9.3. 初探类

类引入了一些新语法，三种新对象类型和一些新语义。

9.3.1. 类定义语法

最简单的类定义看起来像这样:

class ClassName:
    <statement-1>
    .
    .
    .
    <statement-N>

类定义与函数定义 (def 语句) 一样必须被执行才会起作用。 （你可以尝试将类定义放在 if 语句的一个分支或是函数的内部。）

在实践中，类定义内的语句通常都是函数定义，但也允许有其他语句，有时还很有用 —- 我们会稍后再回来说明这个问题。 在类内部的函数定义通常具有一种特别形式的参数列表，这是方法调用的约定规范所指明的 —- 这个问题也将在稍后再说明。

当进入类定义时，将创建一个新的命名空间，并将其用作局部作用域 —- 因此，所有对局部变量的赋值都是在这个新命名空间之内。 特别的，函数定义会绑定到这里的新函数名称。

当（从结尾处）正常离开类定义时，将创建一个 类对象。 这基本上是一个包围在类定义所创建命名空间内容周围的包装器；我们将在下一节了解有关类对象的更多信息。 原始的（在进入类定义之前起作用的）局部作用域将重新生效，类对象将在这里被绑定到类定义头所给出的类名称 (在这个示例中为 ClassName)。

9.3.2. 类对象

类对象支持两种操作：属性引用和实例化。

属性引用 使用 Python 中所有属性引用所使用的标准语法: obj.name。 有效的属性名称是类对象被创建时存在于类命名空间中的所有名称。 因此，如果类定义是这样的:

class MyClass:
    """A simple example class"""
    i = 12345
 
    def f(self):
        return 'hello world'

那么 MyClass.i 和 MyClass.f 就是有效的属性引用，将分别返回一个整数和一个函数对象。 类属性也可以被赋值，因此可以通过赋值来更改 MyClass.i 的值。 doc 也是一个有效的属性，将返回所属类的文档字符串: "A simple example class"。

类的 实例化 使用函数表示法。 可以把类对象视为是返回该类的一个新实例的不带参数的函数。 举例来说（假设使用上述的类）:

x = MyClass()

创建类的新 实例 并将此对象分配给局部变量 x。

实例化操作（“调用”类对象）会创建一个空对象。 许多类喜欢创建带有特定初始状态的自定义实例。 为此类定义可能包含一个名为 init() 的特殊方法，就像这样:

def __init__(self):
    self.data = []

当一个类定义了 init() 方法时，类的实例化操作会自动为新创建的类实例发起调用 init()。 因此在这个示例中，可以通过以下语句获得一个经初始化的新实例:

x = MyClass()

当然，init() 方法还可以有额外参数以实现更高灵活性。 在这种情况下，提供给类实例化运算符的参数将被传递给 init()。 例如，:

>>> class Complex:
...     def __init__(self, realpart, imagpart):
...         self.r = realpart
...         self.i = imagpart
...
>>> x = Complex(3.0, -4.5)
>>> x.r, x.i
(3.0, -4.5)

9.3.3. 实例对象

现在我们可以用实例对象做什么？实例对象理解的唯一操作是属性引用。有两种有效的属性名称，数据属性和方法。

数据属性 对应于 Smalltalk 中的“实例变量”，以及 C++ 中的“数据成员”。 数据属性不需要声明；像局部变量一样，它们将在第一次被赋值时产生。 例如，如果 x 是上面创建的 MyClass 的实例，则以下代码段将打印数值 16，且不保留任何追踪信息:

x.counter = 1
while x.counter < 10:
    x.counter = x.counter * 2
print(x.counter)
del x.counter

另一类实例属性引用称为 方法。 方法是“从属于”对象的函数。 （在 Python 中，方法这个术语并不是类实例所特有的：其他对象也可以有方法。 例如，列表对象具有 append, insert, remove, sort 等方法。 然而，在以下讨论中，我们使用方法一词将专指类实例对象的方法，除非另外显式地说明。）

实例对象的有效方法名称依赖于其所属的类。 根据定义，一个类中所有是函数对象的属性都是定义了其实例的相应方法。 因此在我们的示例中，x.f 是有效的方法引用，因为 MyClass.f 是一个函数，而 x.i 不是方法，因为 MyClass.i 不是一个函数。 但是 x.f 与 MyClass.f 并不是一回事 —- 它是一个 方法对象，不是函数对象。

9.3.4. 方法对象

通常，方法在绑定后立即被调用:

x.f()

在 MyClass 示例中，这将返回字符串 'hello world'。 但是，立即调用一个方法并不是必须的: x.f 是一个方法对象，它可以被保存起来以后再调用。 例如:

xf = x.f
while True:
    print(xf())

将继续打印 hello world，直到结束。

当一个方法被调用时到底发生了什么？ 你可能已经注意到上面调用 x.f() 时并没有带参数，虽然 f() 的函数定义指定了一个参数。 这个参数发生了什么事？ 当不带参数地调用一个需要参数的函数时 Python 肯定会引发异常 —- 即使参数实际未被使用…

实际上，你可能已经猜到了答案：方法的特殊之处就在于实例对象会作为函数的第一个参数被传入。 在我们的示例中，调用 x.f() 其实就相当于 MyClass.f(x)。 总之，调用一个具有 n 个参数的方法就相当于调用再多一个参数的对应函数，这个参数值为方法所属实例对象，位置在其他参数之前。

如果你仍然无法理解方法的运作原理，那么查看实现细节可能会澄清问题。 当一个实例的非数据属性被引用时，将搜索实例所属的类。 如果名称表示一个属于函数对象的有效类属性，会通过合并打包（指向）实例对象和函数对象到一个抽象对象中的方式来创建一个方法对象：这个抽象对象就是方法对象。 当附带参数列表调用方法对象时，将基于实例对象和参数列表构建一个新的参数列表，并使用这个新参数列表调用相应的函数对象。

9.3.5. 类和实例变量

一般来说，实例变量用于每个实例的唯一数据，而类变量用于类的所有实例共享的属性和方法:

class Dog:
 
    kind = 'canine'         # class variable shared by all instances
 
    def __init__(self, name):
        self.name = name    # instance variable unique to each instance
 
>>> d = Dog('Fido')
>>> e = Dog('Buddy')
>>> d.kind                  # shared by all dogs
'canine'
>>> e.kind                  # shared by all dogs
'canine'
>>> d.name                  # unique to d
'Fido'
>>> e.name                  # unique to e
'Buddy'

正如 名称和对象 中已讨论过的，共享数据可能在涉及 mutable 对象例如列表和字典的时候导致令人惊讶的结果。 例如以下代码中的 tricks 列表不应该被用作类变量，因为所有的 Dog 实例将只共享一个单独的列表:

class Dog:
 
    tricks = []             # mistaken use of a class variable
 
    def __init__(self, name):
        self.name = name
 
    def add_trick(self, trick):
        self.tricks.append(trick)
 
>>> d = Dog('Fido')
>>> e = Dog('Buddy')
>>> d.add_trick('roll over')
>>> e.add_trick('play dead')
>>> d.tricks                # unexpectedly shared by all dogs
['roll over', 'play dead']

正确的类设计应该使用实例变量:

class Dog:
 
    def __init__(self, name):
        self.name = name
        self.tricks = []    # creates a new empty list for each dog
 
    def add_trick(self, trick):
        self.tricks.append(trick)
 
>>> d = Dog('Fido')
>>> e = Dog('Buddy')
>>> d.add_trick('roll over')
>>> e.add_trick('play dead')
>>> d.tricks
['roll over']
>>> e.tricks
['play dead']