信息安全案例教程：技術(shù)與應(yīng)用 第2版 課件 第7章 面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計

第7章面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計信息學(xué)院2024引言7.1案例：模擬乒乓球比賽7.2類和對象實例7.3面向?qū)ο蟮幕咎匦?.4面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計過程7.5編程實踐：tkinter中的彈出框7.6本章小結(jié)7.7習(xí)題在章首案例的指引下，本章將深入學(xué)習(xí)面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計思想，其中發(fā)現(xiàn)并定義類是最基礎(chǔ)也是最重要的。在編程實踐中，還將學(xué)習(xí)如何用彈出對話窗口來處理輸入和輸出。7.1案例：模擬乒乓球比賽對象的概念更符合現(xiàn)實世界中的復(fù)雜情況，每個對象既有靜態(tài)的屬性，也有動態(tài)的行為。作為一名乒乓球賽選手，他（她）有自己的技能水平，可以在一場比賽中發(fā)球、得分。運行程序，出現(xiàn)消息提示框，對模擬情景進行簡要介紹。點擊“確定”后，出現(xiàn)獲取輸入的對話框。如果用戶輸入的數(shù)據(jù)非法，出現(xiàn)消息提示框，用戶重新輸入。也可以點擊“Cancel”退出程序。輸入0.6、0.5、10000，模擬結(jié)果顯示在消息提示框里。7.1案例：模擬乒乓球比賽在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計中，程序被分解為若干個類，面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計過程就是發(fā)現(xiàn)并定義一系列類的過程。7.2類和對象實例7.2.1類的定義在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計中，我們需要根據(jù)問題來定義自己的類，而不僅僅是使用別人定義好的類。使用關(guān)鍵詞class來定義類，其一般形式如下：class<class-name>():def__init__(self,<formal-parameters>):self.<attribute-name>=<value>…def<method-name>(self,<formal-parameters>):<statements>…7.2.1類的定義<class-name>就是類的名字，命名規(guī)則和變量、函數(shù)一樣，習(xí)慣上為了區(qū)分，類名的首字母一般大寫。類的定義里面包含若干方法的定義，方法的定義和函數(shù)的定義類似。不同的是方法的第一個形參都是self，即使沒有任何其他形參，也需要有這個參數(shù)，它有著特殊的含義，指向?qū)ο笞陨?。有了這個參數(shù)，在定義任何方法的時候都可以訪問對象的屬性（self.<attribute-name>）或者其他方法（self.<method-name>）。7.2.1類的定義類中定義的第一個方法是初始化方法__init__()，每次根據(jù)類創(chuàng)建對象實例的時候都會調(diào)用這個方法，通常用來對類所包含屬性的初始化賦值。這些屬性的值可以通過調(diào)用其他方法來進行改變或者獲取，從而使得對象的屬性在對象實例存續(xù)期間都是可見的，而不僅僅限于某個方法。類所包含的屬性一般并不是直接可見的，可以通過調(diào)用方法來獲取或修改屬性的值。這種特性叫做封裝性（encapsulation）?！纠?-1】定義課程類Course在初始化方法中，定義屬性self.courses，初始化為空列表，該列表將記錄多門課程的名稱、學(xué)分和成績。定義一個從用戶那里獲取課程名稱、學(xué)分和成績的方法，命名為get_input()

