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

正文

字元串格式化是將變數值插入到字元串中的占位符位置的過程。這使得能夠創建動態的文本，其中一些部分可能需要根據不同情況進行替換。

在 Python 中字元串格式化的方式包括 Print 函數輸出格式化和 Format 函數格式化。

使用 Print 函數格式化符號實現格式化

常用格式化符號包括：

（1）%c：格式化字元及其 ASCII 碼；
（2）%s：格式化字元串；
（3）%d：格式化整數；
（4）%u：格式化無符號整型；
（5）%o：格式化無符號八進位數；
（6）%x：格式化無符號十六進位數；
（7）%f：格式化浮點數字，可指定小數點後的精度；
（8）%e：用科學計數法格式化浮點數；
（9）%g：%d 和 %e 的簡寫。

示例代碼如下所示：

print("%c" % 'a')
print("%s" % "string")
print("%s" % 123)   
print("%d" % 100.0)

運行結果如下：

同時轉換符格式化 (conversion specifier) 可以引用字典變數。

轉換符的格式為 %(mapping_key)flags，mapping_key 指明引用變數的名稱，flags 指明轉換格式。

示例代碼如下：

print('%(language)s has %(number)01d quote types.'
      % {'language': "Python", "number": 2})

運行結果如下：

使用 format()方法進行格式化

內置的字元串類提供了通過使用 PEP 3101 所描述的 format()方法進行複雜變數替換和值格式化的能力。string 模塊中的 Formatter 類允許你使用與內置 format()方法相同的實現來創建並定製你自己的字元串格式化行為。

str.format()方法和 Formatter 類共用相同的格式字元串語法（雖然對於 Formatter 類來說，其子類可以定義它們自己的格式字元串語法）。任何字元串都可以通過調用 format()方法而編寫一個格式化字元串。這個方法返回一個新的字元串，其中的特殊字元將會替換成傳入該方法的參數以及關鍵字參數。format 方法不限定參數數量，它使用我們前面提到的方法傳參中*args 和**kwargs 語法。

在格式化字元串中被替換的特殊符號是開閉花括弧：{和}。我們可以成對地插入，最終其會按照順序被 str.format 方法中傳入的位置參數所替換。

示例代碼如下：

template = "Hello {}, you are currently {}." 
print(template.format('Dusty', 'writing'))

運行結果如下：

str.format()方法可以使用位置參數或關鍵字參數來填充占位符。位置參數是按順序傳遞的，而關鍵字參數使用占位符名稱來匹配值。

示例代碼如下，運行結果同上。

template = "Hello {0}, you are currently {1}."
print(template.format('Dusty', 'writing'))
template = "Hello {name}, you are currently {doing}."
print(template.format(name='Dusty', doing='writing'))

我們不是只能傳遞字元串變數給 format 方法，任何基本類型，例如可以被列印出來的整數或浮點數都可以。更有趣的是，複雜對象，包括列表、元組、字典以及任意對象都可以使用；在 format 的字元串中我們可以通過索引和對象的屬性（方法不行）訪問變數。例如在下麵的例子中，我們輸出一個郵件消息，我們在郵箱地址中將發件人和收件人組合成元組，並將主題和消息存放在字典中，就可以這樣來格式化：

emails = ("[email protected]", "[email protected]")
message = {
            'subject': "You Have Mail!",'message': "Here's some mail for you!"
          }
template = """ 
From: <{0[0]}> 
To: <{0[1]}> 
Subject: {message[subject]} 
{message[message]}"""
print(template.format(emails, message=message))

我們在傳遞 emails 元組時傳遞了一個基於位置的參數，這兩個郵箱地址可以通過 0[x]獲得，其中 x 可以是 0 或 1，表示元組中第一個或第二個元素。第一個 0 表示傳入 format 的第一個位置參數（在這個例子中是 emails 元組）。

