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# 11 | 面向对象（上）：从生活中的类比说起
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你好，我是景霄。
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很多朋友最开始学编程的时候，是从 C++ 或者 JAVA 语言入手的。他们好不容易磕磕绊绊地搞懂了最基本的数据类型、赋值判断和循环，却又迎面撞上了 OOP (object oriented programming) 的大墙，一头扎进公有私有保护、多重继承、多态派生、纯函数、抽象类、友元函数等一堆专有名词的汪洋大海中找不到彼岸，于是就放弃了进阶之路。
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相比之下，Python 是一门相对友好的语言，它在创立之初就鼓励命令交互式的轻量级编程。理论上，Python 的命令式语言是[图灵完备](https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9C%96%E9%9D%88%E5%AE%8C%E5%82%99%E6%80%A7)的, 也就是说命令式语言，理论上可以做到其他任何语言能够做到的所有的事情，甚至进一步，仅仅依靠汇编语言的 MOV 指令，就能实现[图灵完备编程](http://stedolan.net/research/mov.pdf)。
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那么为什么不这样做呢？其实，“上古时代”的程序员就是这么做的，可是随着程序功能复杂性的逐步提升，以及需求的不断迭代，很多老旧的代码修改起来麻烦无比，牵一发而动全身，根本无法迭代和维护，甚至只能推倒重来，这也是很多古老的代码被称为“屎山”的原因。
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传统的命令式语言有无数重复性代码，虽然函数的诞生减缓了许多重复性，但随着计算机的发展，只有函数依然不够，需要把更加抽象的概念引入计算机才能缓解（而不是解决）这个问题，于是 OOP 应运而生。
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Python 在 1989 年被一位程序员打发时间创立之后，一步步攻城掠地飞速发展，从最基础的脚本程序，到后来可以编写系统程序、大型工程、数据科学运算、人工智能，早已脱离了当初的设计，因此一些其他语言的优秀设计之处依然需要引入。我们必须花费一定的代价掌握面向对象编程，才能跨越学习道路中的瓶颈期，走向下一步。
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接下来，我将用两节课来讲解面向对象编程，从基础到实战。第一讲，我将带你快速但清晰地疏通最基础的知识，确保你能够迅速领略面向对象的基本思想；第二讲，我们从零开始写一个搜索引擎，将前面所学知识融会贯通。
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这些内容可能和你以往看到的所有教程都不太一样，我会尽可能从一个初学者的角度来审视这些难点。同时我们面向实战、面向工程，不求大而全，但是对最核心的思想会有足够的勾勒。我可以保证内容清晰易懂，但想要真正掌握，仍要求你能用心去阅读和思考。真正的提高，永远要靠自己才能做到。
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## 对象，你找到了吗？
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我们先来学习，面向对象编程中最基本的概念。
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为了方便你理解其中的抽象概念，我先打个比方带你感受一下。生物课上，我们学过“界门纲目科属种”的概念，核心思想是科学家们根据各种动植物、微生物的相似之处，将其分化为不同的类型方便研究。生活中我们也是如此，习惯对身边的事物进行分类：
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* 猫和狗都是动物；
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* 直线和圆都是平面几何的图形；
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* 《哈利波特》和《冰与火之歌》（即《权力的游戏》）都是小说。
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自然，同一类事物便会有着相似的特性：
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* 动物会动；
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* 平面图形有面积和周长；
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* 小说也都有相应的作者和大致情节等各种元素。
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那回到我们的Python上，又对应哪些内容呢？这里，我们先来看一段最基本的 Python 面向对象的应用代码，不要被它的长度吓到，你无需立刻看懂所有代码，跟着节奏来，我会一点点为你剖析。
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```
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class Document():
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def __init__(self, title, author, context):
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print('init function called')
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self.title = title
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self.author = author
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self.__context = context # __开头的属性是私有属性
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def get_context_length(self):
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return len(self.__context)
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def intercept_context(self, length):
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self.__context = self.__context[:length]
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harry_potter_book = Document('Harry Potter', 'J. K. Rowling', '... Forever Do not believe any thing is capable of thinking independently ...')