，self.courses的值被修改。再定義一個輸出課程信息的方法print_courses()，課程名稱、學(xué)分和成績之間用制表符分隔?！纠?-1】定義課程類Course接下來定義幾個用來進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方法，分別是統(tǒng)計課程門數(shù)的total_courses()、統(tǒng)計總學(xué)分的total_credits()、計算GPA的gpa()。這幾個方法中都訪問了self.courses。在gpa()方法中還調(diào)用了另一個方法total_credits()?！纠?-1】定義課程類Course將對CSV文件的訪問獨立出來，分別定義write_csv()方法和read_csv()方法來完成課程信息的寫入和讀取功能。無論是寫入還是讀取，都訪問了屬性self.courses。是否將課程信息存入CSV文件取決于是否調(diào)用這兩個方法。7.2.1類的定義現(xiàn)實世界中的對象往往都可以定義成類，比如每個人都是一個對象，可以為所有人定義一個類。本章案例模擬現(xiàn)實世界中的乒乓球比賽，比賽選手也是對象，我們可以為選手定義一個類，命名為Player。首先考慮為了模擬比賽，選手類需要有哪些屬性呢？基本屬性就是他（她）的技能水平（self.prob），還有他（她）參加比賽時的得分（self.score）以及在一場比賽中他（她）已經(jīng)發(fā)了多少次球（self.serve）。7.2.1類的定義fromrandomimportrandomclassPlayer:def__init__(self,prob):self.prob=prob#技能水平self.score=0#比賽得分self.serve=0#發(fā)球次數(shù)defwinServe(self):returnrandom()<=self.prob初始化方法為屬性賦初值。除self之外，還有一個形參prob，初始化時將其賦值給對象的屬性self.prob。定義winServe()，根據(jù)選手的技能水平來模擬在一次發(fā)球中能否贏得一分。7.2.1類的定義defincScore(self):self.score=self.score+1defincServe(self):self.serve=self.serve+1defgetScore(self):returnself.scoredefgetServe(self):returnself.serve定義incScore()和incServe()方法來對比賽得分和發(fā)球次數(shù)進行累加。定義getScore()和getServe()方法來返回某個時刻的比賽得分和發(fā)球次數(shù)。本章案例的初步版本形成，將程序文件保存為ch07.py，運行程序，如果有錯誤則進行修正。試一試7.2.2對象實例類只是一個模板，我們需要根據(jù)類來創(chuàng)建一個具體的對象，對這個對象進行操作，這個過程就是實例化。實例化過程其實就是調(diào)用類的初始化方法__init__()來構(gòu)造一個對象，但與調(diào)用其他方法不同，我們使用類名而不是方法名來調(diào)用?！纠?-2】在IDLE中創(chuàng)建Course類的實例從course模塊引入Course類。用Course類名調(diào)用初始化方法來構(gòu)造一個對象實例并賦值給變量stud_course，用這個變量來記錄某個學(xué)生所學(xué)課程的名稱、學(xué)分和成績。調(diào)用get_input()方法來獲取課程信息調(diào)用print_courses()方法查看課程信息調(diào)用total_courses()、total_credits()和gpa()調(diào)用write_csv()方法將課程信息存入CSV文件中【例7-2】在IDLE中創(chuàng)建Course類的實例重新啟動Shell，再次創(chuàng)建Course類的對象實例并賦值給stud_course，此時調(diào)用print_courses()方法可以看到?jīng)]有任何課程信息，因為這是一個新的被初始化的對象變量。調(diào)用get_input()方法獲取課程信息調(diào)用write_csv()方法將課程信息存入文件調(diào)用total_courses()、total_credits()和gpa()調(diào)用read_csv()方法讀取課程信息調(diào)用print_courses()方法，看到上一次和這一次輸入的課程信息7.2.2對象實例本章案例中，我們已經(jīng)定義好了選手類Player，下面在IDLE解釋器中創(chuàng)建其對象實例并進行操作。從ch07模塊引入Player類。>>>fromch07importPlayer然后用Player類名調(diào)用初始化方法來構(gòu)造一個對象實例并賦值給變量playerA，其技能水平為0.6。>>>playerA=Player(0.6)比賽剛開始時playerA先發(fā)球，調(diào)用incServe()方法增加一次發(fā)球。>>>playerA.incServe()7.2.2對象實例調(diào)用winServe()方法來模擬一次playerA發(fā)球時能否贏得一分，結(jié)果為False，不得分。>>>playerA.winServe()False接下來仍然是playerA發(fā)球，調(diào)用incServe()方法再增加一次發(fā)球，。>>>playerA.incServe()7.2.2對象實例調(diào)用winServe()方法再模擬一次，結(jié)果為True，調(diào)用incScore()方法增加一分。>>>playerA.winServe()True>>>playerA.incScore()最后調(diào)用getServe()和getScore()方法觀察當(dāng)前playerA的發(fā)球次數(shù)和得分情況，分別為2和1。>>>playerA.getServe()2>>>playerA.getScore()1一場乒乓球比賽需要兩位選手，再創(chuàng)建另一個選手對象playerB，繼續(xù)至少兩個回合的比賽，觀察雙方的發(fā)球次數(shù)和得分情況。試一試面向?qū)ο蟮幕咎卣靼ǚ庋b性、繼承（inheritance）和多態(tài)性（polymorphism），其中多態(tài)性和繼承密切相關(guān)。7.3面向?qū)ο蟮幕咎匦?.3.1封裝性封裝把“what”和“how”區(qū)分開，在使用對象時我們只需要知道它是什么（即“what”），并不需要知道它是怎么實現(xiàn)的（即“how”）。當(dāng)我們使用別人定義的類或函數(shù)的時候，很容易理解什么是封裝性，因為我們并不知道這些類或函數(shù)的實現(xiàn)細(xì)節(jié)。在使用自己定義的類或函數(shù)的時候，我們既知道它是什么，也知道它是怎么實現(xiàn)的，但是仍然要區(qū)分開實現(xiàn)和使用。7.3.1封裝性將實現(xiàn)和使用分離，只要外部接口不變，內(nèi)部實現(xiàn)細(xì)節(jié)如何變化也不會影響外部的使用。封裝性的另一個好處就是支持代碼重用（codereuse），我們在一個模塊里定義的類，可以很方便地在其他模塊中引入，而無需重復(fù)寫一遍代碼，對類的定義修改了，所有引入它的模塊都修改了。對象之間的交互就是消息的傳遞。調(diào)用對象的方法就是給這個對象發(fā)送一條消息，請求它按照這個方法的功能執(zhí)行相應(yīng)的操作。【例7-3】定義Person類記錄人的ID、姓名、出生地等信息，并定義一個用來進行自我介紹的方法self_intro()

