《從零開始的Python筆記》Day#6:物件導向設計

大部分在學習程式語言的人很常會看到或是聽到一個很抽象的詞:物件導向

對於初學者來說，又出現了一個很難以理解的名詞，而且在學習上的確也是很常讓人碰壁的一部分。雖然有著不小的學習障礙，但是對於提升程式設計能力有很大的幫助，因此建議大家可以多點耐心去接觸並且練習如何使用它。

🧱 物件導向程式設計（OOP）

為什麼要學物件導向程式設計？

假設你是一名在銀行工作的工程師，負責為新開戶的顧客建立他們的帳號，並設計一系列帳戶功能（如存款、提款、查詢餘額等）。一開始，如果單純依賴傳統的程式設計方法（例如手動寫程式碼處理每位顧客的帳戶），當有 100 位顧客時，你需要重複撰寫 100 次類似的程式碼，導致浪費大量時間，且不易維護。

然而，有沒有更有效率、更易於擴展的方法？

💡 答案是：利用物件導向設計（OOP）！

物件導向程式設計（OOP, Object-Oriented Programming） 是目前主流的程式設計架構之一。OOP 通過將程式碼結構化為抽象的物件，更高效地組織和管理複雜的業務邏輯。這種設計理念提供了類別（Class）與物件（Object）的架構，可以模擬真實世界中的實體與行為（例如人物、動作、資源等），使程式的設計更符合直觀的現實模型。

優點：

1. 提升模組化與重用性：類別和物件讓程式開發更具模組化，可以輕鬆地複用代碼，減少重複撰寫的工作
2. 促進代碼可維護性：把邏輯封裝成類別和方法後，改動某一部分不會影響其他部分，便於維護
3. 資料封裝：通過封裝（如私有屬性）保護數據不被外部直接修改，增強代碼穩定性
4. 支援繼承與多型：輕鬆改進現有邏輯（繼承），並根據需求多態化物件的行為
5. 真實世界建模：物件導向的架構可以很自然地模擬真實對象和系統行為（如銀行帳戶、圖書館管理等）

缺點：

1. 學習曲線較高：對初學者來說，掌握類別、物件、繼承、多型等概念需要一定的學習時間
2. 過度設計的風險：小型項目中過度使用 OOP 可能導致複雜而臃腫的架構，降低生產率
3. 性能考慮：相較於程序式（動態代碼的不斷執行），OOP 有時因需處理更多結構化代碼而稍顯慢速

📦 類別與物件

定義類別與建立物件

• 類別 (Class) 是物件的藍圖或模板，
• 物件 (Object) 是類別的實例。透過類別定義屬性和方法，並根據類別創建物件。
• 可以快速建立相同類別的物件
• • 如:銀行新戶是類別，新戶小明是物件

定義類別

class Person:
    """這是一個描述人的類別"""
    pass

# 建立物件
person1 = Person()person2 = Person()print(person1)  # <__main__.Person object at ...>
print(person2)  # <__main__.Person object at ...>

類別的屬性與方法

• 屬性 (Attributes) 是描述物件的資料或特性，方法 (Methods) 是對象可以執行的動作。
• 物件本身具有的特性以及可以做的事情
• • 如:銀行新戶小明具有零存款，預計存入100萬。- 具有零存款:屬性- 存入100萬:方法

__init__初始化方法

• __init__ 是類別的 建構函數，在建立物件時自動執行，用於初始化屬性。
• 先預設的屬性，之後還可以修改

銀行開戶範例

1. 初始化方法屬性: (1) 銀行戶名屬性 (2) 存款餘額
2. 存款方法
3. 自定義print()資訊
4. 為小明創建帳戶
5. 小明存入100萬

class BankAccount:
    def __init__(self, name, balance=0):
        """ 
        初始化方法，用於建立銀行帳戶
        :param name: 新戶名（例如小明）
        :param balance: 初始存款額度，預設為 0
        """
        self.name = name        
        self.balance = balance  

    def deposit(self, amount):
        """
        存款方法，將指定金額存入帳戶
        :param amount: 存入的金額
        """
        if amount > 0:  # 檢查存入金額是否有效
            self.balance += amount
            print(f"{self.name} 存入 {amount} 元。當前餘額為: {self.balance} 元。")
        else:
            print("存入金額必須大於 0！")

    def __str__(self):
        """
        自訂字串方法，提供帳戶資訊的友好表示
        """
        return f"戶名: {self.name}, 存款餘額: {self.balance} 元"

# 創建新的銀行帳戶物件（小明）
xiaoming = BankAccount(name="小明")

# 初始化訊息
print(xiaoming)  # 戶名: 小明, 存款餘額: 0 元

# 小明存入 100 萬
xiaoming.deposit(1000000)

🧬 繼承與多型

父類別與子類別

• 繼承允許我們基於一個父類別 (Parent Class) 建立一個子類別 (Child Class)
• 子類別可以繼承父類別的屬性與方法
• 可以大幅減少重複的程式碼
• • 寫過的功能不要再寫一遍

class Animal:
    """父類別：描述動物"""
    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def speak(self):
        print(f"{self.name} makes a sound.")

class Dog(Animal):
    """子類別：描述狗"""
    def speak(self):
        print(f"{self.name} barks.")

class Cat(Animal):
    """子類別：描述貓"""
    def speak(self):
        print(f"{self.name} meows.")