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print(harry_potter_book.title)
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print(harry_potter_book.author)
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print(harry_potter_book.get_context_length())
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harry_potter_book.intercept_context(10)
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print(harry_potter_book.get_context_length())
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print(harry_potter_book.__context)
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########## 输出 ##########
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init function called
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Harry Potter
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J. K. Rowling
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10
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AttributeError Traceback (most recent call last)
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<ipython-input-5-b4d048d75003> in <module>()
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22 print(harry_potter_book.get_context_length())
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23
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---> 24 print(harry_potter_book.__context)
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AttributeError: 'Document' object has no attribute '__context'
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参照着这段代码，我先来简单解释几个概念。
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* 类：一群有着相似性的事物的集合，这里对应 Python 的 class。
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* 对象：集合中的一个事物，这里对应由 class 生成的某一个 object，比如代码中的 harry\_potter\_book。
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* 属性：对象的某个静态特征，比如上述代码中的 title、author 和 \_\_context。
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* 函数：对象的某个动态能力，比如上述代码中的 intercept\_context ()函数。
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当然，这样的说法既不严谨，也不充分，但如果你对面向对象编程完全不了解，它们可以让你迅速有一个直观的了解。
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这里我想多说两句。回想起当年参加数学竞赛时，我曾和一个大佬交流数学的学习，我清楚记得我们对数学有着相似的观点：很多数学概念非常抽象，如果纯粹从数理逻辑而不是更高的角度去解题，很容易陷入僵局；而具体、直观的想象和类比，才是迅速打开数学大门的钥匙。虽然这些想象和类比不严谨也不充分，很多时候甚至是错误或者异想天开的，但它们确实能帮我们快速找到正确的大门。
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就像很多人都有过的一个疑惑，“学霸是怎样想到这个答案的？”。德国数学家克莱因曾说过，“推进数学的，主要是那些有卓越直觉的人，而不是以严格的证明方法见长的人。”编程世界同样如此，如果你不满足于只做一个CRUD“码农”，而是想成为一个优秀的工程师，那就一定要积极锻炼直觉思考和快速类比的能力，尤其是在找不到 bug 的时候。这才是编程学习中能给人最快进步的方法和路径。
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言归正传，继续回到我们的主题，还是通过刚刚那段代码，我想再给类下一个更为严谨的定义。
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**类，一群有着相同属性和函数的对象的集合。**
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虽然有循环论证之嫌（lol），但是反复强调，还是希望你能对面向对象的最基础的思想，有更真实的了解。清楚记住这一点后，接下来，我们来具体解读刚刚这段代码。为了方便你的阅读学习，我把它重新放在了这段文字下方。
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```
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class Document():
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def __init__(self, title, author, context):
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print('init function called')
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self.title = title
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self.author = author
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self.__context = context # __开头的属性是私有属性
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def get_context_length(self):
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return len(self.__context)
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def intercept_context(self, length):
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self.__context = self.__context[:length]
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harry_potter_book = Document('Harry Potter', 'J. K. Rowling', '... Forever Do not believe any thing is capable of thinking independently ...')
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print(harry_potter_book.title)
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print(harry_potter_book.author)
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print(harry_potter_book.get_context_length())
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harry_potter_book.intercept_context(10)
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print(harry_potter_book.get_context_length())
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print(harry_potter_book.__context)
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########## 输出 ##########
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init function called
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Harry Potter
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J. K. Rowling
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10
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---------------------------------------------------------------------------
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AttributeError Traceback (most recent call last)
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<ipython-input-5-b4d048d75003> in <module>()
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22 print(harry_potter_book.get_context_length())
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23
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---> 24 print(harry_potter_book.__context)
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AttributeError: 'Document' object has no attribute '__context'
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可以看到，class Document 定义了 Document 类，再往下能看到它有三个函数，这三个函数即为 Document 类的三个函数。
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其中，**init** 表示构造函数，意即一个对象生成时会被自动调用的函数。我们能看到， `harry_potter_book = Document(...)`这一行代码被执行的时候，`'init function called'`字符串会被打印出来。而 get\_context\_length()和 intercept\_context()则为类的普通函数，我们调用它们来对对象的属性做一些事情。
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class Document 还有三个属性，title、author和 \_\_context 分别表示标题、作者和内容，通过构造函数传入。这里代码很直观，我们可以看到， intercept\_context 能修改对象 harry\_potter\_book 的 \_\_context 属性。
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这里唯一需要强调的一点是，如果一个属性以 \_\_ （注意，此处有两个\_） 开头，我们就默认这个属性是私有属性。私有属性，是指不希望在类的函数之外的地方被访问和修改的属性。所以，你可以看到，title 和 author 能够很自由地被打印出来，但是 `print(harry_potter_book.__context)`就会报错。
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## 老师，能不能再给力点？
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掌握了最基础的概念，其实我们已经能做很多很多的事情了。不过，在工程实践中，随着复杂度继续提升，你可能会想到一些问题：
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* 如何在一个类中定义一些常量，每个对象都可以方便访问这些常量而不用重新构造？
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* 如果一个函数不涉及到访问修改这个类的属性，而放到类外面有点不恰当，怎么做才能更优雅呢？
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* 既然类是一群相似的对象的集合，那么可不可以是一群相似的类的集合呢？
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前两个问题很好解决，不过，它们涉及到一些常用的代码规范，这里我放了一段代码示例。同样的，你无需一口气读完这段代码，跟着我的节奏慢慢学习即可。
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class Document():
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WELCOME_STR = 'Welcome! The context for this book is {}.'
