Python之路【第十一篇】:Python面向对象之封装

一 引子

从封装本身的意思去理解，封装就好像是拿来一个麻袋，把青菜，土豆，花菜，还有苹果一起装进麻袋，然后把麻袋封上口子。照这种逻辑看，封装=‘隐藏’，这种理解是相当片面的。

在面向对象中这个麻袋就是你的类或者对象，类或者对象这俩麻袋内部装了数据属性和函数属性，那么对于类和对象来说"封"的概念从何而来，其实封的概念代表隐藏。

在学完了面向对象的类和对象相关的知识后，大家都知道了如何把属性装进类或者对象中，那么如何完成封的效果呢？

第一个层面的封装：类就是麻袋，这本身就是一种封装

第二个层面的封装：类中定义私有的，只在类的内部使用，外部无法访问

python不依赖语言特性去封装数据，而是通过遵循一定的数据属性和函数属性的命名约定来达到封的效果

约定一：任何一单下划线开头的名字都应该是内部的，私有的

#_*_coding:utf-8_*_
__author__ = 'Simon'

class People:
    __star='earth111111111111' #单下划线开头的就代表隐藏起来的
    __star1='earth111111111111'
    __star2='earth111111111111'
    __star3='earth111111111111'
    def __init__(self,id,name,age,salary):
        print('----->',self.__star)
        self.id=id
        self.name=name
        self.age=age
        self.salary=salary

    def get_id(self):
        print('我是私有方法啊,我找到的id是[%s]' %self.id)

    #访问函数
    def get_star(self):
        print(self.__star)

p1=People('','alex','',100000000)
# print(p1.__star)
print(People.__dict__)
# print(p1.__star)
print(p1._People__star)
#
# p1.get_star()
p1.get_star()

python 并不会真的阻止你访问私有的属性，模块也遵循这种约定，如果模块名以单下划线开头，那么from module import *时不能被导入，但是你from module import _private_module 依然是可以导入的

其实很多时候你去调用一个模块的功能时会遇到单下划线开头的

(socket._socket,sys._home,sys._clear_type_cache),这些都是私有的，原则上是供内部调用的，作为外部的你，一意孤行也是可以用的，只不过显得稍微傻一点。

约定二：双下划线开头的名字

第三个层面的封装：明确区分内外，内部的实现逻辑，外部无法知晓，并且为封装到内部的逻辑提供一个访问接口给外部使用(这才是真正的封装，具体实现，会在面向对象进阶中讲)

二 先看如何隐藏

在python中用双下划线开头的方式将属性隐藏起来（设置成私有的）

#其实这仅仅这是一种变形操作且仅仅只在类定义阶段发生变形
#类中所有双下划线开头的名称如__x都会在类定义时自动变形成：_类名__x的形式：

class A:
    __N=0 #类的数据属性就应该是共享的,但是语法上是可以把类的数据属性设置成私有的如__N,会变形为_A__N
    def __init__(self):
        self.__X=10 #变形为self._A__X
    def __foo(self): #变形为_A__foo
        print('from A')
    def bar(self):
        self.__foo() #只有在类内部才可以通过__foo的形式访问到.

#A._A__N是可以访问到的，
#这种，在外部是无法通过__x这个名字访问到。

这种变形需要注意的问题是：

1.这种机制也并没有真正意义上限制我们从外部直接访问属性，知道了类名和属性名就可以拼出名字：_类名__属性，然后就可以访问了，如a._A__N，即这种操作并不是严格意义上的限制外部访问，仅仅只是一种语法意义上的变形，主要用来限制外部的直接访问。

2.变形的过程只在类的定义时发生一次,在定义后的赋值操作，不会变形

3.在继承中，父类如果不想让子类覆盖自己的方法，可以将方法定义为私有的

#正常情况
>>> class A:
...     def fa(self):
...         print('from A')
...     def test(self):
...         self.fa()
...
>>> class B(A):
...     def fa(self):
...         print('from B')
...
>>> b=B()
>>> b.test()
from B

#把fa定义成私有的，即__fa
>>> class A:
...     def __fa(self): #在定义时就变形为_A__fa
...         print('from A')
...     def test(self):
...         self.__fa() #只会与自己所在的类为准,即调用_A__fa
...
>>> class B(A):
...     def __fa(self):
...         print('from B')
...
>>> b=B()
>>> b.test()
from A

