初學者指南：深入了解 Python 類別變數
更新日期： 2024 年 10 月 11 日
在學習 Python 的過程中，物件導向程式設計（Object-Oriented Programming, OOP） 是一個重要的概念。
透過 OOP，我們可以使用 類別（Class） 來封裝資料和功能，建立具有特定行為的實體。
在 Python 中，類別變數（Class Variables） 是類別層級的屬性，所有實體共享同一個值。
理解類別變數對於掌握 Python 的物件導向編程非常重要。
本文將為新手詳細介紹 Python 中的類別變數，解釋其作用、如何定義和使用，以及與實體變數的區別。
什麼是類別變數？
類別變數 是定義在類別內且不在任何方法內的變數。
它們屬於類別本身，而非任何特定的實體（Instance）。
所有實體共享同一個類別變數，這意味著對類別變數的修改會影響所有實體。
特點
- 共享性：所有實體共享同一個類別變數。
- 定義位置：定義在類別內部，但不在任何方法內。
- 訪問方式：可以透過類別名或實體名訪問。
類別變數的定義與使用
定義類別變數
在類別內，直接定義變數即可，且不需要使用 self。
class 類別名稱:
類別變數 = 初始值示例
class Circle:
pi = 3.14159 # 類別變數
def __init__(self, radius):
self.radius = radius # 實體變數
def area(self):
return Circle.pi * self.radius ** 2在這個例子中，pi 是類別變數，radius 是實體變數。
使用類別變數
circle1 = Circle(5)
circle2 = Circle(10)
print(circle1.area()) # 輸出：78.53975
print(circle2.area()) # 輸出：314.159- 說明：
pi作為類別變數，被所有實體共享。
類別變數與實體變數的區別
實體變數
- 定義在
__init__方法中，使用self關鍵字。 - 每個實體都有自己的實體變數，彼此獨立。
- 用於存儲實體的個別狀態。
類別變數
- 定義在類別內，且不在任何方法內。
- 所有實體共享同一個類別變數。
- 用於存儲類別的公共狀態或配置。
比較
| 項目 | 類別變數 | 實體變數 |
|---|---|---|
| 定義位置 | 類別內，方法外部 | __init__ 方法內 |
| 訪問方式 | 類別名.變數名 或 self.變數名 | self.變數名 |
| 所屬 | 屬於類別，所有實體共享 | 屬於實體，彼此獨立 |
| 修改影響 | 影響所有實體 | 只影響特定實體 |
示例
class Person:
species = "Homo sapiens" # 類別變數
def __init__(self, name):
self.name = name # 實體變數species是類別變數，所有實體共享。name是實體變數，每個實體都有自己的值。
示例：建立一個簡單的計算器類別
定義類別
class Calculator:
history = [] # 類別變數，用於存儲計算歷史
def add(self, a, b):
result = a + b
Calculator.history.append(f"{a} + {b} = {result}")
return result
def subtract(self, a, b):
result = a - b
Calculator.history.append(f"{a} - {b} = {result}")
return result
@classmethod
def show_history(cls):
for record in cls.history:
print(record)使用類別
calc1 = Calculator()
calc2 = Calculator()
calc1.add(5, 3)
calc2.subtract(10, 4)
# 顯示計算歷史
Calculator.show_history()輸出：
5 + 3 = 8
10 - 4 = 6- 說明：
history是類別變數，被所有實體共享。
修改和訪問類別變數
訪問類別變數
- 透過類別名訪問
print(Calculator.history)- 透過實體訪問
print(calc1.history)修改類別變數
- 透過類別名修改
Calculator.history = ["清除歷史"]- 透過實體修改
calc1.history = ["新的歷史"]注意：如果透過實體直接賦值，會在該實體中創建一個同名的實體變數，類別變數不受影響。
示例
calc1 = Calculator()
calc2 = Calculator()
# 透過實體修改類別變數
calc1.history = ["新的歷史"]
print("calc1 的 history：", calc1.history) # 輸出：['新的歷史']
print("calc2 的 history：", calc2.history) # 輸出：['5 + 3 = 8', '10 - 4 = 6']
print("Calculator 的 history：", Calculator.history) # 輸出：['5 + 3 = 8', '10 - 4 = 6']- 解釋：
calc1.history = ["新的歷史"]在calc1實體中創建了一個新的實體變數history，而不影響類別變數。
類別變數的應用場景
- 共享狀態或配置
- 當需要在所有實體之間共享某些資訊時，使用類別變數。
class Config:
default_language = "English"- 統計資訊
- 用於計算創建的實體數量等統計資訊。
class User:
user_count = 0
def __init__(self, name):
self.name = name
User.user_count += 1
user1 = User("Alice")
user2 = User("Bob")
print(User.user_count) # 輸出：2- 緩存或記錄
- 用於存儲共用的資料，例如緩存結果或記錄日誌。
class DataFetcher:
cache = {}
def fetch(self, key):
if key in DataFetcher.cache:
return DataFetcher.cache[key]
else:
# 模擬數據獲取
data = f"Data for {key}"
DataFetcher.cache[key] = data
return data結論
類別變數是 Python 物件導向編程中的重要組成部分，透過它們，我們可以：
- 共享資料：在所有實體之間共享資訊，避免不必要的重複。
- 統一配置：集中管理某些全局設定，提升程式的可維護性。
- 實現統計和記錄：方便地統計實體數量、記錄操作歷史等。
理解並正確使用類別變數，能夠提升程式的結構性和效率，同時避免常見的陷阱，例如不小心在實體中覆蓋類別變數。
進一步學習
- 實體變數與實體方法：深入理解實體變數和方法，掌握實體的狀態和行為。
- 類別方法與靜態方法：學習
@classmethod和@staticmethod的用法，拓展類別的功能。 - 封裝性：瞭解如何使用私有屬性和方法（以雙下劃線
__開頭）來實現封裝。 - 設計模式：學習常見的設計模式，如單例模式、工廠模式等，提升程式設計能力。