CS1602Introduction to Computation
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Lecture 10 · Handout

Classes II and Modules

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Introduction to Computation (CS1602) · Lecture 10

Inheritance, Protocols and Modules

Instructor: Tao Huang
Part 4: Abstraction and Organization · Fall 2026
1
Slide 1 · Inheritance, Protocols and Modules

L09已经解释单个类的状态、接收者、共享与公开接口。本讲研究相关类怎样复用实现，以及怎样把定义组织到文件中。

分两个45分钟，参考区保留较长机制与旧例，不把全部96页都计入课堂必讲。

Objects, Receivers and Contracts 对象与接口

  • Receiver 接收者: each call selects an object
  • State and result 状态与结果: observe both
  • Contract 约定: supported operations and failures
2
Slide 2 · Objects, Receivers and Contracts 对象与接口

复习必要前提：方法选接收者，返回值和状态变化分开，数据与操作需要约定。继承不会免除这些规则。

不重复上一讲完整定义或全量练习，下面的问题由已有工具自然引出。

Reusable Reports 可复用的说明

Records 记录Common 共用Different 差异
Ordinary membersName and report interfaceRole-specific description
Special rolesThe same supported operationAdditional state or behavior
3
Slide 3 · Reusable Reports 可复用的说明

先不看代码。几种记录都要生成说明，共同部分可以复用，不同角色仍有不同信息。

现实分类不是正确继承设计的证明；程序中还要检查公开操作的行为兼容。

Quiz 1 · A Saved Method

扫码作答 · 1 题
1保存方法引用后的状态观察
Submit this round once. 按已教规则推理。
https://taohuang.info/cs1602/zh/quiz/10/
4
Slide 4 · Quiz 1 · A Saved Method

开场只考已经教过的绑定方法、属性更新和两个实例。先预测保存的方法读哪一份状态，不使用继承或super。

暂不揭晓，第11页回顾原分布，不重复提交。

Lecture Structure

1Reuse 复用Inheritance and behavioral interfaces
2Protocols 协议Representations, operators and containers
3Modules 模块Files, bindings and entry points
4Environment 环境Lookup, installation and execution
5
Slide 5 · Lecture Structure

上半节从继承到操作协议，下半节从模块到环境和执行。中间课间是自然分界。

没有重复的独立AI政策页；实验保留实际使用声明。

I · Inheritance and Behavioral Interfaces

基类与子类建立复用关系，但调用者关心的是受支持的行为。先看一个短继承例子，再检查初始化与方法内调用。

继承不是复制父实例，也不会自动检查业务规则。

A Base Class and Its Subclass 基类与子类

Excerpt · complete definition in notes
class Animal:
    def __init__(self, name: str) -> None:
        self.name = name

class Dog(Animal):
    def speak(self) -> str:
        return "woof"
  • Base class 基类: Animal
  • Subclass 子类: Dog
  • Inherited initialization uses this instance

Complete runnable example 完整程序

7
Slide 7 · A Base Class and Its Subclass 基类与子类

Animal建立name，Dog没有重写init，因此使用继承的初始化。Dog重写自己的行为。

本页是结构片段，完整独立Animal/Dog/Cat在讲义第一节，不借用其他页的执行状态。

Inherited Initialization 继承的初始化

Instanceself → ChildChildmethod lookupBasereport / wordobjectmethod lookupOrdinary method lookup 方法查找；self stays the actual instance.
8
Slide 8 · Inherited Initialization 继承的初始化

父初始化建立的仍是当前子类实例的字段。类关系查找最终到object，但object不自动支持所有操作。

图是逻辑方法查找与接收者关系，不是物理内存复制；完整C3在参考区。

Method Overriding 方法重写

Which implementation does the receiver select? 先预测。
 1  class Base:
 2      def word(self):
 3          return "base"
 4      def report(self):
 5          return self.word()
 6  
 7  class Child(Base):
 8      def word(self):
 9          return "child"
10  
11  print(Child().report())
9
Slide 9 · Method Overriding 方法重写

先预测Child的调用最终选哪个word。report虽写在Base中，self仍是当前对象。

本页不显示结果，下一页解释查找，第12页进一步区分父函数来源和实际接收者。

Method Lookup 方法查找

Instanceself → ChildChildmethod lookupBasereport / wordobjectmethod lookupOrdinary method lookup 方法查找；self stays the actual instance.
10
Slide 10 · Method Lookup 方法查找

实际word结果为child。子类重写的方法通过实际类型查找，不因为report在基类就固定所有后续调用。

普通单继承简图不能推广成所有属性优先级，描述符等例外在参考说明。

The Receiver in Reused Code 复用代码的接收者

code
 1  class Point:
 2      def __init__(self, x):
 3          self.x = x
 4      def read(self):
 5          return self.x
 6  
 7  a = Point(3)
 8  b = Point(4)
 9  f = a.read
10  a.x = 8
11  print(f(), b.read())
output
8 4
11
Slide 11 · The Receiver in Reused Code 复用代码的接收者

