原文作者：Jeff Knupp

原文連結：這裡

class是Python的基礎構建快。它是很多流行的程式和庫，以及Python標準庫的基礎依託。理解類是什麼，什麼時候使用，以及它們如何有用至關重要，這也是本文的目的。在這個過程中，我們會探討“面向物件程式設計”的含義，以及它與Python類之間的聯絡。

一切都是物件…

class關鍵字究竟是什麼？跟它基於函式的def表兄弟類似，它用於定義事物。def用來定義函式，class用來定義類。什麼是類？就是一個數據和函式（在類中定義時，通常叫做“方法”）的邏輯分組。

“邏輯分組”是什麼意思？一個類可以包含我們希望的任何資料和函式（方法）。我們嘗試建立事物之間有邏輯聯絡的類，而不是把隨機的事物放在“類”名下面。很多時候，類都是基於真實世界的物體（比如Customer

不管怎麼樣，類是一種建模技術，一種思考程式的方式。當你用這種方式思考和實現你的系統時，被稱為使用面向物件程式設計。“類”和“物件”經常互換使用，但實際上它們並不相同。理解它們是什麼和它們是如何工作的關鍵是理解它們之間的區別。

..所以一切都有一個類？

類可以看做是建立物件的藍圖。當我使用class關鍵字定義一個Customer類時，我並沒有真正建立一個顧客。相反，我建立的是構建顧客物件的說明手冊。讓我們看以下示例程式碼：

class Customer(object):
    """A customer of ABC Bank with a checking account. Customers have the
    following properties:

    Attributes:
        name: A string representing the customer's name.
        balance: A float tracking the current balance of the customer's account.
    """
 


    def __init__(self, name, balance=0.0):
        """Return a Customer object whose name is *name* and starting
        balance is *balance*."""
        self.name = name
        self.balance = balance

    def withdraw(self, amount):
        """Return the balance remaining after withdrawing *amount*
        dollars."""
 

        if amount > self.balance:
            raise RuntimeError('Amount greater than available balance.')
        self.balance -= amount
        return self.balance

    def deposit(self, amount):
        """Return the balance remaining after depositing *amount*
        dollars."""
        self.balance += amount
        return self.balance

class Customer(object)並沒有建立一個新的顧客。我們只是定義了一個Customer，並不意味著建立了一個顧客；我們僅僅勾勒出建立Customer物件的藍圖。用正確的引數數量（去掉self，我們馬上會討論）呼叫類的__init__方法可以建立一個顧客。

因此，要使用通過class Customer（用於建立Customer物件）定義的“藍圖”，可以把類名看做一個函式來呼叫：jeff = Customer('Jeff Knupp', 1000.0)。這行程式碼表示：使用Customer藍圖建立一個新物件，並把它指向jeff。

被稱為例項的jeff物件是Customer類的實現版本。我們呼叫Customer()之前，不存在Customer物件。當然，我們可以建立任意多個Customer物件。但是不管我們建立多少Customer例項，仍然只有一個Customer類。

self？

對應所有Customer方法來說，self引數是什麼？當然，它是例項。換一種方式，像withdraw這樣的方法，定義了從某些抽象顧客的賬戶中取錢的指令。呼叫jeff.withdraw(1000.0)把這些指令用在jeff例項上。

所以，當我們說：def withdraw(self, amount):，我們的意思是：這是你如何從一個顧客物件（我們稱為self）和一個美元數字（我們稱為amount）取錢。self是Customer的例項，在它上面呼叫withdraw。這也不是我做類比。jeff.withdraw(1000.0)只是Customer.withdraw(jeff, 1000.0)的簡寫，也是完全有限的程式碼。

__init__

self可能對其它方法也有意義，但是__init__呢？當我們呼叫__init__時，我們在建立一個物件的過程中，為什麼已經有了self？儘管不完全適合，Python還是允許我們擴充套件self模式到物件的構造。想象jeff = Customer('Jeff Knupp', 1000.0)等價於jeff = Customer(jeff, 'Jeff Knupp', 1000.0)；傳入的jeff也是同樣的結果。

