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过程式编程 vs 面向对象编程&函数式编程

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    过程式编程依赖全局变量,易产生副作用;函数式编程消除全局状态,但部分场景不够直观;面向对象编程将状态封装于对象中,便于复用与维护,但前期设计较复杂。三种范式各有优劣,需根据实际需求权衡选择。

    编程范式这个话题,说起来其实挺有意思的。不同的编程范式代表了不同的思维方式,没有绝对的好坏,关键看场景。下面我们逐个聊聊三种主流范式,看看它们各自是怎么解决问题的,又有什么局限。

    1. 过程式编程

    先看一段简单的过程式代码:

    x = 2
    y = 4
    z = 8
    xyz = x + y + z
    print(xyz)
    

    你会发现,每个操作都在改变程序的状态——变量在变,内存里的值在变。这就是过程式编程的典型特征:数据放在全局变量里,函数负责处理这些数据。下面这个例子更直观:

    rock = []
    country = []
    
    def collect_songs():
        song = "Enter a song."
        ask = "Type r or c. q to quit"
        while True:
            genre = input(ask)
            if genre == "q":
                break
            if genre == "r":
                rk = input(song)
                rock.append(rk)
            elif genre == ("c"):
                cy = input(song)
                country.append(cy)
            else:
                print("Invalid.")
        print(rock)
        print(country)
    
    collect_songs()
    

    问题出在哪里?程序的状态全部暴露在全局变量中。一旦程序规模变大,多个函数都会操作同一个全局变量,你很难追踪每个地方到底改了什么。比如,某个函数把全局变量 rock 的列表改了一下,后面另一个函数又因为忘记之前的修改,再次操作同一个变量,数据准确性瞬间崩溃。

    后果很直接:功能一多,全局变量跟着增多,到最后改一个变量牵一发而动全身,代码基本没法维护。这种“副作用”(side effect)——比如不小心把某个变量递增了两次——在过程式编程里特别容易发生,而且往往防不胜防。

    2. 函数式编程

    函数式编程的解决方案很干脆:彻底消灭全局状态。程序员只依赖传入函数的参数,不依赖也不修改外部数据。函数之间通过参数传递状态,这样一来,副作用就被消除了。

    函数式代码的核心特征就是“没有副作用”。它既不依赖当前函数之外的数据,也不改变当前函数之外的数据。来看两个对比:

    带副作用的函数:

    a = 0
    def increment():
        global a
        a += 1
        print(a)
    
    # 测试代码:
    increment()  # 返回1
    print(a)     # 返回1
    

    不带副作用的函数:

    def increment(a):
        return a + 1
    
    # 测试代码:
    print(increment(2))
    

    第一个函数依赖全局变量 a 并修改了它,这就是副作用。第二个函数只依赖传进来的参数,返回新值,不碰任何外部数据——干净利落。

    函数式编程最大的好处,就是彻底消除了由全局状态引发的错误(因为根本就没有全局状态)。但缺点也很明显:有些问题用状态来描述会更直观。比如设计一个人机界面,按钮控制画面是否可见——用全局变量 True/False 多简单,不用全局状态反而要绕一大圈。

    3. 面向对象编程

    面向对象编程(OOP)同样想解决全局状态的问题,但方法不同:它用对象来保存状态,而不是用函数。类(class)定义了一组具有相同属性和行为的对象模板。比如一袋橘子,每个橘子都是一个对象,它们都有颜色、重量这些属性,但具体值不同。类就是用来建模这种“同类不同个体”的。

    在 Python 中,类的定义语法是 class [类名]:,类名惯例用驼峰命名法(首字母大写,如 LikeThis)。类里面可以定义方法(method),方法本质上就是函数,但有一个特殊要求:第一个参数必须是 self——这个名字是惯例,不能省。因为 Python 在调用方法时,会自动把对象本身传进去。

    看一个橘子类的例子:

    class Orange():
        def __init__(self, w, c):
            self.weight = w
            self.color = c
            print("Created!")
    

    __init__ 是一个特殊方法(魔法方法),在创建对象时自动调用。里面用 self.变量名 定义了实例变量——属于每个对象自己的变量。创建对象时,传入参数即可:

    orl = Orange(10, "dark")
    print(orl)  # 输出: Created! <__main__.Orange object at 0x02B30490>
    print(orl.weight)  # 10
    print(orl.color)   # dark
    

    实例变量可以随时修改:

    orl.weight = 100
    orl.color = "yellow"
    print(orl.weight)  # 100
    print(orl.color)   # yellow
    

    同一个类可以创建多个不同值的对象:

    orl2 = Orange(23, "white")
    orl3 = Orange(12, "red")
    

    对象还可以有行为。比如橘子会腐烂,我们可以写一个方法模拟:

    class Orange():
        def __init__(self, w, c):
            self.weight = w
            self.color = c
            self.mold = 0
            print("Created!")
    
        def rot(self, days, temp):
            self.mold = days * temp
    
    orl = Orange(7, "dark")
    print(orl.mold)  # 0
    orl.rot(10, 98)
    print(orl.mold)  # 980
    

    rot 方法接受两个参数(天数、温度),然后修改了对象内部的 mold 属性。这就是面向对象的典型用法:把数据和行为封装在对象内部。

    面向对象编程的优点很明显:鼓励代码复用,降低开发和维护成本;把问题拆解成对象,代码更容易理解和维护。缺点则是前期设计需要花更多功夫——你得提前规划好类、方法、继承关系等等。

    习题

    1. 定义一个叫 Apple 的类,创建 4 个实例变量,表示苹果的 4 种属性。
    2. 定义一个叫 Circle 的类,创建 area 方法计算其面积。然后创建一个 Circle 对象,调用其 area 方法,打印结果。可使用 Python 内置的 math 模块中的 pi 函数。
    3. 定义一个叫 Triangle 的类,创建 area 方法计算并返回面积。然后创建一个 Triangle 对象,调用其 area 方法,打印结果。
    4. 定义一个叫 Hexagon 的类,创建 calculate_perimeter 方法,计算并返回其周长。然后创建一个 Hexagon 对象,调用其 calculate_perimeter 方法,并打印结果。
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