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def __init__(self, title, author, context):
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print('init function called')
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self.title = title
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self.author = author
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self.__context = context
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# 类函数
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@classmethod
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def create_empty_book(cls, title, author):
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return cls(title=title, author=author, context='nothing')
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# 成员函数
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def get_context_length(self):
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return len(self.__context)
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# 静态函数
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@staticmethod
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def get_welcome(context):
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return Document.WELCOME_STR.format(context)
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empty_book = Document.create_empty_book('What Every Man Thinks About Apart from Sex', 'Professor Sheridan Simove')
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print(empty_book.get_context_length())
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print(empty_book.get_welcome('indeed nothing'))
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########## 输出 ##########
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init function called
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7
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Welcome! The context for this book is indeed nothing.
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第一个问题，在 Python 的类里，你只需要和函数并列地声明并赋值，就可以实现这一点，例如这段代码中的 WELCOME\_STR。一种很常规的做法，是用全大写来表示常量，因此我们可以在类中使用 self.WELCOME\_STR ，或者在类外使用 Entity.WELCOME\_STR ，来表达这个字符串。
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而针对第二个问题，我们提出了类函数、成员函数和静态函数三个概念。它们其实很好理解，前两者产生的影响是动态的，能够访问或者修改对象的属性；而静态函数则与类没有什么关联，最明显的特征便是，静态函数的第一个参数没有任何特殊性。
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具体来看这几种函数。一般而言，静态函数可以用来做一些简单独立的任务，既方便测试，也能优化代码结构。静态函数还可以通过在函数前一行加上 @staticmethod 来表示，代码中也有相应的示例。这其实使用了装饰器的概念，我们会在后面的章节中详细讲解。
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而类函数的第一个参数一般为 cls，表示必须传一个类进来。类函数最常用的功能是实现不同的 **init** 构造函数，比如上文代码中，我们使用 create\_empty\_book 类函数，来创造新的书籍对象，其 context 一定为 `'nothing'`。这样的代码，就比你直接构造要清晰一些。类似的，类函数需要装饰器 @classmethod 来声明。
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成员函数则是我们最正常的类的函数，它不需要任何装饰器声明，第一个参数 self 代表当前对象的引用，可以通过此函数，来实现想要的查询/修改类的属性等功能。
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## 继承，是每个富二代的梦想
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接下来，我们来看第三个问题，既然类是一群相似的对象的集合，那么可不可以是一群相似的类的集合呢？
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答案是，当然可以。只要抽象得好，类可以描述成任何事物的集合。当然你要小心、严谨地去定义它，不然一不小心就会引起[第三次数学危机](https://en.wikipedia.org/wiki/Russell%27s_paradox) XD。
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类的继承，顾名思义，指的是一个类既拥有另一个类的特征，也拥有不同于另一个类的独特特征。在这里的第一个类叫做子类，另一个叫做父类，特征其实就是类的属性和函数。
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```
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class Entity():
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def __init__(self, object_type):
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print('parent class init called')
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self.object_type = object_type
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def get_context_length(self):
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raise Exception('get_context_length not implemented')
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def print_title(self):
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print(self.title)
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class Document(Entity):
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def __init__(self, title, author, context):
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print('Document class init called')
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Entity.__init__(self, 'document')
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self.title = title
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self.author = author
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self.__context = context
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def get_context_length(self):
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return len(self.__context)
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class Video(Entity):
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def __init__(self, title, author, video_length):
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print('Video class init called')
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Entity.__init__(self, 'video')
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self.title = title
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self.author = author
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self.__video_length = video_length
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def get_context_length(self):
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return self.__video_length
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harry_potter_book = Document('Harry Potter(Book)', 'J. K. Rowling', '... Forever Do not believe any thing is capable of thinking independently ...')