這就是為什麼呼叫__init__時，我們通過self.name = name來初始化物件。記住，因為self是例項，所以它等價於jeff.name = name，它等價於jeff.name = 'Jeff Knupp'。同樣的，self.balance = balance等價於jeff.balance = 1000.0。這兩行程式碼之後，我們認為Customer物件已經“初始化”，可以被使用。

完成__init__後，呼叫者可以假設物件已經可以使用。也就是，呼叫jeff = Customer('Jeff Knupp', 1000.0)後，我們可以在jeff上呼叫deposit和withdraw；jeff是一個完全初始化的物件。

我們定義了另外一個稍微不同的Customer類：

class Customer(object):
    """A customer of ABC Bank with a checking account. Customers have the
    following properties:

    Attributes:
        name: A string representing the customer's name.
        balance: A float tracking the current balance of the customer's account.
    """

    def __init__(self, name):
        """Return a Customer object whose name is *name*.""" 
        self.name = name

    def set_balance(self, balance=0.0):
        """Set the customer's starting balance."""
        self.balance = balance

    def withdraw(self, amount):
        """Return the balance remaining after withdrawing *amount*
        dollars."""
        if amount > self.balance:
            raise RuntimeError('Amount greater than available balance.')
        self.balance -= amount
        return self.balance

    def deposit(self, amount):
        """Return the balance remaining after depositing *amount*
        dollars."""
        self.balance += amount
        return self.balance

它看起來是一個合理的替代者；在使用例項之前，只需要簡單的呼叫set_balance。但是，沒有一種方式可以告訴呼叫者這麼做。即使我們在文件中說明了，也不能強制呼叫者在呼叫jeff.withdraw(100.0)之前呼叫jeff.set_balance(1000.0)。jeff例項在呼叫jeff.set_balance之前沒有balance屬性，這意味著物件沒有“完全”初始化。

簡單來說，不要在__init__方法之外引入新的屬性，否則你會給呼叫一個沒有完全初始化的物件。當然也有例外，但這是一個需要記住的原則。這是物件一致性這個大概念的一部分：不應該有任何一系列的方法呼叫可能導致物件進入沒有意義的狀態。

不變性（比如“賬戶餘額總是非負數”）應該在方法進入和退出時都保留。物件不可能通過呼叫它的方法進入無效狀態。不用說，一個物件也應該從一個有效的狀態開始，這就是為什麼在__init__方法中初始化所有內容是很重要的。

例項屬性和方法

定義在類中的函式稱為“方法”。方法可以訪問包含在物件例項中的所有資料；它們可以訪問和修改之前在self上設定的任何內容。因為它們使用self，所以需要使用類的一個例項。基於這個原因，它們通常被稱為“例項方法”。

如果有“例項方法”，一定也會有其它型別的方法，對吧？是的，確實有，但這些方法有些深奧。我們會在這裡簡略的介紹一下，但是可以更深入的研究這些主題。

靜態方法

類屬性是在類級別上設定的屬性，相對的是例項級別。普通屬性在__init__方法中引入，但有些屬性適用於所有例項。例如，思考下面Car物件的定義：

class Car(object):

    wheels = 4

    def __init__(self, make, model):
        self.make = make
        self.model = model

mustang = Car('Ford', 'Mustang')
print mustang.wheels
# 4
print Car.wheels
# 4

不管make和model是什麼，一輛Car總是有四個Wheels。例項方法可以通過跟訪問普通屬性一樣訪問這些屬性：通過self（比如，self.wheels）。

有一種稱為靜態方法的方法，它們不能訪問self。跟類屬性類似，它們不需要例項就能工作。因為例項總是通過self引用，所以靜態方法沒有self引數。

下面是Car類的一個有效的靜態方法：

class Car(object):
    ...
    def make_car_sound():
        print 'VRooooommmm!'

不管我們擁有什麼型別的汽車，它總是發出相同的聲音。為了說明這個方法不應該接收例項作為第一個引數（比如“普通”方法的self），可以使用@staticmethod裝飾器，把我們的定義變成：

class Car(object):
    ...
    @staticmethod
    def make_car_sound():
        print 'VRooooommmm!'