三 封装不是单纯意义的隐藏

封装的真谛在于明确地区分内外，封装的属性可以直接在内部使用，而不能被外部直接使用，然而定义属性的目的终归是要用，外部要想用类隐藏的属性，需要我们为其开辟接口，让外部能够间接地用到我们隐藏起来的属性，那这么做的意义何在？？？

1：封装数据：将数据隐藏起来这不是目的。隐藏起来然后对外提供操作该数据的接口，然后我们可以在接口附加上对该数据操作的限制，以此完成对数据属性操作的严格控制。

class Teacher:
    def __init__(self,name,age):
        # self.__name=name
        # self.__age=age
        self.set_info(name,age)

    def tell_info(self):
        print('姓名:%s,年龄:%s' %(self.__name,self.__age))
    def set_info(self,name,age):
        if not isinstance(name,str):
            raise TypeError('姓名必须是字符串类型')
        if not isinstance(age,int):
            raise TypeError('年龄必须是整型')
        self.__name=name
        self.__age=age

t=Teacher('egon',18)
t.tell_info()

t.set_info('egon',19)
t.tell_info()

2：封装方法：目的是隔离复杂度

封装方法举例：

1. 你的身体没有一处不体现着封装的概念：你的身体把膀胱尿道等等这些尿的功能隐藏了起来，然后为你提供一个尿的接口就可以了（接口就是你的。。。，），你总不能把膀胱挂在身体外面，上厕所的时候就跟别人炫耀：hi，man，你瞅我的膀胱，看看我是怎么尿的。

2. 电视机本身是一个黑盒子，隐藏了所有细节，但是一定会对外提供了一堆按钮，这些按钮也正是接口的概念，所以说，封装并不是单纯意义的隐藏！！！

3. 快门就是傻瓜相机为傻瓜们提供的方法，该方法将内部复杂的照相功能都隐藏起来了

提示：在编程语言里，对外提供的接口（接口可理解为了一个入口），可以是函数，称为接口函数，这与接口的概念还不一样，接口代表一组接口函数的集合体。

#取款是功能,而这个功能有很多功能组成:插卡、密码认证、输入金额、打印账单、取钱
#对使用者来说,只需要知道取款这个功能即可,其余功能我们都可以隐藏起来,很明显这么做
#隔离了复杂度,同时也提升了安全性

class ATM:
    def __card(self):
        print('插卡')
    def __auth(self):
        print('用户认证')
    def __input(self):
        print('输入取款金额')
    def __print_bill(self):
        print('打印账单')
    def __take_money(self):
        print('取款')

    def withdraw(self):
        self.__card()
        self.__auth()
        self.__input()
        self.__print_bill()
        self.__take_money()

a=ATM()
a.withdraw()

隔离复杂度的例子

3: 了解

python并不会真的阻止你访问私有的属性，模块也遵循这种约定，如果模块名以单下划线开头，那么from module import *时不能被导入,但是你from module import _private_module依然是可以导入的

其实很多时候你去调用一个模块的功能时会遇到单下划线开头的(socket._socket,sys._home,sys._clear_type_cache),这些都是私有的，原则上是供内部调用的，作为外部的你，一意孤行也是可以用的，只不过显得稍微傻逼一点点

python要想与其他编程语言一样，严格控制属性的访问权限，只能借助内置方法如__getattr__，详见面向对象进阶

四 特性(property)

什么是特性property

property是一种特殊的属性，访问它时会执行一段功能（函数）然后返回值

例一：BMI指数（bmi是计算而来的，但很明显它听起来像是一个属性而非方法，如果我们将其做成一个属性，更便于理解）

成人的BMI数值：

过轻：低于18.5

正常：18.5-23.9

过重：24-27

肥胖：28-32

非常肥胖, 高于32

　　体质指数（BMI）=体重（kg）÷身高^2（m）

　　EX：70kg÷（1.75×1.75）=22.86

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)

p1=People('egon',75,1.85)
print(p1.bmi)

例二：圆的周长和面积

import math
class Circle:
    def __init__(self,radius): #圆的半径radius
        self.radius=radius

    @property
    def area(self):
        return math.pi * self.radius**2 #计算面积

    @property
    def perimeter(self):
        return 2*math.pi*self.radius #计算周长

c=Circle(10)
print(c.radius)
print(c.area) #可以向访问数据属性一样去访问area,会触发一个函数的执行,动态计算出一个值
print(c.perimeter) #同上
'''
输出结果:
314.1592653589793
62.83185307179586
'''

#注意：此时的特性arear和perimeter不能被赋值
c.area=3 #为特性area赋值
'''
抛出异常:
AttributeError: can't set attribute
'''