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harry_potter_movie = Video('Harry Potter(Movie)', 'J. K. Rowling', 120)
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print(harry_potter_book.object_type)
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print(harry_potter_movie.object_type)
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harry_potter_book.print_title()
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harry_potter_movie.print_title()
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print(harry_potter_book.get_context_length())
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print(harry_potter_movie.get_context_length())
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########## 输出 ##########
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Document class init called
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parent class init called
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Video class init called
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|
parent class init called
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|
document
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video
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Harry Potter(Book)
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Harry Potter(Movie)
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77
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120
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```
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我们同样结合代码来学习这些概念。在这段代码中，Document 和 Video 它们有相似的地方，都有相应的标题、作者和内容等属性。我们可以从中抽象出一个叫做 Entity 的类，来作为它俩的父类。
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首先需要注意的是构造函数。每个类都有构造函数，继承类在生成对象的时候，是不会自动调用父类的构造函数的，因此你必须在 **init**()函数中显式调用父类的构造函数。它们的执行顺序是 子类的构造函数 -> 父类的构造函数。
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其次需要注意父类 get\_context\_length()函数。如果使用 Entity 直接生成对象，调用 get\_context\_length()函数，就会 raise error 中断程序的执行。这其实是一种很好的写法，叫做函数重写，可以使子类必须重新写一遍 get\_context\_length()函数，来覆盖掉原有函数。
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最后需要注意到 print\_title()函数，这个函数定义在父类中，但是子类的对象可以毫无阻力地使用它来打印 title，这也就体现了继承的优势：减少重复的代码，降低系统的熵值（即复杂度）。
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到这里，你对继承就有了比较详细的了解了，面向对象编程也可以说已经入门了。当然，如果你想达到更高的层次，大量练习编程，学习更多的细节知识，都是必不可少的。
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最后，我想再为你扩展一下抽象函数和抽象类，我同样会用一段代码来辅助讲解。
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```
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from abc import ABCMeta, abstractmethod
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class Entity(metaclass=ABCMeta):
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@abstractmethod
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def get_title(self):
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pass
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@abstractmethod
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def set_title(self, title):
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|
pass
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class Document(Entity):
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def get_title(self):
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return self.title
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def set_title(self, title):
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self.title = title
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document = Document()
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document.set_title('Harry Potter')
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print(document.get_title())
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entity = Entity()
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########## 输出 ##########
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Harry Potter
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TypeError Traceback (most recent call last)
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<ipython-input-7-266b2aa47bad> in <module>()
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21 print(document.get_title())
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22
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---> 23 entity = Entity()
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24 entity.set_title('Test')
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TypeError: Can't instantiate abstract class Entity with abstract methods get_title, set_title
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你应该发现了，Entity 本身是没有什么用的，只需拿来定义 Document 和 Video 的一些基本元素就够了。不过，万一你不小心生成 Entity 的对象该怎么办呢？为了防止这样的手误，必须要介绍一下抽象类。
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抽象类是一种特殊的类，它生下来就是作为父类存在的，一旦对象化就会报错。同样，抽象函数定义在抽象类之中，子类必须重写该函数才能使用。相应的抽象函数，则是使用装饰器 @abstractmethod 来表示。
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我们可以看到，代码中`entity = Entity()`直接报错，只有通过 Document 继承 Entity 才能正常使用。
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这其实正是软件工程中一个很重要的概念，定义接口。大型工程往往需要很多人合作开发，比如在 Facebook 中，在 idea 提出之后，开发组和产品组首先会召开产品设计会，PM（Product Manager，产品经理） 写出产品需求文档，然后迭代；TL（Team Leader，项目经理）编写开发文档，开发文档中会定义不同模块的大致功能和接口、每个模块之间如何协作、单元测试和集成测试、线上灰度测试、监测和日志等等一系列开发流程。
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抽象类就是这么一种存在，它是一种自上而下的设计风范，你只需要用少量的代码描述清楚要做的事情，定义好接口，然后就可以交给不同开发人员去开发和对接。
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## 总结
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到目前为止，我们一直在强调一件事情：面向对象编程是软件工程中重要的思想。正如动态规划是算法中的重要思想一样，它不是某一种非常具体的技术，而是一种综合能力的体现，是将大型工程解耦化、模块化的重要方法。在实践中要多想，尤其是抽象地想，才能更快掌握这个技巧。
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回顾一下今天的内容，我希望你能自己回答下面两个问题，作为今天内容的总结，写在留言区里。
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第一个问题，面向对象编程四要素是什么？它们的关系又是什么？
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第二个问题，讲了这么久的继承，继承究竟是什么呢？你能用三个字表达出来吗？
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> 这里不开玩笑，Facebook 很多 Launch Doc （上线文档）中要求用五个单词总结你的文档，因为你的文档不仅仅是你的团队要看，往上走甚至会到 VP 或者 CTO 那里，你需要言简意赅，让他们快速理解你想要表达的意思。
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## 思考题
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最后，再给你留一道思考题。既然你能通过继承一个类，来获得父类的函数和属性，那么你能继承两个吗？答案自是能的，这就叫做多重继承。那么问题来了。
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我们使用单一继承的时候，构造函数的执行顺序很好确定，即子类->父类->爷类->… 的链式关系。不过，多重继承的时候呢？比如下面这个例子。
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--->B---
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A- -->D
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--->C---
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这种继承方式，叫做菱形继承，BC 继承了 A，然后 D 继承了 BC，创造一个 D 的对象。那么，构造函数调用顺序又是怎样的呢？
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欢迎在留言区写下你的答案想法，与我讨论，也欢迎你把这篇文章分享给你的同事、朋友。
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