本文檔主要介紹如何使用 Python 進行面向對象編程，需要讀者對 Python 語法和單片機開發具有基本瞭解。相比其他講解 Python 面向對象編程的博客或書籍而言，本文檔更加詳細、側重於嵌入式上位機應用，以上位機和下位機的常見串口數據收發、數據處理、動態圖繪製等為應用實例，同時使用 Sourcetrail 代碼軟體對代碼進行可視化閱讀便於讀者理解。

相關示例代碼獲取鏈接如下：https://github.com/leezisheng/Python-OOP-Demo

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Python 內置函數與魔法方法

Python 中有許多函數可以針對特定類型的對象執行某些任務或計算結果，這些函數不需要是某些底層類的方法。它們通常是抽象出來的一些常用計算，可以應用於多種類型的類。這些函數統稱內置函數，我們往往使用內置函數調用對象的魔法方法，所謂魔法方法(Magic Method)是 python 內置方法，以兩個下劃線開頭、兩個下劃線結尾，它不需要主動調用，存在的目的是為了給 python 的解釋器進行調用。常見內置函數有以下這些：

最簡單的例子就是 len()內置函數，它可以數出某種容器對象中的項目數，例如字典或列表。實際上，列表對象並沒有 len 長度屬性，你可能不相信，那就讓我們查看一下列表 List 的屬性值。輸入如下代碼：

print(list.__dict__)

我們來看一下輸出：

{'__new__': <built-in method __new__ of type object at 0x00007FF9D4D5B6D0>,
 '__repr__': <slot wrapper '__repr__' of 'list' objects>, '__hash__': None, 
'__getattribute__': <slot wrapper '__getattribute__' of 'list' objects>, 
'__lt__': <slot wrapper '__lt__' of 'list' objects>, '__le__': <slot wrapper 
'__le__' of 'list' objects>, '__eq__': <slot wrapper '__eq__' of 'list' objects>, 
'__ne__': <slot wrapper '__ne__' of 'list' objects>, 
'__gt__': <slot wrapper '__gt__' of 'list' objects>, '__ge__': <slot wrapper '__ge__' of 'list' objects>, '__iter__': <slot wrapper '__iter__' of 'list' objects>, 
'__init__': <slot wrapper '__init__' of 'list' objects>, '__len__': <slot wrapper '__len__' of 'list' objects>,
 '__getitem__': <method '__getitem__' of 'list' objects>, '__setitem__': <slot wrapper '__setitem__' of 'list' objects>,
 '__delitem__': <slot wrapper '__delitem__' of 'list' objects>, '__add__': <slot wrapper '__add__' of 'list' objects>,
 '__mul__': <slot wrapper '__mul__' of 'list' objects>, '__rmul__': <slot wrapper '__rmul__' of 'list' objects>, 
'__contains__': <slot wrapper '__contains__' of 'list' objects>, '__iadd__': <slot wrapper '__iadd__' of 'list' objects>, '__imul__': <slot wrapper '__imul__' of 'list' objects>,
 '__reversed__': <method '__reversed__' of 'list' objects>, '__sizeof__': <method '__sizeof__' of 'list' objects>,
 'clear': <method 'clear' of 'list' objects>, 'copy': <method 'copy' of 'list' objects>, 'append': <method 'append' of 'list' objects>,
 'insert': <method 'insert' of 'list' objects>, 'extend': <method 'extend' of 'list' objects>, 'pop': <method 'pop' of 'list' objects>,
'remove': <method 'remove' of 'list' objects>, 'index': <method 'index' of 'list' objects>, 'count': <method 'count' of 'list' objects>,
 'reverse': <method 'reverse' of 'list' objects>, 'sort': <method 'sort' of 'list' objects>, '__class_getitem__': <method '__class_getitem__' of 'list' objects>, 
'__doc__': 'Built-in mutable sequence.\n\nIf no argument is given, the constructor creates a new empty list.\nThe argument m

我丟，還真沒有，這是怎麼回事？那為什麼我們用 len()函數居然能得到列表的長度？從理論上來說，列表是有長度屬性的。len()應用到的大部分對象都有一個被稱為 len()的方法，其返回同樣的值。因此 len(list)就是調用 list.len()（len()為內置函數、len 為魔法方法） 。

那麼為什麼不用__len__方法而要用 len()函數？

很明顯 len 是一個特殊的雙下畫線方法，這意味著我們不應該直接調用它，主要的原因是效率，利用內置函數調用魔法方法不僅提供額外的服務，而且解釋器做了優化，會比調用方法更快。通過調用 len()函數，我們可以直接訪問 Python 可變長度容器的底層 C 語言中 PyVarObject 結構體的 ob_size 欄位，該欄位保存著容器中的項數。 len(my_object)直接讀取 ob_size 欄位的值，這比調用 len 方法快很多。

