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11.3 函数进阶与类 —— 类

内容梗概

本课快速介绍 Python 中类（class）的基本用法，并借类的概念讲清迭代器、生成器和生成器表达式。老师明确说明：面向对象编程本身是一门约 48 学时的独立课程，本课只要求大家在阅读代码时能认出并理解面向对象的写法，不要求会用面向对象思维独立编程。主要内容包括：类的定义（属性、方法、文档字符串）、__init__ 构造函数与 self、类与对象（实例）的关系；随后是"可迭代对象"的判定标准（__iter__ 与 __next__ 两个方法）、用类实现倒序迭代器的完整示例、用 yield 写生成器实现同样功能，以及生成器表达式的简化写法。最后回答了一位同学关于 __iter__ 为什么 return self 的问题。

知识点详解

课程定位 (约 00:00 - 00:18)

  • 这部分讲得比较快，不需要太多绕弯思考。
  • 目的不是讲面向对象编程（那应是一门独立课程），而是讲 Python 里类的写法，让大家遇到面向对象风格的代码时能理解其逻辑关系。

类的基本定义 (约 00:18 - 01:30)

  • 用 class 关键字定义类，如 class MyClass:。
  • 类体里可以有：
  • 文档字符串：与函数的文档字符串一样；
  • 属性：类里定义的变量；
  • 方法：类里定义的函数。
  • 面向对象的基本概念：把某一类事物抽象成类。例：class Human 可有性别、年龄、身高、体重等属性，走路、挥拳等方法——相关的特征是属性，相关的操作是方法。

__init__ 构造函数与 self (约 01:30 - 04:20)

  • 再次重申：Python 中**两个下划线夹起来的函数/变量是内置的特殊函数/变量**。
  • 示例：定义 class Hero（游戏英雄），属性有位置（如 carry）和名字 name。
  • 建议写法：先在类里给 name 定义一个空字符串作为占位，再通过初始化函数在创建对象时传入特定字符串。
  • __init__ 构造函数：用类创建对象时，传入的参数会作为 __init__ 的第二个参数（第一个参数是 self）传入；self.name = name 把传入的值赋给对象的属性。
  • 之后通过对象的 .name 即可访问创建时赋进去的名字。

类与对象（实例）的关系 (约 04:20 - 10:00)

  • burning = Hero("敌法师") 这行代码称为**初始化一个 Hero 类的对象**：Hero 是类，burning 是这个类的对象（也叫"实例"，两种称呼一回事，"对象"更官方）。
  • 比喻：类是**图纸**，对象是按图纸做出来的一个个具体的东西。如 Human 类对应 70 亿不同的人（实例），每个实例的 name、身高、体重各不相同，但都拥有这些特征。
  • 同一个类可以有多个不同的实例；通过对象可以访问类里定义的所有属性和方法。
  • 另一个示例：class Programmer 有典型属性"是否秃头"，默认秃头；创建"安静"这个实例时名字为安静、且没有秃头（老师自嘲现在也快秃了）。
  • 强调：想真正会写面向对象代码需要专门学习和大量练习；听得似懂非懂不是天赋问题，主要是花的时间不够，需要自己扩展学习。

迭代器与可迭代对象 (约 10:02 - 19:10)

  • 回收伏笔：之前讲 list(...) 的参数、for i in ...: 后面的对象时，多次说"这里必须是可迭代的对象，等讲面向对象时再解释"，现在兑现。
  • 可迭代对象的判定：一个对象所属的类提供两个方法即可——
  • __iter__（迭代方法）：只传一个参数 self（对象本身）；
  • __next__（next 方法）：每次迭代时被不断调用。
  • __next__ 要满足两个条件：
  • 每次返回自己内部的一个元素（如内部 data 序列中某个 index 的元素）；
  • 有停止迭代的情况——迭代结束时**抛出名为"停止迭代"（StopIteration）的异常**，作为循环的终止条件。
  • 倒序迭代器类示例 Reverse（约 14:36）：
  • 构造函数 __init__ 接收一个序列 data（列表、字符串均可；元组是不可变序列不合适），存为属性 self.data，并把当前索引 index 初始化为 len(data)（指向序列末尾之外的空位）。
  • __iter__ 返回 self（把自己作为迭代器返回）。
  • __next__ 每次把 index 前移一位并返回对应元素，于是实现**倒序遍历**：第一次返回最后一个元素，再依次向前；索引用尽时抛出停止迭代异常。
  • 使用：r = Reverse(某序列)，for i in r: print(i) 即倒序输出；也可先 r = Reverse(data) 再迭代，或缩写为一行，结果一致。
  • 判断一个对象可不可迭代：看它的类有没有 __iter__ 和 __next__ 这两个方法且能正常工作；for、list() 等操作遇到停止迭代异常时正常结束。

生成器（generator）(约 19:31 - 23:50)

