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Python的class系统

 2010-09-22 11:13:48 来源:WEB开发网   
核心提示:1.序言本文旨在说明:在Python里自定义class时,方法的第一个参数必须是该class的instance自身的引用(一般用self命名),Python的class系统,在其他语言里,定义方法的时候,实际上,像[code 2]所示的那样,第一个参数不必是类实例的引用,一般约定俗成用this关键字来表示当前实例的引用

1.序言

本文旨在说明:在Python里自定义class时,方法的第一个参数必须是该class的instance自身的引用(一般用self命名)。

在其他语言里,定义方法的时候,第一个参数不必是类实例的引用,一般约定俗成用this关键字来表示当前实例的引用,可是Python自成一派。由 于网络上绝大部分文章都说成这是硬性规定,因此笔者觉得很有必要去研究一下Python里的class System是如何构筑起来的,并在此基础上说明self一词的作用。

2.面向对象编程

对象是数据和对数据的相关操作的封装。属于对象的数据与操作也可以称之为对象的属性(attributes)。对象具有层次构造,最下层的称之为 instance,在其之上的称为class。class也具有层次构造,下层class会继承上层class的属性。有必要的时候可以再定义上层的属 性。在Python里,一个class可以继承多个class(多重继承)。

更多内容详见Wikipedia (日本語) 和 Wikipedia (英語)。

3.Python里class的一般写法

首先,我们使用Python的class system来写一段程序。

IT公司“LiveGate”雇佣了大量的IT技术人员,并用Python写了一个管理技术人员信息的程序。理应用数据库来储存这些信息,但这里出于演示方便就不使用了。接着我们看一下表示IT技术人员的class的代码:

[code1](workers.py)

01:   #! /usr/bin/env python
02:
03:   """
04:   Workers in a IT company named LiveGate
05:   """
06:
07:   class Workers:
08:     """ This is a class of workers working in the company."""
09:
10:     def __init__(self, name, position, email, age, salary):
11:       self.name = name
12:       self.position = position
13:       self.email = email
14:       self.age = age
15:       self.salary = salary
16:
17:
18:   class ITWorkers(Workers):
19:     """ This is a class of IT engineers. """
20:
21:     OS = 'WinNT'
22:
23:     def __init__(self, language, *av):
24:       Workers.__init__(self, *av)
25:       self.language=language
26:
27:     def work(self, n):
28:       """ IT engineers should work."""
29:
30:       if self.position == 'web creator':
31:         w = 'makes web site'
32:       elif self.position == 'server administrator':
33:         w = 'checks the trafic'
34:       elif self.position == 'programmer':
35:         w = 'writes programs'
36:
37:       print '%s %s for %d, hours using %s on %s' % (self.name, w, n, self.language, self.OS)
38:
39:   ##------------------------------------------------------------------------------------------------
40:   henley = ITWorkers('PHP', 'Henley', 'web creator', '[email protected]', 32, 700)
41:   thomas = ITWorkers('Python', 'Thomas', 'server administrator', '[email protected]', 37, 900)
42:   gates = ITWorkers('C', 'Gates', 'programmer', '[email protected]', 42, 1200)
43:
44:   henley.OS = 'Mac'
45:   thomas.OS = 'Linux'
46:
47:   if __name__ == '__main__':
48:
49:     henley.work(8)
50:     thomas.work(7)
51:     gates.work(10)

首先定义表示劳动者的class Workers(7--15行),接着定义它的子类ITWorkers(18--37行)。18行的ITWorkers(Workers)表示 ITWorkers从Workers继承而来。ITWorkers从父类Workers继承其属性。Workers类的实例在初始化的时候,其实例变量: 姓名,职业类别,e-mail地址,年龄,薪金将被存储起来。除此之外,ITWorkers会把使用语言(language)作为实例变量保存下来。出来 传入language参数外,其他的参数由*av(元组)传递(当调用Workers.__init__时将其展开)。BTW,__init__是在实例 构造完毕之后马上调用的专用方法(special method)(该专用方法是可选的,接近于其他OOP语言里的构造函数)。

接着,必须让IT技术人员按其薪金的多少来工作,因此定义方法work(25--33行)。work的第二个参数n表示工作时间。在这里,根据职业 类型而分配其工作内容和工作时间,还有其使用的编程语言和操作系统类型。ITWorkers类里定义了类变量OS,其默认值为'WinNT'(19行)。 也就是说,LiveGate公司里一般使用的操作系统是WindowNT。接着,我们定义3位IT技术人员,Henley, Thomas, Gates。Henley是Web开发者,作为一名艺术家,他使用Mac(44行)。Thomas是系统管理人员,工作上的关系,他使用Linux(44 行)。编程人员Gates只要能用上编辑器(Editor)就可以了,对操作系统没什么特别要求,使用的是默认的'WinNT'。Henley, Thomas, Gates他们今天的工作时长为8, 7, 10个小时(43--45行)。

这里需要注意的是,为Henley和Thomas设定了不同的操作系统,则往他们的名字空间(namespace)里添加了OS这一项 (entry)。由于Gates的名字空间里没有该条目,则往ITWorkers名字空间里搜寻。Henley和Thomas都能在自己的名字空间里找到 OS,所以不用向上搜寻。同样的,因为work这一项不存在于每个IT技术人员的名字空间里,所以要往ITWorkers的名字空间里搜寻。

执行workers.py后,输出如下所示:

D:doc5-07py_test>python workers.py

Henley makes web site for 8 hours, using PHP on Mac

Thomas checks the trafic for 7 hours, using Python on Linux

Gates writes programs for 10 hours, using C on WinNT

4.假如Python没有class system?

