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## 第18课：面向对象编程应用
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面向对象编程对初学者来说不难理解但很难应用，虽然我们为大家总结过面向对象的三步走方法（定义类、创建对象、给对象发消息），但是说起来容易做起来难。**大量的编程练习**和**阅读优质的代码**可能是这个阶段最能够帮助到大家的两件事情。接下来我们还是通过经典的案例来剖析面向对象编程的知识，同时也通过这些案例为大家讲解如何运用之前学过的Python知识。
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### 经典案例
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#### 案例1：扑克游戏。
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> **说明**：简单起见，我们的扑克只有52张牌（没有大小王），游戏需要将52张牌发到4个玩家的手上，每个玩家手上有13张牌，按照黑桃、红心、草花、方块的顺序和点数从小到大排列，暂时不实现其他的功能。
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使用面向对象编程方法，首先需要从问题的需求中找到对象并抽象出对应的类，此外还要找到对象的属性和行为。当然，这件事情并不是特别困难，我们可以从需求的描述中找出名词和动词，名词通常就是对象或者是对象的属性，而动词通常是对象的行为。扑克游戏中至少应该有三类对象，分别是牌、扑克和玩家，牌、扑克、玩家三个类也并不是孤立的。类和类之间的关系可以粗略的分为**is-a关系（继承）**、**has-a关系（关联）**和**use-a关系（依赖）**。很显然扑克和牌是has-a关系，因为一副扑克有（has-a）52张牌；玩家和牌之间不仅有关联关系还有依赖关系，因为玩家手上有（has-a）牌而且玩家使用了（use-a）牌。
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牌的属性显而易见，有花色和点数。我们可以用0到3的四个数字来代表四种不同的花色，但是这样的代码可读性会非常糟糕，因为我们并不知道黑桃、红心、草花、方块跟0到3的数字的对应关系。如果一个变量的取值只有有限多个选项，我们可以使用枚举。与C、Java等语言不同的是，Python中没有声明枚举类型的关键字，但是可以通过继承`enum`模块的`Enum`类来创建枚举类型，代码如下所示。
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```Python
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from enum import Enum
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class Suite(Enum):
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"""花色(枚举)"""
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SPADE, HEART, CLUB, DIAMOND = range(4)
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```
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通过上面的代码可以看出，定义枚举类型其实就是定义符号常量，如`SPADE`、`HEART`等。每个符号常量都有与之对应的值，这样表示黑桃就可以不用数字`0`，而是用`Suite.SPADE`；同理，表示方块可以不用数字`3`， 而是用`Suite.DIAMOND`。注意，使用符号常量肯定是优于使用字面常量的，因为能够读懂英文就能理解符号常量的含义，代码的可读性会提升很多。Python中的枚举类型是可迭代类型，简单的说就是可以将枚举类型放到`for-in`循环中，依次取出每一个符号常量及其对应的值，如下所示。
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```Python
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for suite in Suite:
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print(f'{suite}: {suite.value}')
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```
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接下来我们可以定义牌类。
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```Python
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class Card:
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"""牌"""
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def __init__(self, suite, face):
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self.suite = suite
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self.face = face
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def __repr__(self):
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suites = '♠♥♣♦'
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faces = ['', 'A', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', '10', 'J', 'Q', 'K']
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# 根据牌的花色和点数取到对应的字符
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return f'{suites[self.suite.value]}{faces[self.face]}'
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```
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可以通过下面的代码来测试下`Card`类。
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```Python
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card1 = Card(Suite.SPADE, 5)
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card2 = Card(Suite.HEART, 13)
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print(card1, card2) # ♠5 ♥K
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```
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接下来我们定义扑克类。
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```Python
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import random
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class Poker:
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"""扑克"""
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def __init__(self):
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# 通过列表的生成式语法创建一个装52张牌的列表
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self.cards = [Card(suite, face) for suite in Suite
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for face in range(1, 14)]
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# current属性表示发牌的位置
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self.current = 0
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def shuffle(self):
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"""洗牌"""
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self.current = 0
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# 通过random模块的shuffle函数实现列表的随机乱序
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random.shuffle(self.cards)
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def deal(self):
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"""发牌"""
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card = self.cards[self.current]
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self.current += 1
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return card
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@property
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def has_next(self):
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"""还有没有牌可以发"""
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return self.current < len(self.cards)
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```
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可以通过下面的代码来测试下`Poker`类。
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```Python
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poker = Poker()
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poker.shuffle()
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print(poker.cards)
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```
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定义玩家类。
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```Python
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class Player:
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"""玩家"""
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def __init__(self, name):
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self.name = name
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self.cards = []
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def get_one(self, card):
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"""摸牌"""
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self.cards.append(card)
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def arrange(self):
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self.cards.sort()
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```
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创建四个玩家并将牌发到玩家的手上。
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```Python
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poker = Poker()
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poker.shuffle()
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players = [Player('东邪'), Player('西毒'), Player('南帝'), Player('北丐')]
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for _ in range(13):
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for player in players:
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player.get_one(poker.deal())
