量化交易入门(七)Python开发-面向对象和类

在Python中,面向对象(OO)是一种编程范式或思想,它将现实世界中的实体抽象为对象(Object),通过对象之间的交互来解决问题，在量化交易中，它可以帮助我们更好地组织和管理复杂的交易策略和系统。在面向对象编程中,我们把数据和操作数据的方法封装在对象内部,通过对象的属性(Attribute)和方法(Method)来描述对象的特征和行为。

面向对象编程的主要特点包括:

对象(Object):对象是面向对象编程的基本单位,它代表现实世界中的实体或概念。每个对象都有自己的属性和方法,可以与其他对象进行交互。

类(Class):类是对象的蓝图或模板,定义了对象的属性和方法。通过类,我们可以创建出具有相同属性和方法的多个对象实例。

封装(Encapsulation):封装是指将数据和操作数据的方法绑定在一起,形成一个逻辑上的整体。通过封装,对象可以隐藏其内部细节,只暴露必要的接口给外部使用,提供了数据保护和隐藏。

继承(Inheritance):继承是一种机制,允许我们创建新的类(子类或派生类),这些类可以继承现有类(父类或基类)的属性和方法。通过继承,我们可以实现代码的重用和扩展。

多态(Polymorphism):多态是指同一操作或函数在不同的对象上可以具有不同的行为。通过多态,我们可以使用相同的接口来处理不同类型的对象,提高代码的灵活性和可扩展性。

Python提供了定义类和创建对象的语法,并支持面向对象的特性,如封装、继承和多态。

1、类的定义和封装

让我们以一个现实生活中的人为例,来讲解Python中的类。

假设我们要描述一个人,他有以下属性:

• 姓名(name)
• 年龄(age)
• 性别(gender)
• 身高(height)

同时,这个人可以执行以下动作:

• 说话(speak)
• 走路(walk)
• 吃饭(eat)

现在,让我们用Python中的类来表示这个人:

class Person:
    def __init__(self, name, age, gender, height):
        self.name = name
        self.age = age
        self.gender = gender
        self.height = height
        
    def speak(self, words):
        print(f"{self.name} says: {words}")
        
    def walk(self, distance):
        print(f"{self.name} walks {distance} meters.")
        
    def eat(self, food):
        print(f"{self.name} eats {food}.")

在这个Person类中,我们定义了四个属性:name,age,gender和height,它们分别表示一个人的姓名、年龄、性别和身高。这些属性在__init__方法中初始化。

我们还定义了三个方法:speak,walk和eat,它们分别表示一个人说话、走路和吃饭的动作。这些方法都接受一个参数,并在方法内部使用print函数输出相应的信息。

现在,让我们创建一个Person类的实例,并调用它的方法:

person = Person("Alice", 25, "Female", 165)

person.speak("Hello, how are you?")
person.walk(500)
person.eat("an apple")

输出结果:

Alice says: Hello, how are you?
Alice walks 500 meters.
Alice eats an apple.

在这个例子中,我们创建了一个名为person的Person类实例,并传入了姓名、年龄、性别和身高的参数。然后,我们调用person实例的speak,walk和eat方法,并传入相应的参数。

通过这个例子,我们可以看到,类可以用来描述现实生活中的事物,并将其属性和行为封装在一个单独的实体中。这种方式使我们能够以一种更加结构化和组织化的方式来表示复杂的系统和概念。

2、私有变量和公有变量

私有变量和公有变量的主要区别在于访问权限和使用场景。

（1）公有变量(Public Variables):

• 公有变量可以在类内部和类外部自由访问和修改。
• 在Python中,类中的所有变量默认都是公有的。
• 公有变量的命名约定是使用小写字母和下划线的组合,例如variable_name。
• 公有变量通常用于存储类的一般属性,这些属性可以被类的方法和外部代码直接访问和修改。

示例:

class Person:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name  # 公有变量
        self.age = age    # 公有变量
        
person = Person("Alice", 25)
print(person.name)  # 输出: Alice
person.age = 26
print(person.age)   # 输出: 26

