第十二天：Python 物件導向程式設計（OOP）基礎

內容概述：

今天我們將進入 Python 中的物件導向程式設計（Object-Oriented Programming, OOP）。這是一種程式設計範式，允許我們使用「物件」來封裝數據和操作，並通過類別來設計可重用的程式結構。物件導向程式設計在現代軟體開發中非常重要，透過它可以使程式更具結構性、可讀性及擴展性。

一、什麼是物件導向？

1. 基本概念

   • 物件導向程式設計基於「物件」和「類別」。
     • 類別（Class） 是一種設計圖，定義了物件的屬性和行為。
     • 物件（Object） 是類別的實例化結果，代表具體的實體。
   • 每個物件包含屬性（attributes）和方法（methods）。屬性是物件的狀態，方法是物件的行為。

2. OOP 的主要特性

   • 封裝（Encapsulation）：將資料和行為封裝在一起，透過物件的接口對外提供操作。
   • 繼承（Inheritance）：允許新類別從現有類別繼承屬性和行為，實現重用。
   • 多型（Polymorphism）：不同類別可以實現相同的方法，並表現不同的行為。
   • 抽象（Abstraction）：將物件的細節隱藏，僅保留必要的接口。

二、定義類別與物件

1. 如何定義一個類別

   • 使用 class 關鍵字來定義類別：

     class Dog:
         def __init__(self, name, age):
             self.name = name  # 定義屬性
             self.age = age
     
         def bark(self):
             print(f"{self.name} is barking.")  # 定義方法
     

2. 創建物件

   • 要創建物件，可以將類別實例化：

     my_dog = Dog("Buddy", 5)  # 創建一個 Dog 類別的物件
     print(my_dog.name)        # 訪問物件屬性
     my_dog.bark()             # 調用物件的方法
     

三、類別的構造方法 __init__

1. 構造方法介紹

   • __init__ 是類別的構造方法，用於在創建物件時初始化屬性：

     class Car:
         def __init__(self, brand, model, year):
             self.brand = brand
             self.model = model
             self.year = year
     
         def description(self):
             return f"{self.year} {self.brand} {self.model}"
     

2. 實例化與使用屬性

   • 創建 Car 類別的物件並訪問屬性：

     my_car = Car("Toyota", "Corolla", 2020)
     print(my_car.description())  # 2020 Toyota Corolla
     

四、方法與屬性

1. 實例方法

   • 實例方法是定義在類別內部，且需要物件來呼叫的函式。這些方法會操作物件的屬性：

     class Person:
         def __init__(self, name, age):
             self.name = name
             self.age = age
     
         def greet(self):
             print(f"Hello, my name is {self.name} and I am {self.age} years old.")
     

2. 類別屬性與實例屬性

   • 類別屬性是在類別級別定義的屬性，所有實例共享；實例屬性則是每個物件各自擁有的：

     class Employee:
         company = "TechCorp"  # 類別屬性
     
         def __init__(self, name):
             self.name = name  # 實例屬性
     

3. 改變屬性

   • 可以在物件創建後修改其屬性：

     employee = Employee("Alice")
     employee.name = "Bob"  # 修改實例屬性
     

五、繼承與多型

1. 繼承：重用現有類別

   • 新的類別可以繼承現有的類別，獲得其屬性與方法：

     class Animal:
         def __init__(self, name):
             self.name = name
     
         def sound(self):
             pass
     
     class Dog(Animal):
         def sound(self):
             return "Woof"
     
     class Cat(Animal):
         def sound(self):
             return "Meow"
     

2. 多型：實現相同方法的不同行為

   • 不同的類別可以有相同名稱的方法，但行為不同：

     animals = [Dog("Buddy"), Cat("Whiskers")]
     
     for animal in animals:
         print(f"{animal.name} says {animal.sound()}")
     

六、物件導向設計的應用場景

1. 遊戲開發

   • 物件導向非常適合模擬遊戲中的角色與場景。每個角色或物件可以是具體的實體，並具有各自的屬性與行為。

2. 數據模型

   • 物件導向可以幫助我們封裝業務邏輯和數據。例如在網頁開發中，每個使用者可以是一個物件，包含名稱、年齡、電子郵件等資訊。

3. 軟體設計模式

   • 許多設計模式（如單例模式、工廠模式等）基於物件導向的思想，可以提升程式的擴展性和可維護性。

七、實作範例

1. 範例 1：動物類別繼承與多型

   • 撰寫一個基礎類別 Animal，並從中派生出不同的動物類別（如 Dog、Cat）。讓每個動物類別都有自己特有的聲音方法，並創建一些動物物件來呼叫這些方法。

     class Animal:
         def __init__(self, name):
             self.name = name
     
         def sound(self):
             pass
     
     class Dog(Animal):
         def sound(self):
             return "Woof"
     
     class Cat(Animal):
         def sound(self):
             return "Meow"
     