这里我们思考一下,假如Python没有class system,我们应该如何处理这种情况呢。当然,可以不使用OOP来写程序,但在这里,我们想创建属于自己的class system。

实际上,使用把函数当成数据一样来对待的编程语言(广义上指函数式语言)来创建OOP语言是非常简单的。可以使用hash表(Python里称字 典)来表示各个对象的名字空间,对象的层次构造也可以根据hash表的层次结构来表示。由于Python也是把函数当成数据来对待,所以很容易实现 OOP。

我们尝试用自己的class system来重新把workers.py写一遍。参考重新编写的代码,那您应该明白方法的第一个参数为什么是self了。

[code 2] (workers2.py)

01:   #! /usr/bin/env python
02:
03:   """
04:   This code demostrates how easy to imprement an object orientated system on a functional programming language.
05:   It only requires a nested hash table.
06:   """
07:
08:
09:   def Cls(cls=None, **key):
10:     """ making a new class"""
11:     key['class'] = cls
12:     return key
13:
14:   def new(cls, **key):
15:     """ making an instance """
16:     key['class'] = cls
17:     return key
18:
19:
20:   def geta(obj, attr):
21:     """ getting the attribute of object """
22:     if attr in obj:
23:       return obj[attr]
24:     elif(obj['class']):
25:       return geta(obj['class'], attr)
26:     else:
27:       return None
28:
29:   def tell(obj, method, *av):
30:     """ tell object do something"""
31:     fun=geta(obj, method)
32:     if callable(fun):
33:       return fun(obj, *av)
34:
35:   if __name__=='__main__':
36:
37:     def it_work(self, n):
38:       """This funciton demonstrates how IT engineers work.
39:        Notice that arguments of thie function is identical to the method 'work' in workers.py"""
40:
41:       if geta(self, 'position') == 'web creator':
42:         w = 'makes web site'
43:       elif geta(self, 'position') == 'server administrator':
44:         w = 'checks the trafic'
45:       elif geta(self, 'position') == 'programmer':
46:         w = 'writes programs'
47:
48:       print '%s %s for %d, hours using %s on %s' %
(geta(self, 'name'), w, n, geta(self, 'language'), geta(self, 'OS'))
49:
50:     workers = Cls() # dummy class
51:     it_workers = Cls(workers, OS='winNT', work=it_work) # class of IT workers
52:
53:     henley = new(it_workers, language='PHP', name='henley',
54:           position='web creator', email='[email protected]', age=32, salary=700)
55:     thomas = new(it_workers, language='Python', name='Thomas',
56:           position='server administrator', email='[email protected]', age=37, salary=900)
57:     gates = new(it_workers, language='C', name='Gates',
58:           position='programmer', email='[email protected]', age=42, salary=1200)
59:     henley['OS'] = 'Mac'
60:     thomas['OS'] = 'Linux'
61:
62:     tell(henley, 'work', 8)
63:     tell(thomas, 'work', 7)
64:     tell(gates, 'work', 10)

为了简化代码,workers2.py里并没有实现多重继承。

先看一下创建class的函数Cls和创建instance的函数new。实际上,两者是等同的,它们只是返回添加了表示父类'class'的hash表。

接下来看一下geta函数。这是一个搜索对象属性的函数。如果对象的hash表里没有目标属性,那么将递归地往父类的hash表里搜寻。这样一来, 就能实现继承和重载(override)了。没有目标属性就向上一层搜寻,这样实现了属性的继承。假如下层的对象有定义该属性,则无视上层同名属性,这样 实现了属性的再定义(override)。

函数tell告对象需要执行的方法。首先使用geta来搜索方法。然后如果找到的方法是函数(callable)的话,执行之,并返回结果。

这样便完成了定义class system的函数Cls, new, geta, tell。请注意它们都是简单定义的函数。

使用刚才创建好的class system,把workers.py重新写一次,如37行后面的代码所示。

先定义表示IT技术人员工作的函数it_work。请注意它的第一个参数是self。在函数it_work里使用geta来获取IT技术人员的属性。

接着,创建类it_workers时,把指向函数it_work的pointer赋值给其'work’属性。也就是说,hash表 it_workers的'work'键(key)的值是指向it_work的pointer。只要能把函数当成数据来对待,就能够实现往hash表里填充 函数。(译注:hash表里存储的是指向函数的引用)

