Python面试题之Python中的类和实例

0x00 前言 

类，在学习面向对象我们可以把类当成一种规范，这个思想就我个人的体会，感觉很重要，除了封装的功能外，类作为一种规范，我们自己可以定制的规范，从这个角度来看，在以后我们学习设计模式的时候，对设计模式的理解会很有帮助。其次，语言中类是抽象的模板，用来描述具有相同属性和方法的对象的集合，比如Animal类。而实例是根据类创建出来的一个个具体的“对象”，每个对象都拥有相同的方法，但各自的数据可能不同。

Python使用class关键字来定义类，其基本结构如下：

class 类名(父类列表):
    pass

类名通常采用驼峰式命名方式，尽量让字面意思体现出类的作用。Python采用多继承机制，一个类可以同时继承多个父类（也叫基类、超类），继承的基类有先后顺序，写在类名后的圆括号里。继承的父类列表可以为空，此时的圆括号可以省略。但在Python3中，即使你采用类似classStudent:pass的方法没有显式继承任何父类的定义了一个类，它也默认继承object类。因为，object是Python3中所有类的基类。

下面是一个学生类：

class Student:
    classroom = '101'
    address = 'beijing' 

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

    def print_age(self):
        print('%s: %s' % (self.name, self.age))

可以通过调用类的实例化方法（有的语言中也叫初始化方法或构造函数）来创建一个类的实例。默认情况下，使用类似obj=Student()的方式就可以生成一个类的实例。但是，通常每个类的实例都会有自己的实例变量，例如这里的name和age，为了在实例化的时候体现实例的不同，Python提供了一个def__init__(self):的实例化机制。任何一个类中，名字为__init__的方法就是类的实例化方法，具有__init__方法的类在实例化的时候，会自动调用该方法，并传递对应的参数。比如：

class Student:
li = Student("李四", 24)
zhang = Student("张三", 23)

0x01 实例变量和类变量

实例变量：

实例变量指的是实例本身拥有的变量。每个实例的变量在内存中都不一样。Student类中__init__方法里的name和age就是两个实例变量。通过实例名加圆点的方式调用实例变量。

我们打印下面四个变量，可以看到每个实例的变量名虽然一样，但他们保存的值却是各自独立的：

print(li.name)
print(li.age)
print(zhang.name)
print(zhang.age)
------------------------
李四
24
张三
23

类变量：

定义在类中，方法之外的变量，称作类变量。类变量是所有实例公有的变量，每一个实例都可以访问、修改类变量。在Student类中，classroom和address两个变量就是类变量。可以通过类名或者实例名加圆点的方式访问类变量，比如：

Student.classroom
Student.address
li.classroom
zhang.address

在使用实例变量和类变量的时候一定要注意，使用类似zhang.name访问变量的时候，实例会先在自己的实例变量列表里查找是否有这个实例变量，如果没有，那么它就会去类变量列表里找，如果还没有，弹出异常。

Python动态语言的特点，让我们可以随时给实例添加新的实例变量，给类添加新的类变量和方法。因此，在使用li.classroom = '102'的时候，要么是给已有的实例变量classroom重新赋值，要么就是新建一个li专属的实例变量classroom并赋值为‘102’。看下面的例子

>>> class Student:              # 类的定义体
    classroom = '101'           # 类变量
    address = 'beijing'

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

    def print_age(self):
        print('%s: %s' % (self.name, self.age))

>>> li = Student("李四", 24)        # 创建一个实例
>>> zhang = Student("张三", 23)     # 创建第二个实例
>>> li.classroom # li本身没有classroom实例变量，所以去寻找类变量，它找到了！
'101'
>>> zhang.classroom # 与li同理
'101'
>>> Student.classroom   # 通过类名访问类变量
'101'
>>> li.classroom = '102'    # 关键的一步！实际是为li创建了独有的实例变量，只不过名字和类变量一样，都叫做classroom。
>>> li.classroom    # 再次访问的时候，访问到的是li自己的实例变量classroom
'102'
>>> zhang.classroom # zhang没有实例变量classroom，依然访问类变量classroom
'101'
>>> Student.classroom   # 保持不变
'101'
>>> del li.classroom    # 删除了li的实例变量classroom
>>> li.classroom        # 一切恢复了原样
'101'
>>> zhang.classroom
'101'
>>> Student.classroom
'101'

