【Python单点知识】类成员汇总讲解——包含类方法、静态方法、私有成员说明

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0. 前言

按照国际惯例，首先声明：本文只是我自己学习的理解，虽然参考了他人的宝贵见解及成果，但是内容可能存在不准确的地方。如果发现文中错误，希望批评指正，共同进步。

本文通过实例介绍Python中的类的成员，包括各种常用和不太常用的属性、方法等。

1. 属性（Attributes）

1.1 类属性（Class Attributes）

在类级别定义的变量，所有类的实例共享同一个类变量的存储空间，修改其中一个实例的类变量会影响其他所有实例。

class MyClass:
    class_var = "This is a class variable"

# 创建实例
instance1 = MyClass()
instance2 = MyClass()
print(instance1.class_var)  # 输出: This is a class variable
print(instance2.class_var)  # 输出相同的值

# 改变类变量会影响到所有实例
MyClass.class_var = "New value"
print(instance1.class_var)  # 输出: New value

1.2 实例属性（Instance Attributes）

在类的__init__方法或其他实例方法中定义的变量，每个实例都有自己独立的一份存储空间，互不影响。

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

person1 = Person("Alice")
person2 = Person("Bob")
print(person1.name)  # 输出: Alice
print(person2.name)  # 输出: Bob

2. 方法（Methods）

2.1 实例方法（Instance Methods）

这些方法通常用来操作或计算基于实例变量的值，并且总是接收一个隐含的self参数，指向调用方法的实例本身。

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

    def introduce_self(self):
        print(f"My name is {self.name}")

p = Person("Charlie")
p.introduce_self()  # 输出: My name is Charlie

2.2 类方法（Class Methods）

类方法是定义在类内部，但与类自身相关而非特定实例相关的一种特殊方法。类方法的主要特征在于其使用了@classmethod装饰器，并且其第一个参数通常是cls（虽然也可以使用其他名称，但cls是约定俗成的），代表的是调用该方法的类对象本身。类方法能够直接通过类来调用，无需事先创建类的实例。

当某个操作依赖于类的属性或行为，而不是特定实例的状态时，使用类方法更为合适。它允许直接操作类层次上的数据或行为，而不需要通过实例来间接访问。

class MyClass:
 @classmethod
 def my_class_method(cls, arg):
     return f"Called by {cls.__name__} with arg: {arg}"

# 直接通过类调用
result = MyClass.my_class_method("hello")
print(result)  # 输出: Called by MyClass with arg: hello

# 通过实例调用
instance = MyClass()
result = instance.my_class_method("world")
print(result)  # 输出: Called by MyClass with arg: world

2.3 静态方法（Static Methods）

使用@staticmethod装饰器标记的方法，不接受self或cls作为参数，它们与类或实例无关，只是简单地将函数组织到类的命名空间中。

下面是一个使用Python静态方法的实例：

class MathUtils:
    """
    一个包含数学实用方法的类，其中包含一个静态方法。
    """
    @staticmethod
    def gcd(a, b):
        input_a = a
        input_b = b
        while b:
            a, b = b, a % b
        print(f"The GCD of {input_a} and {input_b} is {a}.")
        return a

    # 其他类方法和实例方法可以在这里定义...

# 使用静态方法的示例
result = MathUtils.gcd(9, 18)   #输出 “The GCD of 9 and 18 is 9.”


# # 也可以通过类的实例调用静态方法，尽管这通常并不推荐！因为静态方法与实例无关
math_utils_instance = MathUtils()
another_result = math_utils_instance.gcd(24,12)  #输出“The GCD of 24 and 12 is 12.”

在这个例子中，我们定义了一个名为MathUtils的类，它包含一个静态方法gcd：基于辗转相除法计算两个整数的最大公约数。静态方法使用@staticmethod装饰器进行标识。由于gcd方法与类的实例无关，不需要访问或修改实例状态，因此适合用静态方法实现。

调用静态方法时，可以直接通过类名MathUtils.gcd()来调用，无需创建类的实例。尽管如此，静态方法也可以通过类的实例来调用，如math_utils_instance.gcd()，但这并不是静态方法设计意图的优势所在，且可能会使代码的意图不够清晰。通常，最好直接通过类名调用静态方法，以明确表明该方法与实例无关。

2.4 魔术方法（Magic Methods）

Python中自带的前后都以双下划线__装饰的方法为魔术方法，形如__init__()。此前已经专门介绍过，不再重复：Python中魔术方法汇总

3. 私有成员（Private Members）

Python 中的私有成员是指在类定义中，通过特殊命名约定标记为仅对类内部可见的属性（变量）和方法。这些成员旨在限制外部访问和修改，以增强代码的封装性和数据安全性。Python 使用两种常见的命名约定来实现私有性：

3.1 双下划线前缀 (__)

在 Python 中，将属性或方法名前缀为两个下划线 (__) 是最常用的标记私有成员的方式。当 Python 解释器遇到这样的名字时，它会执行一种称为 名称修饰（name mangling） 的过程，即将原始名字更改为一个类似 _ClassName__private_name 的形式。这种修改后的名字在外部不易被直接访问，从而实现了某种程度的私有性。

例如：

class MyClass:
    def __init__(self):
        self.__private_attribute = "This is private"

    def __private_method(self):
        print("This is a private method")

my_instance = MyClass()

# 直接尝试访问或调用私有成员会失败
try:
    print(my_instance.__private_attribute)
except AttributeError as e:
    print(e)  # 输出：'MyClass' object has no attribute '__private_attribute'

try:
    my_instance.__private_method()
except AttributeError as e:
    print(e)  # 输出：'MyClass' object has no attribute '__private_method'

虽然名称修饰使得外部代码难以直接访问，但实际上这些私有成员并未被完全封锁。通过知晓名称修饰规则，外部代码仍可通过修改后的名字访问或调用私有成员，但这被认为是不良编程实践，因为它破坏了类的封装性：

# 不推荐这样做！绕过名称修饰访问私有成员
try:
    print(my_instance._MyClass__private_attribute)  #输出"This is private"
    print(my_instance._MyClass__private_method())  #输出"This is a private method"
except AttributeError as e:
    print(e)

3.2 单下划线前缀 (_)

有时也会看到单下划线前缀 (_) 用于标记成员，但这并不严格实现私有性，而是作为一种约定，提示其他开发者这是一个内部使用的、不应被外部代码直接访问的属性或方法。这种约定在 Python 社区中被广泛接受，但解释器并不会阻止外部访问：

class MyClass:
    def __init__(self):
        self._internal_attribute = "This is an internal attribute"

    def _internal_method(self):
        print("This is an internal method")

my_instance = MyClass()

# 单下划线前缀的成员可以被外部访问，但不推荐这样做
print(my_instance._internal_attribute)
my_instance._internal_method()

总结一下，Python 中的私有成员主要是指通过双下划线前缀 (__) 标记的属性和方法，它们通过名称修饰提供了一定程度的封装性。虽然理论上可以通过名称修饰规则从外部访问这些成员，但这种做法违背了封装原则，应尽量避免。单下划线前缀的成员则更多是一种编码约定，用于指示它们是内部使用的，而不是真正的私有成员。在实践中，应尊重这些约定以维护代码的整洁性和可维护性。

以上就是Python中的类成员汇总说明。

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