跟workers.py一样,分别定义了3位IT技术人员。由于模拟专用发法__init__并不简单,所以这里在创建实例的时候,把IT技术人员的相关属性全都当成参数传递。接着使用函数tell使他们工作起来。输出的结果跟workers.py一样:

D:doc5-07py_test>python workers2.py

Henley makes web site for 8 hours, using PHP on Mac

Thomas checks the trafic for 7 hours, using Python on Linux

Gates writes programs for 10 hours, using C on winNT

对比[code 1]与[code 2],可以看出他们相似的地方:

[code 1][code 2]
obj.attributegeta(obj, 'attribute')
obj.method(*av)tell(obj, 'method', *av)
def work(self, n)def it_work(self, n)

这并不是偶然,Python里的class从原理上来说是这样实现的(请参考:Python reference manual 3.Data model)。实际上,Python已经为我们准备了跟函数geta一样功能的getattr函数。而且在特殊变量__dict__里定义了用于定义对象名字空间的hash表。我们可以试试在命令行里输入如下代码。粗体字是返回结果。

D:doc5-07py_test>python

Python 2.4.1 (#65, Mar 30 2005, 09:13:57) [MSC v.1310 32 bit (Intel)] on win32

Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.

[x]>>> import sys

[x]>>> from workers import *

[1]>>> gates.__dict__

{'salary': 1200, 'name': 'Gates', 'language': 'C', 'age': 42, 'position': 'programmer',

'email': '[email protected]'}

[2]>>> henley.__dict__

{'salary': 700, 'name': 'Henley', 'language': 'PHP', 'age': 32, 'position': 'web creator',

'OS': 'Mac', 'email': '[email protected]'}

[3]>>> ITWorkers.__dict__

{'__module__': 'workers', 'work': <function work at 0x00A34630>, 'OS': 'WinNT',

'__doc__': ' This is a class of IT engineers. ', '__init__': <function __init__

at 0x00A345F0>}

[4]>>> ITWorkers.work(gates, 10)

Gates writes programs for 10, hours using C on WinNT

[5]>>> gates.__class__.work(gates, 10)

Gates writes programs for 10, hours using C on WinNT

[6]>>> getattr(henley, 'OS')

'Mac'

[7]>>> getattr(henley, 'work')

<bound method ITWorkers.work of <workers.ITWorkers instance at 0x00A33760>>

[8]>>> getattr(henley, 'work')(8)

henley makes web site for 8 hours, using PHP on Mac

导入sys和workers模块,然后试试敲进上面的8行命令。Gates的名字空间里([1])有各类项目(entry),但是没有'OS'这一 项。Henley的名字空间里([2])有定义'OS'。ITWorkers的名字空间里([3])除了预置的__module__, __doc__,还有我们定义的'OS',work,__init__ 。特别的,方法(<function work at 0x00A34630>)作为函数被保存在内存里。正如前面提及的一样,Henley使用自身定义的'OS',而Gates则向上搜寻,使用类 ITWorkers里的'OS'('OS'不存在Gates这个名字空间里)。

因为在类ITWorkers里定义了函数work,我们可以试着像[4]那样直接调用它。其输出跟调用gates.work(10)一样。由于每个实例有一个内置属性,__class__,它指向该实例所属的类,所以我们可以像[5]那样调用方法且得到相同的结果。

最后我们试试getattr函数。像[6]那样,getattr(henley, 'OS')得到的结果跟henley.OS一样。我们把它应用到方法上看看([7])。返回如下结果:

<bound method ITWorkers.work of <workers.ITWorkers instance at 0x00A33760>>

<workers.ITWorkers instance at 0x00A33760>这是 Henley在内存中的地址。这个函数不用'function'而用'bound method'表示。其实'bound method'可以像[8]那样调用。这就说明了为什么从外部调用类方法的时候,第一个参数不必是实例自身的引用。不过,真正的理由应该是那样的做法不够 酷:p。'bound method'可以看做是[code 2]里tell函数的语法糖(構文糖衣)。

从上面可以看出,在函数式语言里引入class system时,作为方法而定义的函数,很自然地,需要指向实例的参数。通过def关键字,在类里面定义过程与定义普通的函数一样,只是其作用域被限定在 class里面。所以定义方法的第一个参数必须是self,否则不能引用实例里的变量。

5.结语

Python基本上是函数式语言(广义的),面向对象是其使用hash表后的附属物而已。这一点与原本作为面向对象编程语言而设计的C++, Java, Ruby等相异。

Python把过程的定义合并成函数的定义(没有将函数的定义与方法的定义区分开来),但在定义方法时,第一个参数必须是实例的引用。这是约定俗成的。

函数式语言要比面向对象语言更加抽象。Python深受函数式语言Haskell的影响。实际上,像[code 2]所示的那样,函数式语言可以简单地实现面向对象编程。

Tags:Python class

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