2.3 面向对象编程
2.2节中实现井字棋游戏的代码体现了一种面向过程的编程设计思路。例如，从接收玩家输入到判断胜负，再到显示新的棋盘，将整体游戏逻辑根据相应过程拆开，然后分别用函数实现每个过程的逻辑。当程序功能非常简单时，基于过程的设计思路没什么问题。但当程序功能越来越复杂时，我们需要一种更灵活的设计思路，也就是面向对象编程，其英文名为Object-Oriented Programming，通常缩写为OOP。
面向对象编程的主要观点是不应该将程序拆分为若干过程，而应该将其拆分为自然对象的模型。面向对象编程涉及几个关键概念，包括类、对象、组件、属性和行为。我们分别来解释这些关键概念。类可以看作一张蓝图或图纸，代表了抽象概念，而对象是具体的事物。类和对象的关系是抽象和具体的关系，就好比汉字“马”所代表的抽象概念，和一匹正在草原上奔跑的骏马所代表的具体事物的关系。战国时期所说的“白马非马”的故事，就包含抽象和具体的关系。
一个复杂的类可能是由多个组件构成的。例如，汽车是由发动机、车身、底盘等组件构成的，而这些组件本身也是类，如发动机类、车身类或底盘类。类是有属性的，属性是类的数据特征，例如马是有颜色的，颜色是马这个类的属性，如果具体到作为对象的一匹马，则有的马是白色的，有的马是黑色的。不同的具体的马作为对象，可以有不同的属性值。
类也是有行为的。行为定义了类可以做什么事（具有什么功能），例如马可以奔跑，这是马的一种功能。
面向对象编程的设计思路体现了一种模块化建造、分而治之的思想，就像造汽车，工厂根据不同部件的关联程度将汽车分成几个模块，分发到不同的车间来建造。例如发动机车间专门造发动机，车身车间专门造车身，底盘车间专门造底盘，总装车间根据接口将它们组装起来，各车间只需专注自己的模块的建造，互不干扰。而且在研发新款车型时，可能只需要更改底盘，而老款的发动机仍可以使用。面向对象编程的优点归纳如下。
■ 分别用类来封装各自的数据和函数，代码相对独立，更容易修改和管理。
■ 让设计思路更清晰，编程更高效，代码更容易理解且不容易出错。
■ 可以直接使用现成的类，代码能更好地重用。
这里还是以2.2节的井字棋游戏为例进行说明。在面向对象编程的设计思路下，游戏本身是一个类，某个特定的游戏是一个对象，它是这个类的具体实例。游戏类包括一个重要的组件，也就是棋盘类。棋盘类包含两个属性，也就是棋盘大小和棋盘空间本身。棋盘类也包括若干函数，例如显示棋盘信息函数、判断胜负函数等。作为游戏类的组件，棋盘类还有一个属性，即当前需要落子的玩家。另外游戏类也包括若干函数，例如处理玩家输入的函数等。
我们可以根据游戏逻辑，将游戏程序用类图的形式进行重新设计。图2-4所示为设计好的游戏类Game和棋盘类Board的类图。类图中显示了各个类中包含的属性和函数。它可以让我们更清楚地检查类的设计，以及类之间的关系。
图2-4
下面我们根据面向对象编程的设计思路来修改原有的代码。首先定义棋盘类，也就是Board类。在初始化函数中定义两个属性，分别是棋盘大小属性size，以及棋子信息属性pieces。
class Board:
def __init__(self,size):
self.size=size
self.pieces = ['.'] * size * size
Board类有显示棋盘的函数show。
def show(self):
print("\n")
print("%s|%s|%s"%(self.pieces[0],self.pieces[1],self.pieces[2]))
print("-+-+-")
print("%s|%s|%s"%(self.pieces[3],self.pieces[4],self.pieces[5]))
print("-+-+-")
print("%s|%s|%s"%(self.pieces[6],self.pieces[7],self.pieces[8]))
Board类也有用于判断有没有空白位置可以落子的hasMovesLeft函数。
def hasMovesLeft(self):
return'.'inself.pieces
Board类还需要有一个用于判断当前落子位置是否符合游戏规则的isMoveValid函数，以及用于落子后修改棋子信息的setMove函数。因为用户的输入是二维的坐标数据，所以需要建立一个辅助函数locToMove，负责将输入从二维的棋盘坐标转换为一维的列表索引。
def locToMove(self,loc):
return int(loc[1]+loc[0]*self.size)
def isMoveValid(self,loc):
move = self.locToMove(loc)
if self.pieces[move]=='.':
return True
else:
return False
def setMove(self,loc,player):
move = self.locToMove(loc)
self.pieces[move]=player
Board类当然也包括判断棋局胜负的hasWon函数。这里的实现逻辑和2.2节中代码显示的一样。
def hasWon(self,player):
winningSet = [player in range(self.size)]
row1 = self.pieces[:3]
row2 = self.pieces[3:6]
row3 = self.pieces[6:]
if winningSet in [row1,row2,row3]:
return True
col1=[self.pieces[0],self.pieces[3],self.pieces[6]]
col2=[self.pieces[1],self.pieces[4],self.pieces[7]]
col3=[self.pieces[2],self.pieces[5],self.pieces[8]]
if winningSet in [col1,col2,col3]:
return True
diag1=[self.pieces[0],self.pieces[4],self.pieces[8]]
diag2=[self.pieces[6],self.pieces[4],self.pieces[2]]
if winningSet in [diag1,diag2]:
return True
return False
然后在Board类基础上构造游戏类，即Game类。Game类的初始化函数中包括当前玩家属性currentPlayer，以及前面定义好的Board类，将其实例化，把生成的棋盘对象作为Game类的一个组件。
class Game:
def __init__(self,boardSize,startPlayer):
self.currentPlayer = startPlayer
self.board=Board(boardSize)
print("井字棋游戏开始")
print("规则：三子连成直线即胜利")
print("X先手,O后手")
Game类中包括轮换玩家的getNextPlayer函数。
@staticmethod
def getNextPlayer(currentPlayer):
if currentPlayer=='X':
return'O'
else:
return'X'
Game类中还包括处理玩家输入的getPlayerMove函数。
def getPlayerMove(self):
while(True):
userMove=input(f'\n玩家{self.currentPlayer}输入棋盘坐标(坐标取值0,1,2):X,Y?')
userMoveLoc=[int(char) for char in userMove.split(',')]
if self.board.isMoveValid(userMoveLoc):
self.board.setMove(userMoveLoc,self.currentPlayer)
break
然后将完整的游戏逻辑整合到play函数中。
def play(self):
self.board.show()
while self.board.hasMovesLeft():
self.getPlayerMove()
self.board.show()
if self.board.hasWon(self.currentPlayer):
print('\n玩家'+self.currentPlayer+'胜利!')
break
self.currentPlayer=self.getNextPlayer(self.currentPlayer)
最终的main入口非常简洁。我们只需要将Game类实例化，生成game对象，再调用其play函数即可。在代码重构过程中，我们将原本零散的代码进行了划分，按类进行重构，使其逻辑层次更为清晰、更容易理解。完整的代码可以参见第2章的对应代码文件tic_human_class.py。
if __name__ == '__main__':
game = Game(boardSize=3,startPlayer='X')
game.play()