。一般做自我介紹時，不會介紹ID，所以單獨定義一個返回ID的get_id()方法。創(chuàng)建Person類的對象實例并賦值給變量personA，初始化過程傳遞了相應(yīng)的屬性值作為參數(shù)，然后給personA發(fā)送一條消息，請他（她）做自我介紹。7.3.1封裝性這個例子中可以這樣理解封裝性，在main()函數(shù)中并不知道Person類是如何定義的，也不知道它有哪些屬性，但知道要用什么參數(shù)來構(gòu)造一個對象實例（初始化方法的外部接口），也知道有一個self_intro()方法可供調(diào)用，但并不知道這個方法是如何進行自我介紹的。對self_intro()方法內(nèi)部實現(xiàn)細(xì)節(jié)的修改，并不影響main()函數(shù)對它的調(diào)用。7.3.2繼承和多態(tài)性在定義一個類時，可以從已有的類中繼承其屬性和方法，這個新定義的類稱為子類（subclass），被繼承的類稱為父類（parentclass）或超類（superclass）。利用繼承關(guān)系，子類無需重復(fù)定義父類中已有的屬性和方法，也有利于代碼重用。定義繼承關(guān)系的形式如下：class<sub-class-name>(<parent-class-name>):我們可以基于Person類來定義Player類，使得Player類能夠繼承Person類中定義的所有屬性和方法。7.3.2繼承和多態(tài)性frompersonimportPersonclassPlayer(Person):def__init__(self,iden,name,birth,prob):Person.__init__(self,iden,name,birth)self.prob=prob#技能水平self.score=0#比賽得分self.serve=0#發(fā)球次數(shù)…defmain():

playerA=Player('01','ZhangSan','Beijing',0.6)