0x03 类的方法

Python的类中包含实例方法、静态方法和类方法三种方法。这些方法无论是在代码编排中还是内存中都归属于类，区别在于传入的参数和调用方式不同。在类的内部，使用def关键字来定义一个方法。

实例方法

类的实例方法由实例调用，至少包含一个self参数，且为第一个参数。执行实例方法时，会自动将调用该方法的实例赋值给self。self代表的是类的实例，而非类本身。self不是关键字，而是Python约定成俗的命名，你完全可以取别的名字，但不建议这么做。

例如，我们前面Student类中的print_age()就是实例方法：

def print_age(self):
        print('%s: %s' % (self.name, self.age))

# --------------------------
# 调用方法
li.print_age()
zhang.print_age()

静态方法

静态方法由类调用，无默认参数。将实例方法参数中的self去掉，然后在方法定义上方加上@staticmethod，就成为静态方法。它属于类，和实例无关。建议只使用类名.静态方法的调用方式。（虽然也可以使用实例名.静态方法的方式调用）

class Foo:

    @staticmethod
    def static_method():
        pass

#调用方法
Foo.static_method()

类方法

类方法由类调用，采用@classmethod装饰，至少传入一个cls（代指类本身，类似self）参数。执行类方法时，自动将调用该方法的类赋值给cls。建议只使用类名.类方法的调用方式。（虽然也可以使用实例名.类方法的方式调用）

class Foo:

    @classmethod
    def class_method(cls):
        pass

Foo.class_method()

看一个综合例子：

class Foo: 

    def __init__(self, name):
        self.name = name 

    def ord_func(self):
        """定义实例方法，至少有一个self参数 """
        print('实例方法')

    @classmethod
    def class_func(cls):
        """ 定义类方法，至少有一个cls参数 """
        print('类方法')

    @staticmethod
    def static_func():
        """ 定义静态方法 ，无默认参数"""
        print('静态方法') 
# 调用实例方法
f = Foo("Jack")
f.ord_func()
Foo.ord_func(f) # 请注意这种调用方式，虽然可行，但建议不要这么做！

# 调用类方法
Foo.class_func()
f.class_func()  # 请注意这种调用方式，虽然可行，但建议不要这么做！

# 调用静态方法
Foo.static_func()
f.static_func() # 请注意这种调用方式，虽然可行，但建议不要这么做！

0x04 类、类的方法、类变量、类的实例和实例变量在内存中是如何保存的

类、类的所有方法以及类变量在内存中只有一份，所有的实例共享它们。而每一个实例都在内存中独立的保存自己和自己的实例变量。

创建实例时，实例中除了封装诸如name和age的实例变量之外，还会保存一个类对象指针，该值指向实例所属的类的地址。因此，实例可以寻找到自己的类，并进行相关调用，而类无法寻找到自己的某个实例。

0x05 Python 类的继承

在ptyhon中类一个类是可以同时继承多个类，语法：

class 类名(父类1,父类2,...)

类体

Python类继承之深度优先

python 支持多继承，但对与经典类和新式类来说，多继承查找的顺序是不一样的。

经典类：

class P1: 
     def foo(self):           
         print 'p1-foo' 

class P2 : 
     def foo(self): 
         print 'p2-foo' 

     def bar(self): 
         print 'p2-bar' 

class C1 (P1,P2): 
     pass  

class C2 (P1,P2): 
     def bar(self): 
         print 'C2-bar'   

class D(C1,C2): 
     pass 

实例d调用foo()时，搜索顺序是 D => C1 => P1

实例d调用bar()时，搜索顺序是 D => C1 => P1 => P2

换句话说，经典类的搜索方式是按照“从左至右，深度优先”的方式去查找属性。d先查找自身是否有foo方法，没有则查找最近的父类C1里是否有该方法，如果没有则继续向上查找，直到在P1中找到该方法，查找结束。

Python类继承之广度优先

新式类：

class P1(object): 
     def foo(self):           
         print 'p1-foo' 

class P2(object):
     def foo(self): 
         print 'p2-foo' 

     def bar(self): 
         print 'p2-bar' 

class C1 (P1,P2): 
     pass  

class C2 (P1,P2): 
     def bar(self): 
         print 'C2-bar'   

class D(C1,C2): 
     pass 

实例d调用foo()时，搜索顺序是 D => C1 => C2 => P1
实例d调用bar()时，搜索顺序是 D => C1 => C2
可以看出，新式类的搜索方式是采用“广度优先”的方式去查找属性。

参考