另一個原因是可維護性。Python 開發者可能會在未來修改 len()來計算沒有 len 方法的對象的長度，例如，通過計數迭代器返回的項目。那麼他們只需要修改一個函數而不是所有的 len 方法。

除了__len__的例子外，最常見的例子就是要拿到一個列表的某個元素，可以使用對應的引索進行取值，比如 list[key]，這背後利用的是__getitem__方法，為了拿到 my_list[key]的值，解釋器實際上會調用 my_list.getitem(key)。

那麼如何得到 Python 內置數據類型的這些特殊方法呢？非常簡單，只需要應用 dir([object])函數即可，dir()函數可以返回對象的屬性、方法列表。以 List 列表類為例，我們只需要輸入以下語句即可：

print(dir(list))

輸出如下：

['__add__', '__class__', '__class_getitem__', '__contains__', '__delattr__', 
'__delitem__', '__dir__', '__doc__', '__eq__', '__format__', '__ge__', 
'__getattribute__', '__getitem__', '__getstate__', '__gt__', '__hash__', 
'__iadd__', '__imul__', '__init__', '__init_subclass__', '__iter__', '__le__', 
'__len__', '__lt__', '__mul__', '__ne__', '__new__', '__reduce__', 
'__reduce_ex__', '__repr__', '__reversed__', '__rmul__', '__setattr__', 
'__setitem__', '__sizeof__', '__str__', '__subclasshook__', 'append', 'clear', 
'copy', 'count', 'extend', 'index', 'insert', 'pop', 'remove', 'reverse', 'sort']

此外，如果想要知道如何使用這些方法，可以用 help 函數：

print(help(list.__le__))

輸出如下：

實際上，python 中常見的魔法方法大致可分為以下幾類：構造與初始化、類的表示、操作符、訪問控制、容器類操作、可調用對象、序列化操作等。我們在下圖中對常用魔法方法進行了總結：

重寫內置類型的魔法方法

重寫是子類對父類的允許訪問的方法的實現過程進行重新編寫, 返回值和形參都不能改變。重寫的好處在於子類可以根據需要，定義特定於自己的行為。

這裡以魔法方法中的__repr__方法和__ str__方法講解如何重寫內置類型的魔法方法。

所謂 repr 是 Python 類中的一個特殊方法，由 object 對象提供，由於所有類都是 object 類的子類，所以都會繼承該方。它是一個”自我描述“的方法，此方法通常實現這樣的功能：當直接列印類的實例化對象時，系統將會輸出對象的自我描述信息，用來告訴外界對象具有的狀態信息。通常情況下，直接輸出某個實例化對象，本意往往是想瞭解該對象的基本信息，例如該對象有哪些屬性，它們的值各是多少等等。但是由於 object 提供的這個 repr 方法總是返回一個對象，（類名 + obejct at + 記憶體地址），這個值並不能真正實現自我描述的功能。因此，如果你想在自定義類中實現“自我描述” 的功能，那麼必須重寫 repr 方法。

與 repr 類似的是__ str__方法，repr 和 str 這兩個方法都是用於顯示的，str 是面向用戶的，而 repr 面向程式員:

列印操作會首先嘗試 str 和 str 內置函數(print 運行的內部等價形式)，它通常應該返回一個友好的顯示；
repr 用於所有其他的環境中：用於交互模式下提示回應以及 repr 函數，如果沒有使用 str，會使用 print 和 str。它通常應該返回一個編碼字元串，可以用來重新創建對象，或者給開發者詳細的顯示。

同時，我們也可以對算數操作符進行重寫，在上述列表實現集合的例子中，如下代碼就是對算數操作符進行重寫：

_# 運算符&重載，求交集_
    def __and__(self, other):
        return self.intersect(other)
    _# 運算符|重載，求合集_
    def __or__(self, other):
        return self.union(other)
    _# 當直接列印類的實例化對象時，系統將會輸出對象的自我描述信息_
    def __repr__(self):
        return 'Set:' + repr(self.data)

再列舉一個有趣的例子，對算數操作符方法重寫進行說明，以下代碼創建一個特殊的整數，每當將兩個這種整數相加時都會返回 0：

class SillyInt(int):
    _# 重寫__add__方法_
    def __add__(self, num):
        return 0
    
a = SillyInt(1)
b = SillyInt(2)

print(a+b)

如下為運行結果，儘管這個例子沒有什麼實際應用的例子，但還是能很好的講述如何對算數操作符方法進行重寫：

重寫後的__add__方法可以添加到任何我們自己寫的類中，如果我對這個類的實例使用 + 操作符，將會調用__add__。例如，字元串、元組以及列表的連接就是這麼實現的。所有的特殊方法都是這樣的。如果想要對自定義的對象使用 x in myobj 語法，可以實現__contains__方法。如果想要用 myobj[i] = value 語法，只需要提供__setitem__方法。如果想用 something = myobj[i]，需要實現__getitem__。

全網最適合入門的面向對象編程教程：44 Python內置函數與魔法方法-重寫內置類型的魔法方法

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