playerA.self_intro()if__name__=="__main__":main()在括號內(nèi)加上父類的名字Person，就可以繼承來自于Person類的屬性和方法了。初始化一個選手對象時也需要傳遞Person類的屬性值作為參數(shù)。首先調(diào)用父類的初始化方法，并將參數(shù)傳遞給它。創(chuàng)建一個選手對象時，除技能水平外，也傳遞了ID、姓名、出生地的參數(shù)值。7.3.2繼承和多態(tài)性Player類中并沒有重復(fù)定義Person類中的屬性和方法，而是通過繼承自動獲得，提高了效率，結(jié)構(gòu)上也更加層次分明，易于理解。上例中子類的對象直接繼承了父類中定義的方法并調(diào)用了它，實際上子類還可以對父類中定義的方法進行重寫，以滿足自身特殊化需求。如果一個父類有多個子類，這些子類可以對從父類繼承來的同一個方法進行重寫，也就是同一個方法在父類和不同的子類中實現(xiàn)代碼不同，這種特性就稱為多態(tài)性?！纠?-4】定義學(xué)生類Student定義一個獲取學(xué)號的方法get_stu_id()。重寫父類中定義的self_intro()方法，除了基本信息介紹外，還增加了學(xué)生信息的介紹。創(chuàng)建一個學(xué)生對象stud，傳遞基本信息和學(xué)生信息，調(diào)用子類中重寫的self_intro()方法，調(diào)用父類中的get_id()方法和子類中的get_stu_id()方法。定義Person類的另一個子類：教師類Teacher，用來記錄教師的工號、學(xué)校、學(xué)院等信息，重寫Person類的self_intro()方法，使其包含教師信息。試一試面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計過程就是發(fā)現(xiàn)并定義一系列類的過程。7.4面向?qū)ο蟮脑O(shè)計過程序號步驟說明（1）尋找候選對象從問題描述開始仔細(xì)分析，對象通常是名詞，且具有較為復(fù)雜的屬性和行為（2）識別屬性識別對象所包含的信息，一些屬性可以用簡單的數(shù)據(jù)類型表示，另一些則可能指向復(fù)雜的對象/類（3）設(shè)計接口對象類需要哪些操作，問題描述中有哪些描述行為的動詞，列出類所需要的方法（4）設(shè)計重要方法采用自頂向下、逐步求精的方法對較為復(fù)雜的方法進行詳細(xì)設(shè)計，進一步分解（5）不斷迭代設(shè)計過程并非是線性的，設(shè)計新類、給現(xiàn)有類添加屬性和方法都是不斷迭代的（6）嘗試替代方案好的設(shè)計都是不斷試錯（tryanderror），不要害怕放棄不可行的方案，也不要害怕嘗試新的想法7.4.1尋找候選對象本章案例的問題描述是：模擬兩位選手之間的很多場比賽，看看最終各勝負(fù)多少場。不難發(fā)現(xiàn)，“比賽”、“選手”都是關(guān)鍵的名詞，將它們作為對象進行設(shè)計。同時，要模擬很多場比賽，并對結(jié)果進行統(tǒng)計，這個動作是“比賽”和“選手”無法完成的，因此，將“統(tǒng)計結(jié)果”也作為對象進行設(shè)計。解決問題的思路是：兩位有著各自技能水平的選手打比賽，每打完一場比賽，就更新統(tǒng)計結(jié)果，打完N場比賽后輸出最終統(tǒng)計結(jié)果。7.4.2設(shè)計并定義類選手類Player我們已經(jīng)設(shè)計并定義好了，其中所有方法的設(shè)計和實現(xiàn)代碼都非常簡單。下面來設(shè)計并定義比賽類Game和統(tǒng)計結(jié)果類SimStats，需要說明的是，設(shè)計過程也是不斷迭代和不斷試錯的，這里呈現(xiàn)的是最終設(shè)計結(jié)果。Game類“比賽”有哪些屬性呢？首先需要兩位選手，其次是每一個回合發(fā)球方是誰，根據(jù)乒乓球計分規(guī)則，發(fā)球方輸球，對手方要得分。classGame:def__init__(self,probA,probB):#初始化一場比賽self.playerA=Player(probA)self.playerB=Player(probB)self.server=self.playerA

