Day 13 物件導向入門

引言

過去十二天，我們寫的都是函式導向的程式：用變數儲存資料、用函式處理資料，再用串列、字典把資料裝在一起。這種寫法在規模小的時候很直覺，但專案一長，函式之間的關係就會變得難以追蹤。光是要記住「哪些函式會改哪些變數」「哪些變數在哪個模組裡」就要花上不少心思，維護起來也容易踩到地雷。

物件導向（OOP）提供了另一種思路：把「資料」與「操作資料的函式」綁在一起，這個組合就稱為「物件」。學會這種寫法，程式碼會更像在描述真實世界的角色與行為，閱讀起來也更貼近自然語言。學物件導向不只是為了寫大型軟體，更是為了看懂接下來的 PyTorch 神經網路：PyTorch 把每一層神經網路定義成一個 class（類別），模型的每一層都是物件；如果你不懂 self、__init__ 與方法呼叫，看 PyTorch 模型程式碼會霧煞煞。今天先用簡單的生活範例把基礎打穩，明天再進到繼承與小專案。

類別與物件：class 的基本結構

類別（class）是物件的藍圖，物件（object）是類別的實例。可以把類別想成「房屋的設計圖」，把物件想成「依照設計圖蓋出來的每一棟房子」。在 Python 中定義類別非常簡單，使用 class 關鍵字即可。類別內的函式稱為方法（method），第一個參數慣例上命名為 self，代表「這個物件自己」。

class Dog:
    # 建構子：建立物件時自動執行
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name  # 實例屬性
        self.age = age

    def bark(self):
        print(f"{self.name} 汪汪叫！")

    def introduce(self):
        print(f"我叫 {self.name}，今年 {self.age} 歲")

# 建立物件
dog1 = Dog("小黑", 3)
dog1.bark()         # 輸出：小黑 汪汪叫！
dog1.introduce()    # 輸出：我叫 小黑，今年 3 歲

__init__ 是建構子，在建立物件時會自動呼叫，用來設定初始狀態。self.name = name 的意思是「把傳進來的參數 name 存到這個物件自己的 name 屬性」。呼叫方法時，dog1.bark() 其實是 Python 在幫我們把 dog1 傳給 bark 的 self 參數，所以即使定義時有 self，呼叫端不必再傳一次。這種「方法自動拿到自己」的設計，就是物件導向把資料與行為綁在一起的關鍵。

同一個類別可以建立多個物件，每個物件各自擁有自己的屬性。dog1.name 與 dog2.name 是兩個完全獨立的變數，修改其中一個不會影響到另一個。這種隔離讓我們能用同一個藍圖產出多個獨立個體，是模擬真實世界最直觀的方式。當一個程式需要同時處理多筆同性質的資料（例如 100 張訂單、1000 張圖片），這種設計就能讓我們用一致的介面操作每一筆資料，而不需為每筆單獨寫程式。

屬性：實例屬性與類別屬性

屬性（attribute）是儲存在物件裡的變數。剛剛看到的 self.name 是「實例屬性」，每個物件各自獨立。相對地，「類別屬性」則是所有物件共享的，放在類別內、方法外。類別屬性適合存放所有實例都相同的設定，例如物種、單位、預設值等。

class Dog:
    species = "Canis familiaris"  # 類別屬性，所有物件共享

    def __init__(self, name, age):
        self.name = name        # 實例屬性，每個物件獨立
        self.age = age

dog1 = Dog("小黑", 3)
dog2 = Dog("小白", 5)

print(dog1.species)  # 輸出：Canis familiaris
print(dog2.species)  # 輸出：Canis familiaris

dog1.age = 4         # 只影響 dog1
print(dog1.age)      # 輸出：4
print(dog2.age)      # 輸出：5

類別屬性可以透過類別本身或任一個物件存取，但只有從類別修改才會真正改變共享的值。如果用 dog1.species = "其他物種"，其實是在 dog1 上「新增」一個實例屬性，把原本的類別屬性遮蔽起來，並沒有改到全體共享的值。如果之後想動態新增屬性，也可以直接 dog1.color = "black"，不過建議一開始就在 __init__ 中定義完整，讓結構清楚、除錯時也比較容易找到欄位來源。實務上也建議把類別屬性集中在類別最上方，這樣閱讀程式的人能一眼看到所有物件共用的設定。