類方法

靜態方法的一個變種是類方法。它傳遞類，而不是例項作為第一個引數。它也使用裝飾器定義：

class Vehicle(object):
    ...
    @classmethod
    def is_motorcycle(cls):
        return cls.wheels == 2

現在類方法可能沒有太大的意義，但它通常與下一個主題聯絡在一起：繼承。

繼承

面向物件程式設計作為建模工具非常有用，引入繼承的概念後，它真正變強大了。

繼承是“子”類衍生“父”類的資料和行為的過程。有一個例項可以明確的幫助我們理解。

想象我們經營了一家汽車銷售店。我們銷售所有型別的車輛，從摩托車到卡車。我們通過價格與競爭對手區分開來。特別是我們如何確定車輛的價格：5000∗一臺車輛擁有的車輪數。我們也喜歡回購車輛。我們提供統一的價格−車輛行駛裡程的1010,000，汽車是8,000，摩託車是4,000。

如果我們想用面對物件技術為汽車銷售店建立一個銷售系統，應該怎麼做？物件是什麼？我們可能有一個Sale類，一個Customer類，一個Inventor類等等，但我們肯定有一個Car，Truck和Motorcycle類。

這些類應該是什麼樣的？用我們已經學會的知識，以下是Car類的一種實現：

class Car(object):
    """A car for sale by Jeffco Car Dealership.

    Attributes:
        wheels: An integer representing the number of wheels the car has.
        miles: The integral number of miles driven on the car.
        make: The make of the car as a string.
        model: The model of the car as a string.
        year: The integral year the car was built.
        sold_on: The date the vehicle was sold.
    """

    def __init__(self, wheels, miles, make, model, year, sold_on):
        """Return a new Car object."""
        self.wheels = wheels
        self.miles = miles
        self.make = make
        self.model = model
        self.year = year
        self.sold_on = sold_on

    def sale_price(self):
        """Return the sale price for this car as a float amount."""
        if self.sold_on is not None:
            return 0.0  # Already sold
        return 5000.0 * self.wheels

    def purchase_price(self):
        """Return the price for which we would pay to purchase the car."""
        if self.sold_on is None:
            return 0.0  # Not yet sold
        return 8000 - (.10 * self.miles)

    ...

看起來非常合理。當然，類中可能還有其它方法，但我已經展示了兩個我們感興趣的方法：sale_price和purchase_price。我們之後會看到為什麼這些很重要。

我們已經有了Car類，也許我們應該建立Truck類。我們按同樣的方式建立：

class Truck(object):
    """A truck for sale by Jeffco Car Dealership.

    Attributes:
        wheels: An integer representing the number of wheels the truck has.
        miles: The integral number of miles driven on the truck.
        make: The make of the truck as a string.
        model: The model of the truck as a string.
        year: The integral year the truck was built.
        sold_on: The date the vehicle was sold.
    """

    def __init__(self, wheels, miles, make, model, year, sold_on):
        """Return a new Truck object."""
        self.wheels = wheels
        self.miles = miles
        self.make = make
        self.model = model
        self.year = year
        self.sold_on = sold_on

    def sale_price(self):
        """Return the sale price for this truck as a float amount."""
        if self.sold_on is not None:
            return 0.0  # Already sold
        return 5000.0 * self.wheels

    def purchase_price(self):
        """Return the price for which we would pay to purchase the truck."""
        if self.sold_on is None:
            return 0.0  # Not yet sold
        return 10000 - (.10 * self.miles)

    ...

幾乎跟Car類一模一樣。程式設計中最重要的原則之一（通常不只是處理物件時）是“DRY”或者“Don’t Repeat Yourself”。確定無疑，我們在這裡重複了。實際上，Car類和Truck類只有一個字元不同（除了註釋）。

出什麼事了？我們哪裡做錯了？我們的主要問題是我們直奔概念：Car和Truck是真實的事物，直覺讓有形的物件成為類。但是它們共享這麼多資料和功能，似乎我們可以在這裡引入一個抽象。沒錯，它就是Vehicle。

抽象類

Vehicle不是真實世界的物件。而是一個概念，它包含某些真實世界中的物件（比如汽車，卡車和摩托車）。我們可以用這個事實來移除重複程式碼，即每個物件都被看做是一臺車輛。通過定義Vehicle類達到目的：

class Vehicle(object):
    """A vehicle for sale by Jeffco Car Dealership.