self.opponent=self.playerB構(gòu)造一個Game對象需要傳遞的參數(shù)就是雙方選手的技能水平probA和probB。self.playerA和self.playerB都是Player對象，初始化時傳遞的參數(shù)是技能水平。假設(shè)總是self.playerA先發(fā)球，那么對手方就是self.playerB。Game類“比賽”中最重要的操作就是“打”了，定義play()方法，采用自頂向下的方法進行進一步分解。defplay(self):whilenotself.isOver():self.checkServer()self.server.incServe()ifself.server.winServe():self.server.incScore()else:self.opponent.incScore()“打”的過程需要循環(huán)，終止條件是比賽結(jié)束，分解出isOver()方法來進行判斷。每個回合都需要確定誰發(fā)球，分解出checkServer()方法來確定。發(fā)球方的發(fā)球次數(shù)累加一次，如果贏了則得一分，否則對手方得一分。Game類defisOver(self):

a,b=self.getScores()returnabs(a-b)>=2and(a>=11orb>=11)defgetScores(self):returnself.playerA.getScore(),self.playerB.getScore()根據(jù)雙方選手的得分來判斷比賽是否結(jié)束，設(shè)計并調(diào)用Game類的getScores()方法來獲取雙方選手的得分。分別調(diào)用兩位選手的getScore()方法。Game類defcheckServer(self):

a,b=self.getScores()ifabs(a-b)<2and(a>10orb>10):#如果是10平之后self.changeServer()elifself.server.getServe()%2==0andself.server.getServe()!=0:self.changeServer()defchangeServer(self):ifself.server==self.playerA:self.server=self.playerBself.opponent=self.playerAelse:self.server=self.playerAself.opponent=self.playerB如果是10平之后，每發(fā)一個球都換發(fā)，否則發(fā)球方累計發(fā)球次數(shù)為偶數(shù)且不為0時換發(fā)。分解出changeServer()方法來完成換發(fā)球。Simstats類“統(tǒng)計結(jié)果”的屬性就是雙方選手各贏了多少場。classSimStats:def__init__(self):self.winsA=0self.winsB=0Simstats類“統(tǒng)計結(jié)果”中最重要的操作就是“更新”了，定義update()方法，根據(jù)一場比賽的結(jié)果來更新統(tǒng)計結(jié)果。defupdate(self,aGame):

a,b=aGame.getScores()ifa>b:#選手A贏了self.winsA=self.winsA+1else:#選手B贏了self.winsB=self.winsB+1defgetResult(self):returnself.winsA,self.winsB形參aGame是一個Game對象。調(diào)用其getScores()方法獲取一場比賽結(jié)束后雙方的得分。定義一個返回統(tǒng)計結(jié)果的方法getResult()。simpledialog和messagebox是tkinter中的兩個包，前者用來彈出輸入對話框，后者用來彈出消息對話框。fromtkinterimportsimpledialog,messageboxsimpledialog包的常用函數(shù)：7.5編程實踐：彈出對話框函數(shù)功能askfloat(title=None,prompt=None)從用戶那里獲取一個小數(shù)，若不是，提示“非法值”，要求用戶重新輸入askinteger(title=None,prompt=None)從用戶那里獲取一個整數(shù)，若不是，提示“非法值”，要求用戶重新輸入askstring(title=None,prompt=None)從用戶那里獲取一個字符串，若不是，提示“非法值”，要求用戶重新輸入7.5編程實踐：彈出對話框函數(shù)功能showerror(title=None,message=None)打開一個錯誤提示對話框showinfo(title=None,message=None)打開一個信息提示對話框showwarning(title=None,message=None)打開一個警告提示對話框askyesno(title=None,message=None)打開一個“是/否”對話框，返回True或Falseaskretrycancel(title=None,message=None)打開一個“重試/取消”對話框，返回True或Falsemessagebox包的常用函數(shù)：【例7-5】修改Course類定義的輸入輸出分別調(diào)用simpledialog中的askstring()和askinteger()函數(shù)接收課程信息輸入。詢問用戶是否繼續(xù)輸入調(diào)用messagebox中的askyesno()函數(shù)。將所有要輸出的字符串合并在變量info中，然后將其作為參數(shù)調(diào)用messagebox中的show