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Python封装机制及实现方法

不光是 Python,大多数面向对象编程语言(诸如 C++Java 等)都具备 3 个典型特征,即封装、继承和多态。其中,本节重点讲解 Python 类的封装特性,继承和多态会在后续章节给大家做详细讲解。

简单的理解封装(Encapsulation),即在设计类时,刻意地将一些属性和方法隐藏在类的内部,这样在使用此类时,将无法直接以“类对象.属性名”(或者“类对象.方法名(参数)”)的形式调用这些属性(或方法),而只能用未隐藏的类方法间接操作这些隐藏的属性和方法。

就好比使用电脑,我们只需要学会如何使用键盘和鼠标就可以了,不用关心内部是怎么实现的,因为那是生产和设计人员该操心的。

注意,封装绝不是将类中所有的方法都隐藏起来,一定要留一些像键盘、鼠标这样可供外界使用的类方法。

那么,类为什么要进行封装,这样做有什么好处呢?

首先,封装机制保证了类内部数据结构的完整性,因为使用类的用户无法直接看到类中的数据结构,只能使用类允许公开的数据,很好地避免了外部对内部数据的影响,提高了程序的可维护性。

除此之外,对一个类实现良好的封装,用户只能借助暴露出来的类方法来访问数据,我们只需要在这些暴露的方法中加入适当的控制逻辑,即可轻松实现用户对类中属性或方法的不合理操作。

并且,对类进行良好的封装,还可以提高代码的复用性。

Python 类如何进行封装?

和其它面向对象的编程语言(如 C++、Java)不同,Python 类中的变量和函数,不是公有的(类似 public 属性),就是私有的(类似 private),这 2 种属性的区别如下:
  • public:公有属性的类变量和类函数,在类的外部、类内部以及子类(后续讲继承特性时会做详细介绍)中,都可以正常访问;
  • private:私有属性的类变量和类函数,只能在本类内部使用,类的外部以及子类都无法使用。

但是,Python 并没有提供 public、private 这些修饰符。为了实现类的封装,Python 采取了下面的方法:
  • 默认情况下,Python 类中的变量和方法都是公有(public)的,它们的名称前都没有下划线(_);
  • 如果类中的变量和函数,其名称以双下划线“__”开头,则该变量(函数)为私有变量(私有函数),其属性等同于 private。

除此之外,还可以定义以单下划线“_”开头的类属性或者类方法(例如 _name、_display(self)),这种类属性和类方法通常被视为私有属性和私有方法,虽然它们也能通过类对象正常访问,但这是一种约定俗称的用法,初学者一定要遵守。

注意,Python 类中还有以双下划线开头和结尾的类方法(例如类的构造函数__init__(self)),这些都是 Python 内部定义的,用于 Python 内部调用。我们自己定义类属性或者类方法时,不要使用这种格式。

例如,如下程序示范了 Python 的封装机制:
class CLanguage :
    def setname(self, name):
        if len(name) < 3:
            raise ValueError('名称长度必须大于3!')
        self.__name = name

    def getname(self):
        return self.__name
    #为 name 配置 setter 和 getter 方法
    name = property(getname, setname)
    def setadd(self, add):
        if add.startswith("http://"):
            self.__add = add
        else:
            raise ValueError('地址必须以 http:// 开头') 

    def getadd(self):
        return self.__add
   
    #为 add 配置 setter 和 getter 方法
    add = property(getadd, setadd)

    #定义个私有方法
    def __display(self):
        print(self.__name,self.__add)

clang = CLanguage()
clang.name = "C语言中文网"
clang.add = "http://c.biancheng.net"
print(clang.name)
print(clang.add)
程序运行结果为:

C语言中文网
http://c.biancheng.net

上面程序中,CLanguage 将 name 和 add 属性都隐藏了起来,但同时也提供了可操作它们的“窗口”,也就是各自的 setter 和 getter 方法,这些方法都是公有(public)的。

不仅如此,以 add 属性的 setadd() 方法为例,通过在该方法内部添加控制逻辑,即通过调用 startswith() 方法,控制用户输入的地址必须以“http://”开头,否则程序将会执行 raise 语句抛出 ValueError 异常。

有关 raise 的具体用法,后续章节会做详细的讲解,这里可简单理解成,如果用户输入不规范,程序将会报错。

通过此程序的运行逻辑不难看出,通过对 CLanguage 类进行良好的封装,使得用户仅能通过暴露的 setter() 和 getter() 方法操作 name 和 add 属性,而通过对 setname() 和 setadd() 方法进行适当的设计,可以避免用户对类中属性的不合理操作,从而提高了类的可维护性和安全性。

细心的读者可能还发现,CLanguage 类中还有一个 __display() 方法,由于该类方法为私有(private)方法,且该类没有提供操作该私有方法的“窗口”,因此我们无法在类的外部使用它。换句话说,如下调用 __display() 方法是不可行的:
#尝试调用私有的 display() 方法
clang.__display()
这会导致如下错误:

Traceback (most recent call last):
  File "D:\python3.6\1.py", line 33, in <module>
    clang.__display()
AttributeError: 'CLanguage' object has no attribute '__display'

那么,类似 __display() 这样的类方法,就没有办法调用了吗?并非如此,读者在了解《Python封装实现原理》之后,就可以轻松搞定它。

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