第1课数据抽象类与Python类¶

Python中的基本数据类型¶

在每种编程语言中都会内置一些基本的数据类型供程序设计者使用。在Python中，同样内置了若干种数据类型。我们常用的内置数据类型有九种，这九种基本类型大致可以分为两类：基本类型 和 组合类型。基本类型一般指单一的数据类型，也可以称做原始数据类型(Primitive Type)。而组合类型则可以简单地理解成由基本类型组合而成的数据类型。

在Python中，使用type(variable)内置函数，可以查看变量的数据类型。

基本类型
1. str 字符串
2. int 整数型
3. float 浮点型
4. bool 布尔变量
组合类型
1. bytes 字节类型
2. tuple 元组类型
3. set 集合类型
4. dictionary 字典类型
5. list 列表类型

抽象数据类型(Abstract Data Type)¶

抽象数据类型的意义：¶

显然，光用以上的内置数据类型去解决现实生活中的问题是远远不够的。世界如此丰富多彩，那我们如何才能利用计算机去描述万事万物，解决现实问题呢？

在上学期中，我们学习了Python的基本语法(的一点点)，学习程序设计中的基本流程控制：顺序结构、分支结构和循环结构。可以说完成了世界万事万物运行的流程的抽象。而在数据层面上，也需要将它抽象出来。

抽象数据类型 就是指一个数据元素集合以及在这些数据上的操作。我们要注意，抽象数据类型的定义与实现是分开的。首先我们要研究他的结构和定义，而非考虑他是如何实现的细节。只要将一种抽象数据类型定义完成，其可以用任何工具实现，所以在这个阶段是不考虑他具体是如何实现的。

抽象数据类型的表示方法¶

在描述一个抽象数据类型时，我们可以使用预先定义好的数据类型（比如：Python中已经定义好的数据类型：int, str, bool, float以及其他类型）来定义抽象数据类型。

在本课中，我们使用不严格的定义方法：

抽象数据类型名{
数据：
    预定义好的数据类型组合
操作：
    抽象数据类型的操作
}

这么看起来确定非常抽象，下面我用几个例子来说明怎么进行抽象数据类型的定义。

例如：一个二维平面中的点的抽象数据类型的定义为：

ADT Point {
数据：
    x: float # 定义横坐标
    y: float # 定义纵坐标
操作：
    distance(p: Point) -> float # 计算当前点到给定点p距离
}

例如：我们可以定义一个学生类型

ADT Student {
数据：
    name: str  # 学生姓名
    age: int   # 学生年龄
    grade: int # 年级
    courses: list[str] # 选修课程列表
操作：
    grow() # 增长1岁
    grade_up() # 年级升高1年
    sign_up_for(course: str) # 添加选修课程
    ...
}

再举1个例子，我们在上学期经常会遇到的例子，就是游戏中的Player。当时我们使用了dict来实现，现在有了抽象数据类，我们能更好定义Player这个数据抽象类。很快可以得出以下定义：

ADT Player {
数据：
    name: str  # 玩家姓名
    mp: int     # 魔法值
    hp: int     # 健康值
    level: int  # 级别
    ep: int     # 经验值
    weapons: list[str] # 武器列表
    equipments: list[str] # 装备列表
操作：
    attack(p: Player) # 攻击另一位玩家p
    level_up()        # 升级
    poison(t: int)          # 中毒t秒
    pick_up(weapon: str) # 装备weapon
    drop(weapon: str): # 扔掉装备
    ...
}

Python语言中的`class`¶

Python语言中，可以使用class来完成抽象数据类的定义与实现。

基本语法¶

Python语言中class的基本语法为：

class ADTName:

    def __init__(self, field1, field2...):
        # 在这里初始化类的属性、字段（Properties, Fields)
        self.field1 = field1
        slef.field2 = field2
        ...

        # 成员函数(member functions)或者方法(methods)
    def action1(self, params...):
        # function body

    def action2(self, params...):
        # function body

Python Class¶

Class & Objects¶

类是用来描述具有相同的属性和方法的对象的集合。它定义了该集合中每个对象所共有的属性和方法。

student_class_and_object

当类进行实例化后就会产生一个对象。对于前面我们实现的Student类，那么我们可以实例化出不同的对象：张三、李四等。如下图所示：

class_and_object

下面给出了抽象数据类Student的Python实现版本：

class Student:
    def __init__(self, name, age, grade, courses):
        self.name = name
        self.age = age
        self.grade = grade
        self.courses = courses

    def grow(self): # 增长1岁
        self.age += 1


    def grade_up(self): # 年级升高1年
        self.grade += 1

    def sign_up_for(self, course: str): # 添加选修课程
        if course not in self.courses:
            self.courses.append(course)

类构造(Construct)/初始化(Initialization)¶

Python中的类的构造函数是指在Python实例化时会调用的函数。他的主要工作是对对象内部的数据进行初始化的工作。他是一个特殊的函数，他由双下划线包裹着单词init构成。注意：这里的第一个参数是self, 用于指代对象本身。在下面我们可以看到，类中的方法（成员函数）都需要使用self做为第一个参数。

通常在python的构造函数中，要将所有数据都进行初始化。如下：

class Dog:
    def __init__(self, color: str, price: float):
        self.color = color
        self.price = price

定义好__init__函数后，我们就可以生成实例化对象了。下面的语句生成了两个不同的Dog对象，一个对象颜色为白色, 价钱为2000，另一个颜色的对象为黑色，价钱为100。

white_dog = Dog("white", 2000)
black_dog = Dog("black", 100)

属性(Properties)¶

前面提到过，在类初始化的过程中，初始化了很多对象内的数据，在Python中一般称为属性。当对象建立后，可以使用obj.property的方式访问对象中的属性。

print("The color of the first dog is {}.".format(white_dog.color))
print("The price of the second is {}.".format(black_dog.color))

方法(Methods)¶

在类中的方法大多时候为对象的方法。定义方法时，需要将函数的第一个参数设为self, 表明在实际对象调用该方法时，会将实例对象当做self传进函数中。这时就可以使用如self.color等方式访问和修改对象当中的实例了。

如果你不把方法的第一个参数设置为self，那么就无法使用对象后的实例访问这个方法。而变成了一个 类方法。这种情况可以使用： 类名.方法()方式进行调用。如下面的例子：

class A:
    def method_a():
        print("This is a method from class")

    def method_b(self):
        print("This is a method from instance")

a = A()

a.method_a()
a.method_b()
A.method_a()

完整的示例¶

Point and Circle¶

import math
class Point:
    def __init__(self, x: float, y: float):
        self.x = x # 横坐标
        self.y = y # 纵坐标

    def distance(self, p: Point) -> float:
        return math.sqrt( (self.x - p.x) ** 2 + (self.y - p.y) ** 2)


class Circle:
    def __init__(self, center: Point, radius: float):
        self.center = center
        self.radius = radius

    def area(self) -> float:
        return math.pi * self.radius * self.radius

    def is_tangent_to(self, circle: Circle) -> bool:
        return self.center.distance(circle.center) == self.radius + circle.radius

日期类¶

class Date:
    def __init__(self, year: int, month: int, day: int):
        self.year = year
        self.month = month
        self.day = day

    def is_leap_year(self):
        return (self.year % 100 == 0 and self.year % 400 == 0) or (self.year % 100 != 0 and self.year % 4 == 0)

    def caculate_days_between(self, another_date: Date) -> int:
        # include end date in calculation.
        # homework

作业¶

完成OJ系统中的 C001、C002 两题。

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