    Attributes:
        wheels: An integer representing the number of wheels the vehicle has.
        miles: The integral number of miles driven on the vehicle.
        make: The make of the vehicle as a string.
        model: The model of the vehicle as a string.
        year: The integral year the vehicle was built.
        sold_on: The date the vehicle was sold.
    """

    base_sale_price = 0

    def __init__(self, wheels, miles, make, model, year, sold_on):
        """Return a new Vehicle object."""
        self.wheels = wheels
        self.miles = miles
        self.make = make
        self.model = model
        self.year = year
        self.sold_on = sold_on


    def sale_price(self):
        """Return the sale price for this vehicle as a float amount."""
        if self.sold_on is not None:
            return 0.0  # Already sold
        return 5000.0 * self.wheels

    def purchase_price(self):
        """Return the price for which we would pay to purchase the vehicle."""
        if self.sold_on is None:
            return 0.0  # Not yet sold
        return self.base_sale_price - (.10 * self.miles)

通過替換class Car(object)中的object，我們可以讓Car和Truck類繼承Vehicle類。括號中的類表示從哪個類繼承（object實際上是“沒有繼承”。我們一會兒討論為什麼這麼寫）。

現在我們可以直截了當的定義Car和Truck：

class Car(Vehicle):

    def __init__(self, wheels, miles, make, model, year, sold_on):
        """Return a new Car object."""
        self.wheels = wheels
        self.miles = miles
        self.make = make
        self.model = model
        self.year = year
        self.sold_on = sold_on
        self.base_sale_price = 8000


class Truck(Vehicle):

    def __init__(self, wheels, miles, make, model, year, sold_on):
        """Return a new Truck object."""
        self.wheels = wheels
        self.miles = miles
        self.make = make
        self.model = model
        self.year = year
        self.sold_on = sold_on
        self.base_sale_price = 10000

這樣可以工作了，但還有一些問題。首先我們仍然有很多重複的程式碼。最終我們會處理完所有重複的程式碼。其次，更大的問題是，我們引入了Vehicle類，但我們真的允許呼叫者建立Vehicle物件（而不是Car和Truck）？Vehicle僅僅是一個概念，不是真實的事物，所以下面程式碼的意義是：

v = Vehicle(4, 0, 'Honda', 'Accord', 2014, None)
print v.purchase_price()

Vehicle沒有base_sale_price，只有各個子類（比如Car和Truck）有。問題在於Vehicle應該是一個Abstract Base Class。Abstract Base Class是隻可以被繼承的類；不能建立ABC的例項。這意味著如果Vehicle是一個ABC，那麼下面的程式碼就是非法的：

v = Vehicle(4, 0, 'Honda', 'Accord', 2014, None)

禁止這一點是有意義的，因為我們從來不會直接使用Vehicle。我們只想用它抽取一些通用的資料和行為。我們如何讓一個類成為ABC？很簡單！abc模組包括一個稱為ABCMeta的元類。設定一個類的元類為ABCMeta，並讓其中一個方法為虛擬的，就能讓類成為一個ABC。ABC規定，虛擬方法必須在子類中存在，但不是必須要實現。例如，Vehicle類可以如下定義：

from abc import ABCMeta, abstractmethod

class Vehicle(object):
    """A vehicle for sale by Jeffco Car Dealership.


    Attributes:
        wheels: An integer representing the number of wheels the vehicle has.
        miles: The integral number of miles driven on the vehicle.
        make: The make of the vehicle as a string.
        model: The model of the vehicle as a string.
        year: The integral year the vehicle was built.
        sold_on: The date the vehicle was sold.
    """

    __metaclass__ = ABCMeta

    base_sale_price = 0

    def sale_price(self):
        """Return the sale price for this vehicle as a float amount."""
        if self.sold_on is not None:
            return 0.0  # Already sold
        return 5000.0 * self.wheels

    def purchase_price(self):
        """Return the price for which we would pay to purchase the vehicle."""
        if self.sold_on is None:
            return 0.0  # Not yet sold
        return self.base_sale_price - (.10 * self.miles)

    @abstractmethod
    def vehicle_type():
        """"Return a string representing the type of vehicle this is."""
        pass

因為vehicle_type是一個abstractmethod，所以我們不能直接建立Vehicle例項。只要Car和Truck從Vehicle繼承，並定義了vehicle_type，我們就能例項化這些類。

返回Car類和Truck類中的重複程式碼，看看我們是否可以把通用的功能提升到基類Vehicle中：

from abc import ABCMeta, abstractmethod
class Vehicle(object):
    """A vehicle for sale by Jeffco Car Dealership.


