Python 面向对象编程实战：构建智能家居系统

面向对象概念对比：

• 没有 new 关键字，直接 类名() 实例化。
• self 必须显式地写在方法的第一个参数里，但在调用时不需要传它。
• 构造函数统一叫 __init__。

🔐 第二章：封装

Python 没有真正的私有属性，主要靠命名约定和属性装饰器。

2.1 优雅的属性控制

假设我们要做一个'智能音箱'，音量不能调成负数，这时候就需要封装。

class SmartSpeaker:
    def __init__(self, name):
        self.name = name
        self._volume = 20  # 单下划线：暗示受保护
        self.__firmware = "v1.0"  # 双下划线：名称重整，外部极难访问

    # @property 装饰器：让方法像属性一样被访问（Getter）
    @property
    def volume(self):
        return self._volume

    # @volume.setter：对应的 Setter
    @volume.setter
    def volume(self, value):
        if 0 <= value <= 100:
            self._volume = value
            print(f"🔊 音量已调节为：{self._volume}")
        else:
            print("❌ 音量设置无效！必须在 0-100 之间")

# === 实战演练 ===
speaker = SmartSpeaker("小爱同学")
speaker.volume = 150  # 触发 setter 校验
speaker.volume = 80   # 成功
print(f"当前音量：{speaker.volume}")  # 像访问变量一样访问方法
# print(speaker.__firmware)  # 报错！私有属性无法访问

核心知识点：

• _var: 暗示受保护，不建议直接修改。
• __var: 名称重整，外部难以直接访问。
• @property: 告别丑陋的 setVolume(10)，回归优雅的 speaker.volume = 10。

👨‍👩‍👦 第三章：继承与多态

智能家居里有很多设备，它们都有开关功能，但具体功能不同。比如灯能调亮度，空调能调温度。我们不需要把开关逻辑写两遍。

3.1 子承父业

# 继承自 SmartDevice
class SmartLight(SmartDevice):
    def __init__(self, name, location, brightness=100):
        # super() 调用父类初始化
        super().__init__(name, location)
        self.brightness = brightness

    # 方法重写 (Override)
    def switch(self):
        original_msg = super().switch()
        return f"{original_msg}，当前亮度 ✨ {self.brightness}%"

    def set_color(self, color):
        return f"{self.name} 变更为氛围光：{color}"

# 另一个子类
class AirConditioner(SmartDevice):
    def adjust_temp(self, temp):
        return f"{self.name} 温度设定为 ❄️ {temp}°C"

# === 多态演示 ===
devices = [
    SmartLight("吸顶灯", "客厅"),
    AirConditioner("立式空调", "客厅")
]
for dev in devices:
    print(dev.switch())  # 同样的 switch，不同的表现

⚡ 第四章：数据类 (Dataclasses)

Python 3.7+ 提供了 @dataclass，能自动帮你写好 __init__、__str__ 等方法。

from dataclasses import dataclass

@dataclass
class SensorData:
    timestamp: str
    temperature: float
    humidity: float
    battery: int = 100  # 默认值

# 直接创建，无需手写 __init__
data = SensorData("2023-10-01 12:00", 26.5, 45.0)
print(data)
# 输出：SensorData(timestamp='2023-10-01 12:00', temperature=26.5, humidity=45.0, battery=100)

🛠️ 实战项目：打造全屋智能中控系统

我们将前面的知识点串联起来，编写一个智能中控中心 (SmartHub)。

项目需求

1. 有一个中控 Hub，管理所有设备。
2. 支持注册设备、移除设备。
3. 具备'一键回家模式'：打开所有灯，打开空调。
4. 具备简单的命令解析能力。

完整代码实现

from typing import List, Dict

# 1. 定义抽象基类 (类似 Java Interface/Abstract Class)
class IOTDevice:
    def execute_command(self, cmd: str) -> str:
        raise NotImplementedError("子类必须实现此方法")

# 2. 具体设备实现
class SmartLight(IOTDevice):
    def __init__(self, name):
        self.name = name
        self.is_on = False

    def execute_command(self, cmd: str) -> str:
        if cmd == "on":
            self.is_on = True
            return f"💡 {self.name} 已点亮"
        elif cmd == "off":
            self.is_on = False
            return f"🌑 {self.name} 已熄灭"
        return f"{self.name} 无法识别指令"

class SmartSpeaker(IOTDevice):
    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def execute_command(self, cmd: str) -> str:
        if cmd.startswith("play"):
            song = cmd.split(" ")[1]
            return f"🎵 {self.name} 正在播放：{song}"
        return "🔇 静默中"

# 3. 智能中控 (核心逻辑)
class SmartHomeHub:
    """智能家居中控系统"""
    def __init__(self, home_name: str):
        self.home_name = home_name
        # 使用字典存储设备：{ "device_id": DeviceObj }
        self._devices: Dict[str, IOTDevice] = {}

    def add_device(self, dev_id: str, device: IOTDevice):
        self._devices[dev_id] = device
        print(f"✅ [系统] 设备 {dev_id} 已接入 {self.home_name}")

    def voice_command(self, command: str):
        """简单的自然语言指令解析"""
        print(f"\n🗣️ 收到指令：'{command}'")
        if "回家" in command:
            self._activate_scene("home")
        elif "睡觉" in command:
            self._activate_scene("sleep")
        else:
            print("🤖 抱歉，我没听懂，请重试。")

    def _activate_scene(self, scene_name: str):
        """场景模式 (私有方法)"""
        print(f"--- 正在执行场景：{scene_name} ---")
        if scene_name == "home":
            # 批量操作：鸭子类型 (Duck Typing)
            for dev_id, dev in self._devices.items():
                if isinstance(dev, SmartLight):
                    print(dev.execute_command("on"))
                elif isinstance(dev, SmartSpeaker):
                    print(dev.execute_command("play Welcome_Home_Music"))
        elif scene_name == "sleep":
            for dev in self._devices.values():
                # 尝试关闭所有能关闭的东西
                print(dev.execute_command("off"))
        print("------------------------------")

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# 🚀 启动你的智能家居
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# 1. 创建中控
my_home = SmartHomeHub("钢铁侠的海景房")

# 2. 购买设备
living_room_light = SmartLight("客厅主灯")
bedroom_light = SmartLight("卧室氛围灯")
jarvis = SmartSpeaker("贾维斯音箱")

# 3. 联网
my_home.add_device("light_001", living_room_light)
my_home.add_device("light_002", bedroom_light)
my_home.add_device("speaker_001", jarvis)

# 4. 测试语音控制
my_home.voice_command("我回家了")  # 预期：灯亮，音乐响
my_home.voice_command("我要睡觉了")  # 预期：灯灭

📝 总结

恭喜你！你已经掌握了 Python 面向对象的核心：

1. 类与对象：蓝图与实体。
2. 封装：用 @property 保护数据。
3. 继承：复用代码，拒绝重复。
4. 多态/鸭子类型：关注它能做什么（方法），而不是它是什么。

通过本教程，你可以尝试扩展 SmartHomeHub 的功能，例如增加设备移除方法，或使用 json 模块实现设备状态的持久化存储。