（2）私有变量(Private Variables):

• 私有变量只能在类的内部访问和修改,外部代码无法直接访问或修改私有变量。
• 在Python中,我们通过在变量名前面加上两个下划线__来表示一个变量是私有的。
• 私有变量的命名约定是使用两个下划线作为前缀,后跟小写字母和下划线的组合,例如__variable_name。
• 私有变量通常用于存储类的内部状态或敏感信息,这些信息不应该被外部代码直接访问或修改。
• 虽然Python没有真正的私有机制,但是使用双下划线前缀的变量名会被"名称修饰(name mangling)"，使其在类外部难以访问。

示例:

class BankAccount:
    def __init__(self, account_number, balance):
        self.__account_number = account_number  # 私有变量
        self.__balance = balance                # 私有变量
        
    def deposit(self, amount):
        self.__balance += amount
        
    def withdraw(self, amount):
        if amount <= self.__balance:
            self.__balance -= amount
        else:
            print("Insufficient balance.")
            
account = BankAccount("1234567890", 1000)
# account.__balance = 2000  # 这行代码会引发AttributeError,因为__balance是私有变量
account.deposit(500)
account.withdraw(200)

在这个例子中,我们定义了一个BankAccount类,其中__account_number和__balance是私有变量,表示银行账户的账号和余额。我们提供了deposit和withdraw方法来存款和取款,这些方法可以访问和修改私有变量。但是,外部代码无法直接访问或修改这些私有变量。

总的来说,公有变量用于存储可以公开访问和修改的属性,而私有变量用于存储类的内部状态或敏感信息,以防止外部代码的直接访问和修改。在设计类时,我们应该根据具体的需求来决定使用公有变量还是私有变量。通常,我们应该尽可能使用私有变量来封装类的内部状态,并提供公有的方法来访问和修改这些状态。这样可以提高类的安全性和可维护性。

3、类的继承和多态

现在,让我们通过继承来创建一个新的类Student,它继承自Person类:

class Student(Person):
    def __init__(self, name, age, student_id):
        super().__init__(name, age)
        self.student_id = student_id
        
    def study(self, subject):
        print(f"{self.name} studies {subject}.")

在这个例子中,Student类继承了Person类的所有属性和方法。通过使用super().__init__(name, age),我们调用了父类的构造函数,初始化了name和age属性。此外,Student类还添加了一个新的属性student_id和一个新的方法study。

现在,让我们创建另一个类Teacher,它也继承自Person类:

class Teacher(Person):
    def __init__(self, name, age, subject):
        super().__init__(name, age)
        self.subject = subject
        
    def teach(self, topic):
        print(f"{self.name} teaches {topic} in {self.subject}.")

Teacher类同样继承了Person类的属性和方法,并添加了一个新的属性subject和一个新的方法teach。

现在,让我们创建Student和Teacher的实例,并演示多态:

student = Student("Alice", 20, "S001")
teacher = Teacher("Bob", 35, "Math")

people = [student, teacher]

for person in people:
    person.speak("Hello!")
    person.walk(10)
    person.eat("lunch")
    
    if isinstance(person, Student):
        person.study("Python")
    elif isinstance(person, Teacher):
        person.teach("Algebra")

在这个例子中,我们创建了一个Student实例和一个Teacher实例,并将它们放在一个列表people中。然后,我们使用一个for循环遍历people列表,对每个实例调用speak、walk和eat方法。这展示了多态的概念,即我们可以使用相同的接口(Person类的方法)来处理不同类型的对象(Student和Teacher)。

此外,我们使用isinstance函数来检查每个实例的类型,并根据类型调用特定的方法(study或teach)。这展示了如何在运行时根据对象的实际类型来执行不同的操作。

通过继承和多态,我们可以创建具有层次结构的类,重用代码,并编写通用的代码来处理不同类型的对象。这使我们能够更好地组织和扩展代码,提高代码的可读性和可维护性。

示例代码地址：https://github.com/gzmusem/QuantExamples/tree/main/Examples04