我們在傳遞 message 字典時傳遞了一個基於關鍵字的參數，其中通過字元串鍵名訪問字典時，使用 message[subject]和 message[message]，註意這裡和平常訪問字典中值時有所不同，我們不需要加引號。

print(message['subject'])

如果有嵌套的數據結構，我們甚至可以實現多層查詢。這裡建議不要這樣做，因為這樣一來，模板字元串很快就會變得難以理解。如果我們有一個字典包含了元組，可以這樣做，代碼運行結果同上：

emails = ("[email protected]", "[email protected]")
message = {
            'emails': emails,
            'subject': "You Have Mail!",
            'message': "Here's some mail for you!"
          }
template = """ 
From: <{0[emails][0]}> 
To: <{0[emails][1]}> 
Subject: {0[subject]} 
{0[message]}"""
print(template.format(message))

實際上，我們也可以給 format 函數傳遞任意對象作為參數，然後用點號標記訪問對象的屬性。在如下代碼中，我們使用 format 函數輸出了類的名字、描述和屬性/方法。

class SensorClass(SerialClass):
    '''
        感測器類，繼承自SerialClass
    '''
    ... ...
if __name__ == "__main__":
    template = '''
    Class Name : <{0.__name__}>
    Class Description :  <{0.__doc__}>
    Class Method and Class Properties : <{0.__dict__}>    
    '''
    print(template.format(SensorClass))

運行結果如下所示：

通常來說，我們會在想要格式化的對象已經存在的情況下使用這種查詢方式，但不會為了在模板中使用對象而創建一個類。

在模板字元串中引入變數確實極具便利性，然而，有時候為了確保輸出結果的準確性，我們需要對這些變數進行適當的調整。例如，在進行準確率計算時，我們可能會得到冗長的小數，但在特定的應用場景中，我們並不希望這些詳盡的小數點後的數值出現在最終的展示中。

此時，str.format()方法就顯得尤為實用。它不僅允許我們靈活地控制輸出的格式，還提供了諸多選項以滿足不同的格式化需求，如指定小數位數、調整文本對齊方式以及設置填充字元等。通過這些功能，我們可以更加精準地控制輸出內容的呈現方式，從而確保信息的傳達既準確又符合預期的展示效果。

標準格式說明符的一般形式如下：

format_spec     ::=  [[fill]align][sign]["z"]["#"]["0"][width][grouping_option]["." precision][type]
fill            ::=  <any character>
align           ::=  "<" | ">" | "=" | "^"
sign            ::=  "+" | "-" | " "
width           ::=  digit+
grouping_option ::=  "_" | ","
precision       ::=  digit+
type            ::=  "b" | "c" | "d" | "e" | "E" | "f" | "F" | "g" | "G" | "n" | "o" | "s" | "x" | "X" | "%"

這裡，type 參數具體含義如下：

(1) s: string, 字元串;
(2) d: decimal integer, 十進位數;
(3) i: integer, 用法同%d;
(4) u: unsigned integer, 無符號十進位數;
(5) f: float, 浮點數(預設保留小數點後6位);
(6) F: Float, 浮點數(預設保留小數點後6位);
(7) e: exponent, 將數字表示為科學計數法(小寫e, 預設保留小數點後6位);
(8) E: Exponent, 將數字表示為科學計數法(大寫E, 預設保留小數點後6位);
(9) o: octal, 八進位數(即0-7);
(10) x: hexdecimal, 十六進位數(即0-9a-f);
(11) X: Hexdecimal, 十六進進位數(0-9A-F);
(12) g: general format, 通用格式，詳見如下...;
(13) G: General format, 通用格式，詳見如下...;
(14) %c: character, 將十進位數轉換為所對應的unicode值;
(15) %r: representation, 調用__repr__魔法方法輸出;
(16) %%: 轉義%，輸出百分號。

具體可看下麵示例：

price = 49.95
formatted_price = "The price is {:.2f} dollars.".format(price)
print(formatted_price)