方法：實例方法、類別方法、靜態方法

方法（method）是定義在類別內的函式，依照用途可以分成三種。常見的是實例方法，第一個參數是 self，能存取物件的屬性。如果想操作整個類別而不是單一物件，可以用 @classmethod 裝飾，第一個參數是 cls。如果方法和類別、物件都沒關係，只是想歸類在一起，可以用 @staticmethod。

class Circle:
    pi = 3.14159

    def __init__(self, radius):
        self.radius = radius

    # 實例方法：用 self 存取物件屬性
    def area(self):
        return Circle.pi * self.radius ** 2

    # 類別方法：用 cls 存取類別屬性，常用來建立替代建構子
    @classmethod
    def from_diameter(cls, diameter):
        return cls(diameter / 2)

    # 靜態方法：不存取 self 或 cls，純函式
    @staticmethod
    def unit():
        return "cm"

c1 = Circle(5)
print(c1.area())              # 輸出：78.53975
c2 = Circle.from_diameter(10)
print(c2.radius)              # 輸出：5.0
print(Circle.unit())          # 輸出：cm

@classmethod 常用來做「替代建構子」，例如從字串、字典、檔案內容建立物件；@staticmethod 則像一般函式，只是為了組織程式碼而放在類別內。初學者先熟悉實例方法即可，後續兩種看專案需要再使用。當你開始看到別人的程式碼出現 @classmethod，第一直覺應該是「這是用來提供另一種建立物件的方式」，這對理解大型專案的設計會很有幫助。

特殊方法：str 與 repr

當你 print 一個物件時，預設會顯示像 <__main__.Dog object at 0x000001> 這種沒什麼用的記憶體位址。透過定義 __str__ 與 __repr__ 這兩個特殊方法（dunder methods，因為名字前後各兩個底線），可以讓 print 與除錯輸出更友善。這些特殊方法會在特定場合被 Python 自動呼叫，是「物件與內建機制溝通」的標準介面。

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

    def __str__(self):
        # 給 print() 與 str() 使用
        return f"Dog(name={self.name}, age={self.age})"

    def __repr__(self):
        # 給除錯與互動式環境使用
        return f"Dog({self.name!r}, {self.age})"

dog = Dog("小黑", 3)
print(dog)       # 輸出：Dog(name=小黑, age=3)
print(repr(dog)) # 輸出：Dog('小黑', 3)

__str__ 偏向給一般使用者看，__repr__ 偏向給開發者除錯用，理想上 __repr__ 應該盡量像一段可執行的程式碼。除了這兩個，還有 __len__、__eq__、__getitem__ 等特殊方法，能讓物件支援 len()、== 比較、[i] 索引這些內建語法，是 Python 物件導向很重要的一環。等我們之後寫到 PyTorch 的自定義層時，就會用到 __call__ 讓物件可以像函式一樣被 invoke，這也是深度學習框架大量依賴的特殊方法機制。

結語

今天從最基本的 class、__init__、self 開始，建立物件導向的基礎觀念。我們了解到實例屬性與類別屬性的差別、三種方法的用途，以及透過 __str__、__repr__ 讓物件輸出更友善。物件導向的核心不是語法，而是「把資料與行為綁在一起」的思考方式，後續寫模型、寫工具都會用上。建議自己動手定義一個簡單的類別，例如 Notebook（記事本）或 Todo（待辦事項），把今天學到的屬性、方法、特殊方法都實際用過一次。動手寫過一次，會比只看文章更能體會 self 與物件狀態的存在感，也會發現實際呼叫時少了 self 反而會更直覺。

明天，我們會進一步學繼承、封裝與多型，再用這些觀念實作一個簡單的記帳小專案，順便為之後 PyTorch 的 nn.Module 鋪路。等你跟著進度寫完兩天，就會發現「類別 + 繼承」其實就是把生活裡的分類思考（動物→狗貓、記帳→收入/支出）直接映射到程式碼，沒有想像中那麼抽象。

Hao程式筆記

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