    Attributes:
        wheels: An integer representing the number of wheels the vehicle has.
        miles: The integral number of miles driven on the vehicle.
        make: The make of the vehicle as a string.
        model: The model of the vehicle as a string.
        year: The integral year the vehicle was built.
        sold_on: The date the vehicle was sold.
    """

    __metaclass__ = ABCMeta

    base_sale_price = 0
    wheels = 0

    def __init__(self, miles, make, model, year, sold_on):
        self.miles = miles
        self.make = make
        self.model = model
        self.year = year
        self.sold_on = sold_on

    def sale_price(self):
        """Return the sale price for this vehicle as a float amount."""
        if self.sold_on is not None:
            return 0.0  # Already sold
        return 5000.0 * self.wheels

    def purchase_price(self):
        """Return the price for which we would pay to purchase the vehicle."""
        if self.sold_on is None:
            return 0.0  # Not yet sold
        return self.base_sale_price - (.10 * self.miles)

    @abstractmethod
    def vehicle_type(self):
        """"Return a string representing the type of vehicle this is."""
        pass

現在Car和Truck類變成：

class Car(Vehicle):
    """A car for sale by Jeffco Car Dealership."""

    base_sale_price = 8000
    wheels = 4

    def vehicle_type(self):
        """"Return a string representing the type of vehicle this is."""
        return 'car'

class Truck(Vehicle):
    """A truck for sale by Jeffco Car Dealership."""

    base_sale_price = 10000
    wheels = 4

    def vehicle_type(self):
        """"Return a string representing the type of vehicle this is."""
        return 'truck'

這完全符合我們的直覺：就我們的系統而言，汽車和卡車之間的唯一區別是基礎售價。

定義一個Motocycle類非常簡單：

class Motorcycle(Vehicle):
    """A motorcycle for sale by Jeffco Car Dealership."""

    base_sale_price = 4000
    wheels = 2

    def vehicle_type(self):
        """"Return a string representing the type of vehicle this is."""
        return 'motorcycle'

繼承和LSP

儘管看起來我們用繼承處理了重複，但我們真正做的是簡單的提供適當級別的抽象。抽象是理解繼承的關鍵。我們已經看到使用繼承的一個附帶作用是減少重複的程式碼，但從呼叫者的角度來看呢？使用繼承如何改變程式碼？

事實證明有一點。想象我們有兩個類：Dog和Person，我們想寫一個函式，它接收任何兩種物件型別，並列印該例項是否可以說話（狗不能，人可以）。我們可能這麼編寫程式碼：

def can_speak(animal):
    if isinstance(animal, Person):
        return True
    elif isinstance(animal, Dog):
        return False
    else:
        raise RuntimeError('Unknown animal!')

只有兩種型別的動物時沒問題，但是如何有20種呢，或者200種？那麼if...elif會相當長。

這裡關鍵是can_speak不應該關心處理的動物型別，動物類本身應該告訴我們它能否說話。通過引入基類Animal，其中定義can_speak，可以避免函式的型別檢查。只要知道是傳進來的是Animal，確定能否說話很簡單：

def can_speak(animal):
    return animal.can_speak()

這是因為Person和Dog（或者其它任何從Animal繼承的類）遵循Liskov Substitution Principle。這表示我們可以在希望父類（Animal）的地方，使用子類（比如Person或Dog）替換。這聽起來很簡單，但它是interface的基礎。

總結

希望你們學會了什麼是Python類，為什麼它們很有用，以及如何使用。類和麵向物件程式設計很深奧。確實，它涉及電腦科學的核心。本文不是對類的詳細研究，也不應該是你的唯一參考。網路上有數以千計的OOP和類的解釋，如果本文對你不合適，搜尋會讓你找到更適合你的。

一如既往，歡迎在評論中更正和討論。只要保持禮貌就行。