普通方法")class Base2:def __init__(self):print("父类2构造方法执行了！")def normalMethod(self):print("调用了父类2的普通方法")class Child(Base1, Base2):def __init__(self):super().__init__()print(Child.__mro__)
# 输出：(<class '__main__.Child'>, <class '__main__.Base1'>, <class '__main__.Base2'>, <class 'object'>)

1. 首先确定大方向

• 当前基类一定是排在第一位的，然后考虑当前类的父类，按照父类引用的顺序，从左到右给父类排序。
• 如果一个基类有多个父类，那么这个父类的MRO也会按照和子类相同的算法（C3线性化算法）来计算。
• 所有的Python类最终都继承自 object 类，所以 object 是MRO中的最后一个元素。
• 最后，Python将当前类、父类的MRO、以及 object 合并起来，形成当前类的MRO。

目前的MRO顺序：Child、Base1的MRO、Base2的MRO、object。

2. 根据C3线性化算法，以下是确定两个父类MRO的详细步骤：

• 对每个父类，列出它的MRO（这俩父类都没继承其他类）：

  • Base1的MRO是[Base1, object]。
  • Base2的MRO是[Base2, object]。

• 从两个父类列表的第一个元素开始，如果这个元素在其他列表中也是第一个元素，或者不在其他列表中，那么它就被添加到最终的MRO中。然后从所有包含这个元素的列表中移除这个元素。（可以简单的认为是在剔除重复已有元素）

• 重复上述步骤，直到所有列表都为空。

故最终可以得到以下顺序：

1. 选择 Base1（因为它在第一个列表中，并且不在其他列表中），最终MRO得到 [Child, Base1]。第一个列表的Object不做处理，因为它不满足条件。
2. 然后选择第二个列表的 Base2（因为它不在其他列表中），最终MRO得到 [Child, Base1, Base2]。
3. 最后选择 object，得到最终的MRO：[Child, Base1, Base2, object]。

如果父类也有继承的类：

class BaseA:def __init__(self):print("BaseA init")class BaseB:def __init__(self):print("BaseB init")class Base1(BaseA):def __init__(self):super().__init__()print("Base1 init")class Base2(BaseB):def __init__(self):super().__init__()print("Base2 init")class Child(Base1, Base2):def __init__(self):super().__init__()print("Child init")print(Child.__mro__)

输出：

(<class '__main__.Child'>, <class '__main__.Base1'>, <class '__main__.BaseA'>, <class '__main__.Base2'>, <class '__main__.BaseB'>, <class 'object'>)

注意：只有使用 super().__init__() 方式时才会使用到MRO的逻辑，如果通过父类名调用的话，和MRO无关。

5.3.1 子类多继承没有定义构造方法

如果子类没有定义构造方法，则子类会根据MRO的顺序，只有第一个父类的构造方法会被自动调用，其他父类的构造方法不会被调用：

class Base1:def __init__(self):print("父类1构造方法执行了！")class Base2:def __init__(self):print("父类2构造方法执行了！")class Child(Base1, Base2):passchild = Child()
#只会输出：父类1构造方法执行了！

5.3.2 子类多继承重写构造方法

注意：子类中如果通过父类名显示调用了父类的构造方法，则没有调用所有父类的构造方法也不会报错，因为Python支持选择性调用父类的构造方法。

多继承更推荐使用 super() 方式调用父类构造方法，因为只使用一个 super() 就可以自动加载所有的父类构造方法而不用一个个去调用：

class Base1:def __init__(self):print("父类1构造方法执行了！")class Base2:def __init__(self):print("父类2构造方法执行了！")class Child(Base2, Base1):def __init__(self):super().__init__()print("Child init")child = Child()

输出：

父类2构造方法执行了！
Child init

为什么子类使用了 super() 方式，但是只调用了一个父类的构造方法解释：

Child类的MRO顺序：(<class '__main__.Child'>, <class '__main__.Base2'>, <class '__main__.Base1'>, <class 'object'>)

1. super().__init__() 在 Child 的构造方法中被调用，它根据MRO调用 Base2 的构造方法。
2. 但是 Base2 中没有使用 super() ，所以就不会再继续往上调用了（只有遇到了 super() 方法才会使用MRO逻辑）。

综合示例：

class BaseA:def __init__(self):super().__init__()print("BaseA init")class BaseB:def __init__(self):print("BaseB init")class Base1(BaseA):def __init__(self):super().__init__()print("Base1 init")class Base2(BaseB):def __init__(self):super().__init__()print("Base2 init")class Child(Base1, Base2):def __init__(self):super().__init__()print("Child init")# 创建 Child 类的实例
child = Child()

Child的MRO：

(<class '__main__.Child'>, <class '__main__.Base1'>, <class '__main__.BaseA'>, <class '__main__.Base2'>, <class '__main__.BaseB'>, <class 'object'>)。

运行结果：

BaseB init
Base2 init
BaseA init
Base1 init
Child init

注意：调用完最上层的构造方法之后要开始回溯。