面向对象编程：特殊方法与运算符重载¶

在Python中，面向对象编程（OOP）是一种强大的编程范式，它允许我们通过类和对象来组织代码。Python提供了一些特殊方法（也称为“魔术方法”或“双下划线方法”），这些方法允许我们自定义类的行为。通过使用这些特殊方法，我们可以实现运算符重载、自定义对象的字符串表示等功能。

1. 特殊方法简介¶

特殊方法是以双下划线（__）开头和结尾的方法。它们通常用于定义类的特定行为。例如，__init__方法用于初始化对象，__str__方法用于定义对象的字符串表示。

1.1 `init` 方法¶

__init__ 是Python中最常用的特殊方法之一。它在创建对象时自动调用，用于初始化对象的属性。

class Person:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age

# 创建一个Person对象
person = Person("Alice", 30)
print(person.name)  # 输出: Alice
print(person.age)   # 输出: 30

在上面的代码中，__init__ 方法接受 name 和 age 作为参数，并将它们赋值给对象的属性。

1.2 `str` 方法¶

__str__ 方法用于定义对象的字符串表示。当我们使用 print() 函数打印对象时，Python会自动调用 __str__ 方法。

class Person:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age

    def __str__(self):
        return f"{self.name} is {self.age} years old."

# 创建一个Person对象
person = Person("Alice", 30)
print(person)  # 输出: Alice is 30 years old.

在这个例子中，__str__ 方法返回一个格式化的字符串，描述了 Person 对象。

2. 运算符重载¶

运算符重载是指通过定义特殊方法来改变运算符的行为。例如，我们可以通过定义 __add__ 方法来重载 + 运算符。

2.1 `add` 方法¶

__add__ 方法用于定义 + 运算符的行为。当我们对两个对象使用 + 运算符时，Python会自动调用 __add__ 方法。

class Point:
    def __init__(self, x, y):
        self.x = x
        self.y = y

    def __add__(self, other):
        return Point(self.x + other.x, self.y + other.y)

    def __str__(self):
        return f"Point({self.x}, {self.y})"

# 创建两个Point对象
p1 = Point(1, 2)
p2 = Point(3, 4)

# 使用 + 运算符
p3 = p1 + p2
print(p3)  # 输出: Point(4, 6)

在这个例子中，__add__ 方法返回一个新的 Point 对象，其 x 和 y 坐标是两个 Point 对象的坐标之和。

2.2 `eq` 方法¶

__eq__ 方法用于定义 == 运算符的行为。当我们使用 == 运算符比较两个对象时，Python会自动调用 __eq__ 方法。

class Point:
    def __init__(self, x, y):
        self.x = x
        self.y = y

    def __eq__(self, other):
        return self.x == other.x and self.y == other.y

# 创建两个Point对象
p1 = Point(1, 2)
p2 = Point(1, 2)
p3 = Point(3, 4)

# 使用 == 运算符
print(p1 == p2)  # 输出: True
print(p1 == p3)  # 输出: False

在这个例子中，__eq__ 方法比较两个 Point 对象的 x 和 y 坐标，如果它们相等，则返回 True，否则返回 False。

3. 其他常用特殊方法¶

除了上述方法外，Python还提供了许多其他特殊方法，用于定义类的各种行为。以下是一些常用的特殊方法：

__len__: 定义 len() 函数的行为。
__getitem__: 定义索引操作（如 obj[key]）的行为。
__setitem__: 定义赋值操作（如 obj[key] = value）的行为。
__delitem__: 定义删除操作（如 del obj[key]）的行为。

3.1 `len` 方法¶

__len__ 方法用于定义 len() 函数的行为。当我们对对象调用 len() 函数时，Python会自动调用 __len__ 方法。

class MyList:
    def __init__(self, items):
        self.items = items

    def __len__(self):
        return len(self.items)

# 创建一个MyList对象
my_list = MyList([1, 2, 3, 4, 5])
print(len(my_list))  # 输出: 5

在这个例子中，__len__ 方法返回 MyList 对象的 items 列表的长度。

4. 练习题¶

4.1 简单练习¶

创建一个 Rectangle 类，包含 width 和 height 属性。实现 __str__ 方法，使其返回矩形的宽度和高度。

4.2 中等练习¶

创建一个 Vector 类，包含 x 和 y 属性。实现 __add__ 方法，使其能够对两个 Vector 对象进行加法运算。

4.3 复杂练习¶

创建一个 Matrix 类，表示一个 2x2 的矩阵。实现 __add__ 和 __mul__ 方法，使其能够对两个 Matrix 对象进行加法和乘法运算。

5. 总结¶

特殊方法是以双下划线开头和结尾的方法，用于定义类的特定行为。
__init__ 方法用于初始化对象，__str__ 方法用于定义对象的字符串表示。
运算符重载通过定义特殊方法（如 __add__、__eq__）来实现。
其他常用特殊方法包括 __len__、__getitem__、__setitem__ 和 __delitem__。

通过掌握这些特殊方法，你可以更灵活地控制类的行为，并实现更复杂的操作。