初學者指南：深入了解 Python 類別方法

By徐培鈞
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更新日期： 2024 年 10 月 12 日

在學習 Python 的物件導向程式設計（Object-Oriented Programming, OOP）時，類別方法（Class Methods） 是一個重要的概念。

它允許我們在類別層級上操作資料，並對類別本身進行修改，而不需要針對特定的實體（Instance）。

透過了解類別方法，我們可以更靈活地設計類別，實現更強大的功能。

本文將為新手詳細介紹 Python 中的類別方法，解釋其作用、如何定義和使用，以及與實體方法和靜態方法的區別。

什麼是類別方法？

類別方法（Class Method） 是定義在類別中的方法，並且使用 @classmethod 裝飾器進行裝飾。

與實體方法不同，類別方法的第一個參數是 cls，代表類別本身，而不是實體。

這使得類別方法可以直接訪問和修改類別層級的屬性。

特點

  • 針對類別而非實體：類別方法可以在不創建實體的情況下被調用。
  • 訪問類別屬性：可以訪問和修改類別變數，影響所有實體。
  • 可被子類別繼承並修改：在繼承結構中，cls 代表當前類別（可能是子類別）。

定義類別方法

使用 @classmethod 裝飾器

要定義一個類別方法，需要使用 @classmethod 裝飾器，並將第一個參數命名為 cls。

class 類別名稱:
    @classmethod
    def 方法名稱(cls, 參數1, 參數2, ...):
        # 方法內容
        pass
  • cls：代表類別本身，用於訪問和修改類別屬性。
  • 其他參數：根據需要添加的參數。

示例

class MyClass:
    class_attribute = 0  # 類別屬性

    @classmethod
    def class_method(cls):
        print(f"類別方法被調用，class_attribute = {cls.class_attribute}")

類別方法的使用

調用類別方法

類別方法可以通過類別名或實體來調用。

# 通過類別名調用
MyClass.class_method()

# 通過實體調用
obj = MyClass()
obj.class_method()
  • 注意：無論是通過類別名還是實體調用，cls 參數都會自動綁定到當前類別。

訪問和修改類別屬性

class MyClass:
    class_attribute = 0

    @classmethod
    def increment_attribute(cls):
        cls.class_attribute += 1

# 調用類別方法
MyClass.increment_attribute()
print(MyClass.class_attribute)  # 輸出：1

類別方法與實體方法、靜態方法的區別

實體方法

  • 定義：第一個參數是 self，代表實體本身。
  • 調用：只能通過實體調用。
  • 作用：訪問和修改實體屬性。

類別方法

  • 定義：使用 @classmethod 裝飾器，第一個參數是 cls，代表類別本身。
  • 調用：可以通過類別名或實體調用。
  • 作用：訪問和修改類別屬性，對所有實體產生影響。

靜態方法

  • 定義：使用 @staticmethod 裝飾器，無需特定的第一個參數。
  • 調用：可以通過類別名或實體調用。
  • 作用：與類別和實體無關，類似於普通函式，通常用於組織相關的功能。

比較示例

class MyClass:
    class_attribute = 0

    def __init__(self, value):
        self.instance_attribute = value

    def instance_method(self):
        print(f"實體方法被調用，instance_attribute = {self.instance_attribute}")

    @classmethod
    def class_method(cls):
        print(f"類別方法被調用，class_attribute = {cls.class_attribute}")

    @staticmethod
    def static_method():
        print("靜態方法被調用")

# 創建實體
obj = MyClass(10)

# 調用實體方法
obj.instance_method()

# 調用類別方法
MyClass.class_method()
obj.class_method()

# 調用靜態方法
MyClass.static_method()
obj.static_method()

示例：建立一個使用類別方法的類別

定義一個學生類別，用於統計學生人數

class Student:
    total_students = 0  # 類別屬性，統計學生總數

    def __init__(self, name):
        self.name = name
        Student.increment_student_count()

    @classmethod
    def increment_student_count(cls):
        cls.total_students += 1

    @classmethod
    def get_total_students(cls):
        return cls.total_students

使用類別

# 創建學生實體
student1 = Student("Alice")
student2 = Student("Bob")
student3 = Student("Charlie")

# 獲取學生總數
print(Student.get_total_students())  # 輸出：3

# 或者通過實體調用
print(student1.get_total_students())  # 輸出：3
  • 說明：
  • 每當創建一個新的學生實體時，__init__ 方法會調用 increment_student_count 類別方法，將 total_students 增加 1。
  • get_total_students 類別方法返回當前的學生總數。

類別方法的應用場景

  1. 工廠方法：根據不同的條件，返回類別的不同實體。
   class Date:
       def __init__(self, year, month, day):
           self.year = year
           self.month = month
           self.day = day

       @classmethod
       def from_string(cls, date_string):
           year, month, day = map(int, date_string.split('-'))
           return cls(year, month, day)

   # 使用工廠方法創建實體
   date = Date.from_string("2023-08-15")
  1. 訪問和修改類別屬性：對類別層級的資料進行操作，影響所有實體。
  2. 實現多態性：在繼承結構中，類別方法可以被子類別覆蓋，cls 參數會自動綁定到正確的子類別。
   class Animal:
       @classmethod
       def make_sound(cls):
           print("Some generic sound")

   class Dog(Animal):
       @classmethod
       def make_sound(cls):
           print("Woof!")

   Animal.make_sound()  # 輸出：Some generic sound
   Dog.make_sound()     # 輸出：Woof!
  1. 作為替代構造函數：提供多種初始化實體的方法。

結論

類別方法是 Python 中強大的工具，允許我們在類別層級上操作資料和行為。

透過使用 @classmethod 裝飾器，我們可以：

  • 訪問和修改類別屬性：對所有實體產生影響。
  • 創建工廠方法：提供多種方式初始化實體。
  • 實現繼承和多態性：在繼承結構中靈活地使用類別方法。

理解並熟練使用類別方法，將有助於你更好地掌握 Python 的物件導向程式設計，編寫出更具結構性和可維護性的程式碼。

進一步學習

  • 靜態方法：深入瞭解 @staticmethod 的用法和應用場景。
  • 特殊方法：學習更多特殊方法，如 __new__、__call__ 等，提升類別的功能性。
  • 設計模式：學習常見的設計模式，如工廠模式、單例模式等，進一步運用類別方法。
  • 繼承與多態：探索更多關於繼承和多態性的內容，增強程式的靈活性。

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