[Python物件導向]解析Python物件導向設計的3種類型方法(Instance,Class,Static Method)

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在淺談Python類別(Class)的文章最後有提到物件導向設計的方法類型有分為三種，嚴格來說還有第四種抽象方法(Abstract Method)，這個待介紹Python多型(Polymorphism)設計時，再來詳細介紹。

今天要說明的以下三種方法(Method)在物件導向設計(Object-oriented programming)中非常的重要，瞭解其觀念及應用有助於類別(Class)的設計更有彈性且易於維護。

• 實體方法(Instance Method)
• 類別方法(Class Method)
• 靜態方法(Static Method)

一、實體方法(Instance Method)

Python類別(Class)中沒有加任何裝飾詞(Decorator)的方法(Method)，至少要有一個self參數，於方法(Method)被呼叫時指向物件(Object)，其後可以依需求增加額外參數，如下範例：

#汽車類別
class Cars:
    #實體方法(Instance Method)
    def drive(self):
        print("Drive is instance method.")

實體方法(Instance Method)透過self參數可以自由的存取物件(Object)的屬性(Attribute)及其他方法(Method)，藉此來改變物件(Object)的狀態，如下範例：

# 汽車類別
class Cars:
    # 建構式
    def __init__(self):
        self.color = "blue"

    # 實體方法(Instance Method)
    def drive(self):
        print(f"{self} is {self.color}.")
        self.message()  # 呼叫其他方法

    # 實體方法(Instance Method)
    def message(self):
        print("Message method is called.")


mazda = Cars()
mazda.drive()

執行結果

從執行結果可以看到，我們印出self參數時，結果顯示為Cars類別的物件(Object)，也就是說呼叫實體方法(Instance Method)時，Python編譯器會傳入物件(Object)，使得self參數指向該物件(Object)。

另一方面，當透過類別(Class)呼叫實體方法(Instance Class)時，這會使得Python編譯器無法將self參數指向物件(Object)，而發生TypeError的錯誤，如下範例：

# 汽車類別
class Cars:
    # 建構式
    def __init__(self):
        self.color = "blue"

    # 實體方法(Instance Method)
    def drive(self):
        print(f"{self} is {self.color}.")


Cars.drive()

執行結果

另外，在實體方法(Instance Method)中可以透過self.__class__屬性(Attribute)來改變類別(Class)的狀態，如下範例：

# 汽車類別
class Cars:
    door = 4  #類別屬性

    # 實體方法(Instance Method)
    def drive(self):
        self.__class__.door = 5


print("Cars original door: ", Cars.door)

mazda = Cars()
mazda.drive()
print("Cars new door: ", Cars.door)

執行結果

範例中實體方法(Instance Method)即利用self.__class__屬性(Attribute)來改變door類別屬性(Class Attribute)。

二、 類別方法(Class Method)

Python類別(Class)中有@classmethod裝飾詞(Decorator)的方法(Method)，被呼叫時，相較於實體方法(Instance Method)的self參數指向物件(Object)，類別方法(Class Method)為cls參數，指向類別(Class)，如下範例：

# 汽車類別
class Cars:
    # 類別方法(Class Method)
    @classmethod
    def open_door(cls):
        print("Open door is class method.")

由於類別方法(Class Method)的cls參數指向類別(Class)，所以類別方法(Class Method)僅能改變類別的狀態，而無法改變物件(Object)的狀態，因為它沒有self參數可以存取物件的屬性(Attribute)及方法(Method)。如下範例：

# 汽車類別
class Cars:
    door = 4  # 類別屬性

    # 類別方法(Class Method)
    @classmethod
    def open_door(cls):
        print(f"{cls} has {cls.door} doors.")


mazda = Cars()
mazda.open_door()  #透過物件呼叫

Cars.open_door()  #透過類別呼叫

執行結果

執行結果顯示當類別方法(Instance Method)被呼叫時，Python編譯器會傳入類別(Class)，使得cls參數指向該類別(Class)，接著透過cls參數來存取類別屬性(Attribute)。

另外，Python的類別方法(Class Method)常應用於產生物件(Object)，如下範例：

# 汽車類別
class Cars:
    # 建構式
    def __init__(self, seat, color):
        self.seat = seat
        self.color = color

    # 廂型車
    @classmethod
    def van(cls):
        return cls(6, "black")

    # 跑車
    @classmethod
    def sports_car(cls):
        return cls(4, "yellow")


van = Cars.van()
sports_car = Cars.sports_car()

van及sports_car類別方法(Class Method)利用cls參數初始化物件，並且回傳。當然，以這個範例來說，不一定要透過類別方法(Class Method)來建立物件(Object)，可以單純透過建構子(Constructor)即可，主要是要表達當建立物件(Object)的邏輯較複雜時，透過類別方法(Class Method)可以將邏輯封裝起來，來源端只要依需求呼叫相應的類別方法(Class Method)來建立物件(Object)即可。

就像範例中，想要跑車則呼叫跑車類別方法(Class Method)來建立跑車，至於物件(Object)的初始化過程(建造跑車的過程)封裝在類別方法中(Class Method)，它會幫我們完成並回傳，就像建立物件(Object)的工廠一樣，所以類別方法(Class Method)也被稱為工廠方法(Factory Method)，讓程式碼簡潔且易於維護。

三、靜態方法(Static Method)

Python類別中有@staticmethod裝飾詞(Decorator)的方法(Method)，可以接受任意的參數，也因為它沒有self及cls參數，所以靜態方法(Static Method)無法改變類別(Class)及物件(Object)的狀態，如下範例：

# 汽車類別
class Cars:
    #靜態方法
    @staticmethod
    def accelerate():
        print("Accelerate is static method.") 

 靜態方法(Static Method)在類別(Class)中是一個獨立的方法(Method)，通常應用於方法(Method)中無需存取物件(Object)的屬性(Attribute)或方法(Method)，單純執行傳入參數或功能上運算的情況，如下範例：

# 汽車類別
class Cars:
    # 速率靜態方法
    @staticmethod
    def speed_rate(distance, minute):
        return distance / minute


# 透過物件呼叫
van = Cars()
van_rate = van.speed_rate(10000, 20)
print("van rate: ", van_rate)

# 透過類別呼叫
sports_car_rate = Cars.speed_rate(20000, 20)
print("sports car rate: ", sports_car_rate)

執行結果

來源端不論透過類別(Class)或物件(Object)皆可呼叫，Python編譯器於執行期間(Runtime)不會傳入self及cls參數至靜態方法(Static Method)。

使用靜態方法(Static Method)有幾個優點是，在開發過程中可以避免新加入的開發人員意外改變類別(Class)或物件(Object)的狀態(因為方法中無self及cls參數)，而影響到類別(Class)原始的設計。其二則是靜態方法(Static Method)在類別中是獨立的，所以有助於單元的測試。

四、小結

以上就是Python物件導向設計中的三種方法(Method)類型教學，希望透過此文章對於各方法(Method)的觀念及應用有進一步的認識，在練習的過程中若有碰到任何問題或說明不清楚的地方，歡迎留言與我分享！

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