     # 創建物件
     dog = Dog("Buddy")
     cat = Cat("Whiskers")
     
     # 調用方法
     print(f"{dog.name} says {dog.sound()}")
     print(f"{cat.name} says {cat.sound()}")
     

2. 範例 2：簡易銀行系統

   • 設計一個簡單的銀行系統，包含帳戶類別 Account，實現存款、取款、查詢餘額等功能：

     class Account:
         def __init__(self, owner, balance=0):
             self.owner = owner
             self.balance = balance
     
         def deposit(self, amount):
             self.balance += amount
             return f"{amount} deposited. New balance: {self.balance}"
     
         def withdraw(self, amount):
             if amount > self.balance:
                 return "Insufficient funds"
             self.balance -= amount
             return f"{amount} withdrawn. New balance: {self.balance}"
     
         def get_balance(self):
             return f"Account owner: {self.owner}, Balance: {self.balance}"
     
     # 創建帳戶
     acc = Account("Alice", 1000)
     
     # 存款與取款操作
     print(acc.deposit(500))
     print(acc.withdraw(200))
     print(acc.get_balance())
     

八、練習與實作

練習 1：類別與物件

• 創建一個類別 Student，包含學生的姓名和成績。撰寫方法來輸出學生的基本資料和計算平均成績。

練習 2：多型練習

• 設計一個程式，讓不同的動物類別實現相同的 speak() 方法，並根據不同的動物輸出不同的叫聲。

練習 3：銀行系統擴展

• 基於上面的銀行系統範例，為帳戶添加功能，允許不同帳戶之間轉帳。

解答

練習 1：類別與物件

目標：創建一個 Student 類別，並包含學生的姓名和成績。撰寫方法來輸出學生的基本資料和計算平均成績。

class Student:
    def __init__(self, name, grades):
        self.name = name
        self.grades = grades  # 成績列表
    
    def display_info(self):
        print(f"學生姓名: {self.name}")
        print(f"成績: {self.grades}")
    
    def calculate_average(self):
        if len(self.grades) > 0:
            return sum(self.grades) / len(self.grades)
        else:
            return 0

# 測試程式
student1 = Student("張三", [90, 85, 88, 92])
student1.display_info()
print(f"平均成績: {student1.calculate_average():.2f}")

解釋：

• __init__：初始化方法，用來在創建物件時設定學生的姓名和成績。
• display_info：輸出學生的基本資料。
• calculate_average：計算並返回學生成績的平均值。

練習 2：多型練習

目標：設計一個程式，讓不同的動物類別實現相同的 speak() 方法，並根據不同的動物輸出不同的叫聲。

class Animal:
    def speak(self):
        raise NotImplementedError("子類別必須實作這個方法")

class Dog(Animal):
    def speak(self):
        return "汪汪!"

class Cat(Animal):
    def speak(self):
        return "喵喵!"

class Cow(Animal):
    def speak(self):
        return "哞哞!"

# 測試程式
animals = [Dog(), Cat(), Cow()]

for animal in animals:
    print(f"{animal.__class__.__name__} 叫聲: {animal.speak()}")

解釋：

• 多型（Polymorphism）：不同的動物類別都繼承了 Animal 類別並實現了 speak() 方法，根據不同的動物實現各自的叫聲。
• __class__.__name__：用來取得物件的類別名稱，便於顯示是什麼動物。

練習 3：銀行系統擴展

目標：基於先前的銀行系統，為帳戶添加轉帳功能，使不同帳戶之間能夠進行轉帳。

class BankAccount:
    def __init__(self, owner, balance=0):
        self.owner = owner
        self.balance = balance
    
    def deposit(self, amount):
        if amount > 0:
            self.balance += amount
            print(f"{self.owner} 存入 {amount} 元，餘額為 {self.balance} 元")
        else:
            print("存入金額無效。")

    def withdraw(self, amount):
        if 0 < amount <= self.balance:
            self.balance -= amount
            print(f"{self.owner} 提取 {amount} 元，餘額為 {self.balance} 元")
        else:
            print("餘額不足或無效的取款金額。")
    
    def transfer(self, recipient, amount):
        if self.balance >= amount > 0:
            self.balance -= amount
            recipient.balance += amount
            print(f"{self.owner} 向 {recipient.owner} 轉帳 {amount} 元")
            print(f"{self.owner} 餘額: {self.balance} 元")
            print(f"{recipient.owner} 餘額: {recipient.balance} 元")
        else:
            print("轉帳失敗，餘額不足或無效金額。")

# 測試程式
account1 = BankAccount("張三", 1000)
account2 = BankAccount("李四", 500)

account1.transfer(account2, 300)

解釋：

• transfer：這是新增的轉帳功能，允許將指定金額從一個帳戶轉移到另一個帳戶。該功能首先會檢查轉帳者是否有足夠的餘額，然後才進行轉帳。

九、學習總結

物件導向程式設計是軟體開發中的一個核心概念，透過類別和物件，我們可以將程式模組化、結構化，使其更具維護性和可擴展性。在學習物件導向時，理解類別、物件、屬性、方法以及 OOP 的四大特性（封裝、繼承、多型、抽象）非常重要。希望今天的課程能夠幫助大家打下堅實的基礎，讓未來的專案開發更加順利。

下一堂課預告

第十三天：進階 Python：錯誤處理與例外管理