  • 生成器长得像函数但没有 return，而是用 yield 关键字；它不叫函数，叫生成器（generator）。
  • 工作方式：每次迭代到 yield 就返回一个元素；再次迭代时从上次 yield 的位置继续执行，返回下一个元素。
  • 用生成器实现同样的倒序逻辑：只需一个参数（序列），内部一个倒序的 for 循环里 yield 每个元素即可，比写迭代器类简单得多。
  • 生成器**自动创建了 __iter__ 和 __next__ 两个方法**，自动记录局部变量（如 index）上一次的位置，遍历结束时自动触发停止迭代逻辑。
  • 生成器相对迭代器：写法更简单，但人脑理解其执行流程可能稍复杂；它是一种"语法糖"——没有它用迭代器也能实现同样功能，但在实际代码中经常看到。

生成器表达式 (约 23:50 - 27:30)

  • 生成器可进一步简化为**生成器表达式**，形式像列表推导式但用圆括号。
  • 对比：列表推导式 [i**2 for i in range(10)] 生成 10 以内数字平方的列表。
  • 内置函数 sum() 接收一个**可迭代对象**，把所有元素累加。
  • 求"10 以内数字平方和"的三种写法：
  • 先用列表推导式生成列表 a，再 sum(a)；
  • 定义一个生成器函数（如 gen(number)，内部 for i in range(number): yield i**2），再 sum(gen(10))；
  • 最简：直接把生成器表达式传进去 sum(i**2 for i in range(10))。
  • 生成器表达式可直接传给任何需要可迭代对象的函数。
  • 老师强调：这个内容记不住没关系，只要留下"有这么回事"的浅印象，将来见到时知道它叫生成器表达式、去查去学即可。

答疑：__iter__ 为什么 return self (约 27:36 - 31:55)

  • 迭代协议的两步：对可迭代对象 A 做 for i in A 或 list(A) 时，Python 先调用 A.__iter__() 得到一个对象 B，再不断调用 B.__next__() 进行真正的迭代。
  • 因此存在两种设计：
  • __iter__ 里**创建并返回一个新对象 B**，B 必须有 __next__ 方法——此时 A 本身可以没有 __next__（"套娃"式结构）；
  • 本课示例"偷懒"的做法：A 本身就有 __next__，但 __iter__ 不能省略，于是在 __iter__ 里直接 return self（返回 A 自己），后续直接对 A 调 __next__ 即可。
  • 所以 return self 是因为这个类的对象自身同时具备两个方法，正好返回自己满足协议。

示例与演示

  • 类的定义与实例化：class Hero，属性位置（carry）、名字 name；burning = Hero("敌法师") 创建对象后访问 .name。
  • Programmer 类：属性"是否秃头"默认 True，创建实例"安静"（不秃头），说明类与实例的关系。
  • 倒序迭代器类 Reverse：实现 __init__ / __iter__ / __next__，for i in Reverse(名字字符串) 倒序打印每个字符；演示了拆分写法和一行简写。
  • 生成器版倒序：用 yield 的生成器函数实现与 Reverse 类相同的功能。
  • 生成器表达式：sum(i**2 for i in range(10)) 求平方和，与列表推导式、生成器函数两种写法对比。
  • 课堂答疑：解释迭代协议中 __iter__ 返回 self 与返回新对象两种模式的区别。

重点与难点

  • 类 vs 对象（实例）：类是图纸，对象是实例；实例化就是按类创建对象的过程；一个类可有多个实例，各自属性值不同。
  • __init__ 的参数传递：创建对象时传的实参对应 __init__ 的第二个及以后参数，self 指对象自身；self.name = name 把参数存成对象属性。
  • 双下划线名字是 Python 内置的特殊方法/变量（如 __init__、__iter__、__next__），不要自己乱起这种名字。
  • 可迭代对象的本质：有 __iter__ 和 __next__ 两个方法；__next__ 必须在迭代结束时抛出 StopIteration 异常，否则循环无法终止。
  • 迭代是两步协议：先 __iter__() 拿迭代器，再 __next__() 逐个取元素；return self 只是自身兼任迭代器的偷懒写法。
  • 生成器是语法糖：yield 自动实现了迭代协议并保存执行现场，写法简单但执行逻辑要动脑想清楚。
  • 本课只要求"看得懂"，不要求会用面向对象思维写代码。

关联内容

  • 前置知识：函数定义（11.1 函数进阶）、作用域（11.2，类方法中的 self 与属性访问与作用域密切相关）、序列与列表、for 循环、list() 函数、列表推导式（之前课程讲列表推导式时埋下伏笔）。
  • 回收伏笔：之前课程多次提到"可迭代对象"概念时说"讲到面向对象再解释"，本课兑现。
  • 面向对象编程本身是独立课程（约 48 学时），本课只是 Python 视角的入门介绍。
  • 与后续实验课的关系：第三方库和开源项目大量使用面向对象写法、迭代器和生成器（生成器表达式在真实代码中常见），本课知识用于读懂这些代码。
  • 本章小结：11.1（函数进阶）→ 11.2（作用域）→ 11.3（类与迭代器/生成器）构成入门阶段最后的理论内容，之后进入实践型课程。