第十五天：Python 進階 - 物件導向程式設計 (OOP) 基礎

內容概述：

今天我們將進入 Python 的進階主題之一：物件導向程式設計（OOP）。這是現代程式設計中一個非常重要的概念。OOP 不僅能夠提升代碼的結構化與可維護性，還能讓我們更好地模擬現實世界中的物件與行為。

一、什麼是物件導向程式設計？

物件導向程式設計 是一種以物件（Objects）為核心的程式設計方法。物件是某一類型的實例，它們有自己的屬性（Attributes）和方法（Methods），可以看作是現實世界中的具體實體。這種設計方式幫助我們將程式劃分為許多不同的「物件」，每個物件都負責不同的功能。

二、OOP 中的四個核心概念

在 OOP 中，有四個關鍵概念需要理解：

1. 類別（Class）：

   • 類別是一個藍圖，用來定義某種物件的屬性與行為。可以把它看作是模板。

2. 物件（Object）：

   • 物件是類別的具體實例。你可以創建多個不同的物件，它們共享類別的結構，但每個物件都可以有自己獨立的數據。

3. 封裝（Encapsulation）：

   • 將物件的數據和方法保護起來，使外部無法直接訪問和修改，增加了程式的安全性。

4. 繼承（Inheritance）：

   • 一個類別可以從另一個類別繼承屬性和方法，減少代碼重複，提升程式的可維護性。

三、Python 中的類別與物件

1. 定義類別

• 在 Python 中，類別的定義使用 class 關鍵字：

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

2. 創建物件

• 創建物件需要呼叫類別並提供初始化的參數：

  my_dog = Dog("Buddy", 5)
  print(my_dog.name)  # 輸出：Buddy
  print(my_dog.age)   # 輸出：5
  my_dog.bark()       # 輸出：Buddy is barking!
  

3. 屬性和方法

• 屬性 是物件的狀態，如上例中的 name 和 age。
• 方法 是物件的行為，像 bark() 方法讓狗「叫」。

4. 修改屬性

• 可以直接修改屬性的值：

  my_dog.age = 6  # 更新年齡
  print(my_dog.age)  # 輸出：6
  

四、封裝的概念

封裝讓物件的內部狀態（屬性）不可直接從外部訪問，只能通過指定的方法來間接修改或讀取。

1. 將屬性設為私有

• 使用雙下劃線 __ 來定義私有屬性：

  class Cat:
      def __init__(self, name, age):
          self.__name = name  # 私有屬性
          self.age = age
  
      def get_name(self):
          return self.__name
  
      def set_name(self, name):
          self.__name = name
  

• 可以通過 get_name() 和 set_name() 方法來訪問或更新 __name 屬性。

  my_cat = Cat("Whiskers", 3)
  print(my_cat.get_name())  # 輸出：Whiskers
  my_cat.set_name("Felix")
  print(my_cat.get_name())  # 輸出：Felix
  

五、繼承的概念

繼承可以讓我們從一個現有的類別中創建新的類別，並且可以在此基礎上擴展功能。

1. 繼承的基本語法

• 定義一個類別並從另一個類別繼承：

  class Animal:
      def __init__(self, name):
          self.name = name
  
      def make_sound(self):
          print(f"{self.name} is making a sound.")
  
  class Dog(Animal):  # Dog 繼承自 Animal
      def bark(self):
          print(f"{self.name} is barking!")
  

2. 使用繼承的類別

• Dog 繼承了 Animal 的屬性和方法，並且擴展了 bark() 方法：

  my_dog = Dog("Buddy")
  my_dog.make_sound()  # 輸出：Buddy is making a sound.
  my_dog.bark()        # 輸出：Buddy is barking!
  

3. 方法重寫（Overriding）

• 在繼承中，可以重寫父類的方法，提供子類自己的實現：

  class Dog(Animal):
      def make_sound(self):
          print(f"{self.name} is barking!")
  