为什么要用property

将一个类的函数定义成特性以后，对象再去使用的时候obj.name,根本无法察觉自己的name是执行了一个函数然后计算出来的，这种特性的使用方式遵循了统一访问的原则

除此之外，看下

ps：面向对象的封装有三种方式:
【public】
这种其实就是不封装,是对外公开的
【protected】
这种封装方式对外不公开,但对朋友(friend)或者子类(形象的说法是“儿子”,但我不知道为什么大家 不说“女儿”,就像“parent”本来是“父母”的意思,但中文都是叫“父类”)公开
【private】
这种封装对谁都不公开

python并没有在语法上把它们三个内建到自己的class机制中，在C++里一般会将所有的所有的数据都设置为私有的，然后提供set和get方法（接口）去设置和获取，在python中通过property方法可以实现

class Foo:
    def __init__(self,val):
        self.__NAME=val #将所有的数据属性都隐藏起来

    @property
    def name(self):
        return self.__NAME #obj.name访问的是self.__NAME(这也是真实值的存放位置)

    @name.setter
    def name(self,value):
        if not isinstance(value,str):  #在设定值之前进行类型检查
            raise TypeError('%s must be str' %value)
        self.__NAME=value #通过类型检查后,将值value存放到真实的位置self.__NAME

    @name.deleter
    def name(self):
        raise TypeError('Can not delete')

f=Foo('egon')
print(f.name)
# f.name=10 #抛出异常'TypeError: 10 must be str'
del f.name #抛出异常'TypeError: Can not delete'

class Foo:
    def __init__(self,val):
        self.__NAME=val #将所有的数据属性都隐藏起来

    def getname(self):
        return self.__NAME #obj.name访问的是self.__NAME(这也是真实值的存放位置)

    def setname(self,value):
        if not isinstance(value,str):  #在设定值之前进行类型检查
            raise TypeError('%s must be str' %value)
        self.__NAME=value #通过类型检查后,将值value存放到真实的位置self.__NAME

    def delname(self):
        raise TypeError('Can not delete')

    name=property(getname,setname,delname) #不如装饰器的方式清晰

了解：一种property的古老用法

五 封装与扩展性

封装在于明确区分内外，使得类实现者可以修改封装内的东西而不影响外部调用者的代码；而外部使用用者只知道一个接口(函数)，只要接口（函数）名、参数不变，使用者的代码永远无需改变。这就提供一个良好的合作基础——或者说，只要接口这个基础约定不变，则代码改变不足为虑。

#类的设计者
class Room:
    def __init__(self,name,owner,width,length,high):
        self.name=name
        self.owner=owner
        self.__width=width
        self.__length=length
        self.__high=high
    def tell_area(self): #对外提供的接口，隐藏了内部的实现细节，此时我们想求的是面积
        return self.__width * self.__length

#使用者
>>> r1=Room('卧室','egon',20,20,20)
>>> r1.tell_area() #使用者调用接口tell_area

#类的设计者，轻松的扩展了功能，而类的使用者完全不需要改变自己的代码
class Room:
    def __init__(self,name,owner,width,length,high):
        self.name=name
        self.owner=owner
        self.__width=width
        self.__length=length
        self.__high=high
    def tell_area(self): #对外提供的接口，隐藏内部实现，此时我们想求的是体积,内部逻辑变了,只需求修该下列一行就可以很简答的实现,而且外部调用感知不到,仍然使用该方法，但是功能已经变了
        return self.__width * self.__length * self.__high

#对于仍然在使用tell_area接口的人来说，根本无需改动自己的代码，就可以用上新功能
>>> r1.tell_area()

六 面向对象的优点

从编程进化论我们得知，面向对象是一种更高等级的结构化编程方式，他的好处有两点：

1、通过封装明确了内外，你作为类的缔造者，你是上帝，上帝造物的逻辑你无需知道,上帝想让你知道的你才能知道，这样就明确了划分了等级，物就是调用者，上帝就是物的创造者

2、通过继承+多态在语言层面支持了归一化设计

注意：不用面向对象语言(即不用class)，一样可以做归一化(如老掉牙的泛文件概念、游戏行业的一切皆精灵)，一样可以封装(通过定义模块和接口)，只是用面向对象语言可以直接用语言元素显示声明这些而已；而用了面向对象语言，满篇都是class,并不等于就有了归一化的设计。甚至，因为被这些花哨的东西迷惑，反而更加不知道什么才是设计。