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for player in players:
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player.arrange()
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print(f'{player.name}: ', end='')
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print(player.cards)
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```
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执行上面的代码会在`player.arrange()`那里出现异常，因为`Player`的`arrange`方法使用了列表的`sort`对玩家手上的牌进行排序，排序需要比较两个`Card`对象的大小，而`<`运算符又不能直接作用于`Card`类型，所以就出现了`TypeError`异常，异常消息为：`'<' not supported between instances of 'Card' and 'Card'`。
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为了解决这个问题，我们可以对`Card`类的代码稍作修改，使得两个`Card`对象可以直接用`<`进行大小的比较。这里用到技术叫**运算符重载**，Python中要实现对`<`运算符的重载，需要在类中添加一个名为`__lt__`的魔术方法。很显然，魔术方法`__lt__`中的`lt`是英文单词“less than”的缩写，以此类推，魔术方法`__gt__`对应`>`运算符，魔术方法`__le__`对应`<=`运算符，`__ge__`对应`>=`运算符，`__eq__`对应`==`运算符，`__ne__`对应`!=`运算符。
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修改后的`Card`类代码如下所示。
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```Python
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class Card:
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"""牌"""
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def __init__(self, suite, face):
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self.suite = suite
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self.face = face
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def __repr__(self):
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suites = '♠♥♣♦'
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faces = ['', 'A', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', '10', 'J', 'Q', 'K']
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# 根据牌的花色和点数取到对应的字符
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return f'{suites[self.suite.value]}{faces[self.face]}'
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def __lt__(self, other):
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# 花色相同比较点数的大小
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if self.suite == other.suite:
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return self.face < other.face
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# 花色不同比较花色对应的值
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return self.suite.value < other.suite.value
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>**说明：** 大家可以尝试在上面代码的基础上写一个简单的扑克游戏，如21点游戏（Black Jack），游戏的规则可以自己在网上找一找。
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#### 案例2：工资结算系统。
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> **要求**：某公司有三种类型的员工，分别是部门经理、程序员和销售员。需要设计一个工资结算系统，根据提供的员工信息来计算员工的月薪。其中，部门经理的月薪是固定15000元；程序员按工作时间（以小时为单位）支付月薪，每小时200元；销售员的月薪由1800元底薪加上销售额5%的提成两部分构成。
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通过对上述需求的分析，可以看出部门经理、程序员、销售员都是员工，有相同的属性和行为，那么我们可以先设计一个名为`Employee`的父类，再通过继承的方式从这个父类派生出部门经理、程序员和销售员三个子类。很显然，后续的代码不会创建`Employee` 类的对象，因为我们需要的是具体的员工对象，所以这个类可以设计成专门用于继承的抽象类。Python中没有定义抽象类的关键字，但是可以通过`abc`模块中名为`ABCMeta` 的元类来定义抽象类。关于元类的知识，后面的课程中会有专门的讲解，这里不用太纠结这个概念，记住用法即可。
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```Python
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from abc import ABCMeta, abstractmethod
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class Employee(metaclass=ABCMeta):
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"""员工"""
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def __init__(self, name):
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self.name = name
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@abstractmethod
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def get_salary(self):
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"""结算月薪"""
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pass
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```
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在上面的员工类中，有一个名为`get_salary`的方法用于结算月薪，但是由于还没有确定是哪一类员工，所以结算月薪虽然是员工的公共行为但这里却没有办法实现。对于暂时无法实现的方法，我们可以使用`abstractmethod`装饰器将其声明为抽象方法，所谓**抽象方法就是只有声明没有实现的方法**，**声明这个方法是为了让子类去重写这个方法**。接下来的代码展示了如何从员工类派生出部门经理、程序员、销售员这三个子类以及子类如何重写父类的抽象方法。
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```Python
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class Manager(Employee):
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"""部门经理"""
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def get_salary(self):
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return 15000.0
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class Programmer(Employee):
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"""程序员"""
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def __init__(self, name, working_hour=0):
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super().__init__(name)
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self.working_hour = working_hour
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def get_salary(self):
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return 200 * self.working_hour
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class Salesman(Employee):
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"""销售员"""
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def __init__(self, name, sales=0):
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super().__init__(name)
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self.sales = sales
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def get_salary(self):
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return 1800 + self.sales * 0.05
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```
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上面的`Manager`、`Programmer`、`Salesman`三个类都继承自`Employee`，三个类都分别重写了`get_salary`方法。**重写就是子类对父类已有的方法重新做出实现**。相信大家已经注意到了，三个子类中的`get_salary`各不相同，所以这个方法在程序运行时会产生**多态行为**，多态简单的说就是**调用相同的方法**，**不同的子类对象做不同的事情**。
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我们通过下面的代码来完成这个工资结算系统，由于程序员和销售员需要分别录入本月的工作时间和销售额，所以在下面的代码中我们使用了Python内置的`isinstance`函数来判断员工对象的类型。我们之前讲过的`type`函数也能识别对象的类型，但是`isinstance`函数更加强大，因为它可以判断出一个对象是不是某个继承结构下的子类型，你可以简答的理解为`type`函数是对对象类型的精准匹配，而`isinstance`函数是对对象类型的模糊匹配。
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```Python
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emps = [
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Manager('刘备'), Programmer('诸葛亮'), Manager('曹操'),
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Programmer('荀彧'), Salesman('吕布'), Programmer('张辽'),
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]
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for emp in emps:
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if isinstance(emp, Programmer):
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emp.working_hour = int(input(f'请输入{emp.name}本月工作时间: '))
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elif isinstance(emp, Salesman):
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emp.sales = float(input(f'请输入{emp.name}本月销售额: '))
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print(f'{emp.name}本月工资为: ￥{emp.get_salary():.2f}元')
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```
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### 简单的总结
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面向对象的编程思想非常的好，也符合人类的正常思维习惯，但是要想灵活运用面向对象编程中的抽象、封装、继承、多态需要长时间的积累和沉淀，这件事情无法一蹴而就，属于“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”的东西。
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