# 建立物件
dog = Dog("Rover")
cat = Cat("Whiskers")

# 呼叫方法
dog.speak()  # Rover barks.
cat.speak()  # Whiskers meows.

方法覆寫（Override）

• 子類別可以通過覆寫父類別的方法來實現自己的行為。
• 但是可以透過覆寫來修改原本繼承的功能
• • 同樣都是speak()方法，但是功能已經不同

class Animal:
    """父類別"""
    def speak(self):
        print("An animal makes a sound.")

class Dog(Animal):
    """子類別"""
    def speak(self):
        print("The dog barks.")

# 建立物件
animal = Animal()
dog = Dog()

# 呼叫方法
animal.speak()  # An animal makes a sound.
dog.speak()     # The dog barks

🔒 封裝、私有屬性與特殊方法

使用 _ 與 __ 定義私有屬性

• 單底線 _：表示「非公開」屬性，但仍可存取（是一種約定）。
• 雙底線 __：觸發名稱重整 (Name Mangling)，將屬性名稱改為 _ClassName__attribute，避免外部直接訪問。
• • 避免重要屬性被隨意修改

class BankAccount:
    def __init__(self, account_owner, balance):
        self.account_owner = account_owner
        self.__balance = balance  # 私有屬性

    def deposit(self, amount):
        self.__balance += amount

    def __str__(self):
        return f"{self.account_owner} - Balance: ${self.__balance}"

# 建立物件
account = BankAccount("Alice", 1000)

# 存款
account.deposit(500)
print(account)  # Alice - Balance: $1500

# 嘗試直接訪問私有屬性
# print(account.__balance)  # AttributeError: 'BankAccount' object has no attribute '__balance'

特殊方法(Advanced)

特殊方法是Python的進階語法，初學者可以不需要會用，但是要看的懂他在幹什麼，因為在欣賞(Trace code)其他人程式時會很常看到相關的用法。

__str__ & __repr__: 描述

• __str__：用於定義 人類可讀的描述，當 print() 或 str() 被調用時自動執行
• __repr__：用於定義 開發者可讀的描述，當在解釋器中回傳對象或執行 repr() 時被呼叫，為開發者提供精確相關的描述

class Person:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age

    def __str__(self):
        return f"Person(name={self.name}, age={self.age})"

    def __repr__(self):
        return f"<Person: {self.name}, {self.age} years old>"

# 建立物件
person = Person("Alice", 25)

# 呼叫
print(person)        # 自動調用 __str__: Person(name=Alice, age=25)
print(repr(person))  # 顯示開發者可讀描述: <Person: Alice, 25 years old>

__del__：銷毀

• 在 對象被刪除或清理時呼叫，用於釋放資源
• 通常不需要顯式使用，Python 的垃圾回收機制會自動處理

class Resource:
    def __init__(self, name):
        self.name = name
        print(f"Resource {self.name} created.")

    def __del__(self):
        print(f"Resource {self.name} destroyed.")

# 創建並銷毀對象
res = Resource("File")
del res  # Resource File destroyed.

__getattr__ 與 __setattr__：屬性管理

• __getattr__: 當訪問一個未定義的屬性時自動呼叫。
• __setattr__: 每次設定屬性時自動呼叫，用於攔截屬性賦值。

class ManagedAttributes:
    def __init__(self):
        self.attributes = {}

    def __getattr__(self, name):
        return self.attributes.get(name, f"{name} not found!")

    def __setattr__(self, name, value):
        if name == "attributes":  # 防止遞歸調用
            super().__setattr__(name, value)
        else:
            self.attributes[name] = value
            print(f"Set {name} to {value}")

# 使用示例
obj = ManagedAttributes()
obj.foo = 42  # Set foo to 42
print(obj.foo)  # 42
print(obj.bar)  # bar not found!

__len__：定義對象長度

• 定義對象的「長度」，用於 len() 函數
• 很常使用的一個方法

class Bookshelf:
    def __init__(self, books):
        self.books = books

    def __len__(self):
        return len(self.books)

shelf = Bookshelf(["Book1", "Book2", "Book3"])
print(len(shelf))  # 3

__getitem__ 與 __setitem__：Item操作

• __getitem__:支持通過對象的下標運算（如 obj[key]）。
• __setitem__:支持對象的下標賦值（如 obj[key] = value）。
• 此方法常見於機器學習和深度學習中的Dataloader函數

class Storage:
    def __init__(self):
        self.data = {}

    def __getitem__(self, key):
        return self.data.get(key, None)

    def __setitem__(self, key, value):
        self.data[key] = value
        print(f"Set {key} to {value}")

# 使用示例
storage = Storage()
storage["name"] = "Alice"  # Set name to Alice
print(storage["name"])     # Alice

__call__：可調用對象

• 使對象變成「可調用」，像函數一樣使用
• 在許多深度學習的模型建立架構中可見到

class Counter:
    def __init__(self):
        self.count = 0

    def __call__(self):
        self.count += 1
        print(f"Count: {self.count}")

# 使用示例
counter = Counter()
counter()  # Count: 1
counter()  # Count: 2

__add__ : 運算符

• 支持重新定義運算符，如 +（加法）、-（減法）、*（乘法）等
• 可用於自定義運算功能

class Number:
    def __init__(self, value):
        self.value = value

    def __add__(self, other):
        return Number(self.value + other.value)

    def __str__(self):
        return str(self.value)

num1 = Number(10)
num2 = Number(20)

result = num1 + num2
print(result)  # 30