09-02 封裝

[TOC]

一 引入

? 面向對象編程有三大特性：封裝、繼承、多態，其中最重要的一個特性就是封裝。封裝指的就是把數據與功能都整合到一起，聽起來是不是很熟悉，沒錯，我們之前所說的”整合“二字其實就是封裝的通俗說法。除此之外，針對封裝到對象或者類中的屬性，我們還可以嚴格控制對它們的訪問，分兩步實現：隱藏與開放接口

插圖：惡搞圖16

二 隱藏屬性

Python的Class機制采用雙下劃線開頭的方式將屬性隱藏起來（設置成私有的），但其實這僅僅只是一種變形操作，類中所有雙下滑線開頭的屬性都會在類定義階段、檢測語法時自動變成“_類名__屬性名”的形式：

class Foo:
    __N=0 # 變形為_Foo__N

    def __init__(self): # 定義函數時，會檢測函數語法，所以__開頭的屬性也會變形
        self.__x=10 # 變形為self._Foo__x

    def __f1(self): # 變形為_Foo__f1
        print('__f1 run')

    def f2(self):  # 定義函數時，會檢測函數語法，所以__開頭的屬性也會變形
        self.__f1() #變形為self._Foo__f1()

print(Foo.__N) # 報錯AttributeError:類Foo沒有屬性__N

obj = Foo()
print(obbj.__x) # 報錯AttributeError:對象obj沒有屬性__x

插圖：惡搞圖17

這種變形需要注意的問題是：

1、在類外部無法直接訪問雙下滑線開頭的屬性，但知道了類名和屬性名就可以拼出名字：_類名_屬性，然后就可以訪問了，如Foo._A\_N，所以說這種操作并沒有嚴格意義上地限制外部訪問，僅僅只是一種語法意義上的變形。

>>> Foo.__dict__
mappingproxy({..., '_Foo__N': 0, ...})

>>> obj.__dict__
{'_Foo__x': 10}

>>> Foo._Foo__N
0
>>> obj._Foo__x
10
>>> obj._Foo__N
0

2、在類內部是可以直接訪問雙下滑線開頭的屬性的，比如self.__f1()，因為在類定義階段類內部雙下滑線開頭的屬性統一發生了變形。

>>> obj.f2()
__f1 run

3、變形操作只在類定義階段發生一次,在類定義之后的賦值操作，不會變形。

>>> Foo.__M=100
>>> Foo.__dict__
mappingproxy({..., '__M': 100,...})
>>> Foo.__M
100

>>> obj.__y=20
>>> obj.__dict__
{'__y': 20, '_Foo__x': 10}
>>> obj.__y
20

插圖：惡搞圖18

三 開放接口

定義屬性就是為了使用，所以隱藏并不是目的

3.1 隱藏數據屬性

將數據隱藏起來就限制了類外部對數據的直接操作，然后類內應該提供相應的接口來允許類外部間接地操作數據，接口之上可以附加額外的邏輯來對數據的操作進行嚴格地控制

>>> class Teacher:
...     def __init__(self,name,age): #將名字和年紀都隱藏起來
...         self.__name=name
...         self.__age=age
...     def tell_info(self): #對外提供訪問老師信息的接口
...         print('姓名:%s,年齡:%s' %(self.__name,self.__age))
...     def set_info(self,name,age): #對外提供設置老師信息的接口，并附加類型檢查的邏輯
...         if not isinstance(name,str):
...             raise TypeError('姓名必須是字符串類型')
...         if not isinstance(age,int):
...             raise TypeError('年齡必須是整型')
...         self.__name=name
...         self.__age=age
... 
>>>
>>> t=Teacher('lili',18)
>>> t.set_info(‘LiLi','19') # 年齡不為整型，拋出異常
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
  File "<stdin>", line 11, in set_info
TypeError: 年齡必須是整型
>>> t.set_info('LiLi',19) # 名字為字符串類型，年齡為整形，可以正常設置
>>> t.tell_info() # 查看老師的信息
姓名:LiLi,年齡:19

插圖：惡搞圖19

3.2 隱藏函數屬性

目的的是為了隔離復雜度，例如ATM程序的取款功能,該功能有很多其他功能組成，比如插卡、身份認證、輸入金額、打印小票、取錢等，而對使用者來說,只需要開發取款這個功能接口即可,其余功能我們都可以隱藏起來

>>> class ATM:
...     def __card(self): #插卡
...         print('插卡')
...     def __auth(self): #身份認證
...         print('用戶認證')
...     def __input(self): #輸入金額
...         print('輸入取款金額')
...     def __print_bill(self): #打印小票
...         print('打印賬單')
...     def __take_money(self): #取錢
...         print('取款')
...     def withdraw(self): #取款功能
...         self.__card()
...         self.__auth()
...         self.__input()
...         self.__print_bill()
...         self.__take_money()
...
>>> obj=ATM()
>>> obj.withdraw()

插圖：惡搞圖20

總結隱藏屬性與開放接口，本質就是為了明確地區分內外，類內部可以修改封裝內的東西而不影響外部調用者的代碼；而類外部只需拿到一個接口，只要接口名、參數不變，則無論設計者如何改變內部實現代碼，使用者均無需改變代碼。這就提供一個良好的合作基礎，只要接口這個基礎約定不變，則代碼的修改不足為慮。

四 property

BMI指數是用來衡量一個人的體重與身高對健康影響的一個指標，計算公式為

體質指數（BMI）=體重（kg）÷身高^2（m）
EX：70kg÷（1.75×1.75）=22.86

身高或體重是不斷變化的，因而每次想查看BMI值都需要通過計算才能得到，但很明顯BMI聽起來更像是一個特征而非功能，為此Python專門提供了一個裝飾器property，可以將類中的函數“偽裝成”對象的數據屬性，對象在訪問該特殊屬性時會觸發功能的執行，然后將返回值作為本次訪問的結果，例如

>>> class People:
...     def __init__(self,name,weight,height):
...         self.name=name
...         self.weight=weight
...         self.height=height
...     @property
...     def bmi(self):
...         return self.weight / (self.height**2)
...
>>> obj=People('lili',75,1.85)
>>> obj.bmi #觸發方法bmi的執行，將obj自動傳給self，執行后返回值作為本次引用的結果
21.913805697589478

插圖：惡搞圖21

使用property有效地保證了屬性訪問的一致性。另外property還提供設置和刪除屬性的功能，如下

>>> class Foo:
...     def __init__(self,val):
...         self.__NAME=val #將屬性隱藏起來
...     @property
...     def name(self):
...         return self.__NAME
...     @name.setter
...     def name(self,value):
...         if not isinstance(value,str):  #在設定值之前進行類型檢查
...             raise TypeError('%s must be str' %value)
...         self.__NAME=value #通過類型檢查后,將值value存放到真實的位置self.__NAME
...     @name.deleter
...     def name(self):
...         raise PermissionError('Can not delete')
...
>>> f=Foo('lili')
>>> f.name
lili
>>> f.name='LiLi' #觸發name.setter裝飾器對應的函數name(f,’Egon')
>>> f.name=123 #觸發name.setter對應的的函數name(f,123),拋出異常TypeError
>>> del f.name #觸發name.deleter對應的函數name(f),拋出異常PermissionError