運行結果如下：

冒號之後的 0.2f 格式指示符表明，從左向右，對於小於 1 的值，確保小數點左側有個 0；小數點之後保留兩位數字，將輸入值格式化為浮點數。

我們也可以通過占位值讓每個數字占據特定數量的字元位置。這對於輸出表格數據很有用，例如：

orders = [('burger', 2, 5),
          ('fries', 3.5, 1),
          ('cola', 1.75, 3)]
print("PRODUCT    QUANTITY    PRICE   SUBTOTAL")
for product, price, quantity in orders:
    subtotal = price * quantity
    print("{0:10s}{1: ^9d} ${2: <8.2f}${3: >7.2f}".format(product, quantity, price, subtotal))

這裡，quantity 變數的格式化操作符{1: ^9d}為例，d 表示這是一個整數值，數字 9 說明這個值需要占據 9 個字元。

但是對於整數來說，預設是用 0 而不是空格來填充的。所以我們在冒號之後添加一個空格作為占位符。插入符號說明數字按照居中方式對齊。運行結果如下：

我們也可以使用 < 或 > 選擇不同的對齊方式（左對齊/右對齊）。這裡，我們對 price 和 subtotal 變數使用相似的指示符。對於 price，我們使用{2: <8.2f}；對於 subtotal，我們使用{3: >7.2f}。我們都指定了一個空格作為填充字元，不過用 < 和 > 符號分別說明數字按照長度為 8 和 7 的位置居左和居右對齊。而且，每個浮點數都保留兩位小數。

對於不同的數據類型，“類型”字元的不同會導致輸出格式的變化。我們已經瞭解了 s、d 和 f 這三種類型，它們分別用於表示字元串、整數和浮點數。實際上，大部分其他的格式指示符都可以看作是這三種基本類型的變體或擴展。例如，o 類型用於表示八進位整數，而 X 類型則用於表示十六進位整數。此外，n 類型指示符是一個特殊的存在，它允許我們根據本地的習慣對整數進行分隔。這對於浮點數，% 類型指示符則具有特殊的功能，它可以將浮點數乘以 100，從而將其轉換為百分數形式。

示例代碼如下：

_# 使用千位分隔符_
number = 1234567
formatted_number = "Formatted number: {:,}".format(number)
print(formatted_number)
_# 使用百分比格式_
percentage = 0.25
formatted_percentage = "Formatted percentage: {:.2%}".format(percentage)
print(formatted_percentage)

運行結果如下：

值得註意的是，這些標準的格式化操作符不僅可以應用於內置的數據類型，還可以應用於其他對象。對於非標準對象，我們可以定義自己的格式指示符來滿足特定的需求。例如，如果我們將 datetime 對象傳遞給 format，就可以使用那些可用於 datetime.strftime 函數的指示符，例如：

from datetime import datetime

now = datetime.now()
_# 格式化日期和時間_
formatted_date = "Current date and time: {:%Y-%m-%d %H:%M:%S}".format(now)
print(formatted_date)

輸出結果如下：

需要註意的是：這些指示符必須按照正確的順序，不過它們都是可選的：首先是填充字元，其次是對齊方式，然後是大小，最後是類型。

::=  [[fill]align][sign]["z"]["#"]["0"][width][grouping_option]["." precision][type]

除了使用標準的格式化操作符，我們也可以通過重寫 format 特殊方法來自定義我們自己對象的格式化操作符，可以通過查看如下文檔進一步瞭解更加細節的操作：https://peps.python.org/pep-3101/。

同時，開閉花括弧：{和}除了在格式化字元串中作為被替換的特殊符號，花括弧符號本身也常用於字元串。我們需要有辦法跳過格式化，只作為花括弧符號本身出現，而不是被替換。我們可以通過重覆兩次花括弧來實現，例如，我們可以用 Python 來格式化一個基本的 Java 程式：

template = """
public class {0} {{
    public static void main(String[] args) {{
        System.out.println("{1}");
    }}
}}"""
print(template.format("MyClass", "print('hello world')"))

運行結果如下：