六、實作範例

範例 1：創建一個簡單的類別

• 我們來創建一個表示學生的類別，這個類別包含學生的名字、年齡和學號：

  class Student:
      def __init__(self, name, age, student_id):
          self.name = name
          self.age = age
          self.student_id = student_id
  
      def display_info(self):
          print(f"學生：{self.name}, 年齡：{self.age}, 學號：{self.student_id}")
  
  # 創建學生物件
  student1 = Student("Alice", 20, "A001")
  student1.display_info()  # 輸出：學生：Alice, 年齡：20, 學號：A001
  

範例 2：繼承與擴展

• 創建一個老師類別，繼承自學生類別，並增加職稱屬性：

  class Teacher(Student):
      def __init__(self, name, age, student_id, title):
          super().__init__(name, age, student_id)
          self.title = title
  
      def display_info(self):
          print(f"老師：{self.name}, 年齡：{self.age}, 學號：{self.student_id}, 職稱：{self.title}")
  
  teacher1 = Teacher("Bob", 35, "T001", "教授")
  teacher1.display_info()  # 輸出：老師：Bob, 年齡：35, 學號：T001, 職稱：教授
  

七、練習與實作

練習 1：建立自己的類別

• 建立一個類別來表示一本書，包含書名、作者和價格，並創建兩個不同的書籍物件來練習。

練習 2：繼承與方法重寫

• 建立一個類別表示車輛，再繼承它創建一個汽車類別，並擴展汽車的功能，比如增加速度屬性。

解答：

練習 1：建立自己的類別

這個練習要求建立一個類別來表示書籍，並包含書名、作者和價格等屬性，然後創建兩個不同的書籍物件。

# 建立 Book 類別
class Book:
    def __init__(self, title, author, price):
        self.title = title
        self.author = author
        self.price = price
    
    def display_info(self):
        print(f"書名: {self.title}, 作者: {self.author}, 價格: {self.price}元")

# 創建兩個書籍物件
book1 = Book("Python 程式設計", "張三", 450)
book2 = Book("數據科學導論", "李四", 550)

# 顯示書籍資訊
book1.display_info()
book2.display_info()

解釋：

• __init__()：類別的建構子，用來初始化每個物件的屬性，如書名、作者和價格。
• display_info()：自訂方法，用於輸出書籍的基本資訊。
• 兩個書籍物件：book1 和 book2 是兩個不同的 Book 物件，展示了如何用這個類別來創建不同的書籍。

練習 2：繼承與方法重寫

這個練習要求建立一個基礎的車輛類別，並繼承它創建一個汽車類別，擴展汽車功能，例如增加速度屬性。

# 基礎的車輛類別
class Vehicle:
    def __init__(self, brand, model):
        self.brand = brand
        self.model = model
    
    def display_info(self):
        print(f"品牌: {self.brand}, 型號: {self.model}")

# 繼承 Vehicle 類別的汽車類別
class Car(Vehicle):
    def __init__(self, brand, model, speed):
        super().__init__(brand, model)  # 呼叫父類別的建構子
        self.speed = speed  # 新增速度屬性
    
    # 重寫 display_info 方法，擴展功能
    def display_info(self):
        super().display_info()  # 使用父類別的 display_info 方法
        print(f"速度: {self.speed} km/h")

# 創建一個汽車物件
car = Car("Toyota", "Corolla", 180)

# 顯示汽車資訊
car.display_info()

解釋：

• 繼承 (class Car(Vehicle))：Car 類別繼承了 Vehicle 類別，擁有 Vehicle 的屬性和方法。
• super()：用來呼叫父類別的 __init__() 和其他方法，確保父類別的功能被保留並擴展。
• 方法重寫 (display_info())：在 Car 類別中重寫了 Vehicle 的 display_info() 方法，並添加了汽車的速度資訊。

這兩個練習幫助你熟悉類別的基本概念、物件創建、繼承與方法重寫等面向對象程式設計的關鍵概念。

八、學習總結

今天我們深入學習了物件導向程式設計的基礎，包括類別、物件、封裝和繼承等核心概念。OOP 提供了一個強大且靈活的工具來組織和管理程式碼，讓我們能夠構建更具結構性和可維護性的應用程式。

下一堂課預告

第十六天：使用 Python 進行網頁抓取（Web Scraping）