回收开场题，实际8 4。f绑定a，没有保存字段旧值；a更新后仍被同一接收者观察，b保持4。

查看原分布不再次提交。继承方法同样不会把self换成一个新基类对象。

Calls Inside an Inherited Method 继承方法内调用

Does Base.report force Base.word?
 1  class Base:
 2      def word(self):
 3          return "base"
 4      def report(self):
 5          return self.word()
 6  
 7  class Child(Base):
 8      def word(self):
 9          return "child"
10  
11  print(Child().report())
12
Slide 12 · Calls Inside an Inherited Method 继承方法内调用

父函数report内通过self.word访问，先口头解释接收者和查找。不能说进入父函数就将所有调用固定父类。

第15页的实际复用总结继续回顾child结果。

An Overridden Initializer 重写的初始化

Which required field is missing? 缺哪个字段？
1  class Base:
2      def __init__(self, value):
3          self.value = value
4  
5  class Child(Base):
6      def __init__(self, value):
7          self.extra = value
8  
9  print(Child(3).value)
13
Slide 13 · An Overridden Initializer 重写的初始化

子类只建立extra。预测value是否已经由继承自动建立，以及错误发生在构造还是访问。

下一页用实际缺字段原因说明初始化协调，不提前给答案。

super() and Required State 必需状态

Excerpt · complete definition in notes
class Student(Person):
    def __init__(self, name, age, school):
        super().__init__(name, age)
        self.school = school
Actual complete-program output 实跑输出
Alex, 18, SJTU
  • Establish required name / age
  • Then establish school
  • In this case, super finds Person

Complete runnable example 完整程序

14
Slide 14 · super() and Required State 必需状态

上一例访问value触发AttributeError，重写init不会自动调父init。这里明确调用super建立name/age，再增加school。

单继承中找到Person；一般规则沿实际类型MRO在当前类之后继续，不机械要求永远第一行。

Reuse and Override 复用与重写

Excerpt · complete definition in notes
def give_raise(self, fraction, bonus=0.1):
    super().give_raise(fraction + bonus)
Actual complete-program output 实跑输出
Chen 115.00
  • Reuse the existing pay update
  • The actual receiver is retained
  • Base.report selected child in the previous example

Complete runnable example 完整程序

15
Slide 15 · Reuse and Override 复用与重写

保留往年Person/Manager薪资例子。Manager增加bonus，复用已有更新；真实示例输出姓氏Chen、115.00。

第12页实际child说明父函数仍用当前self。改接口或不变量需要回归，不保证改父类后所有子类自动正确。

Polymorphism and Duck Typing 多态与鸭子类型

code
 1  class Circle:
 2      def area(self) -> float:
 3          return 3.141592653589793
 4  class Square:
 5      def area(self) -> float:
 6          return 4.0
 7  
 8  total = 0.0
 9  for shape in [Circle(), Square()]:
10      total += shape.area()
11  print(f"{total:.4f}")
output
7.1416
16
Slide 16 · Polymorphism and Duck Typing 多态与鸭子类型

同一area调用可以作用在不同类型，只要接口参数与行为一致，共同基类并非调用必需。

方法名存在不保证正确语义；普通Shape抛NotImplementedError只在调用时失败，不自动成为抽象类。

Quiz 2 · Dispatch and Initialization

扫码作答 · 2 题
1父方法内的self调用
2重写初始化与缺字段
Submit this round once. 按已教规则推理。
https://taohuang.info/cs1602/zh/quiz/10/
17
Slide 17 · Quiz 2 · Dispatch and Initialization

两题只用已解释的继承、接收者和初始化。分别推理函数实现来源与实例状态，不根据类名猜答案。

下页给实际结果和原分布，不再发同题。

Quiz Review · Reuse and State

QuestionActual resultReason
Q2childInherited code retains the Child receiver
Q3AttributeErrorNo assignment established value

方法查找和状态建立分开核对。

18
Slide 18 · Quiz Review · Reuse and State

Q2实际child，Q3访问缺字段AttributeError。继承report并未改变接收者，继承关系也没自动执行被重写的初始化。

两个问题不同，不能用一句super能复用就代替状态分析。

II · Built-in Operation Protocols

从普通方法进入Python文档定义的操作协议。不是任意自造双端下划线名字都有解释器行为。

先解释表示，再学运算支持范围、反射与容器协议。

String Representations 字符串表示

Which representation does each operation use?
 1  class Point:
 2      def __init__(self, x: float, y: float) -> None:
 3          self.x, self.y = x, y
 4      def __str__(self) -> str:
 5          return f"({self.x}, {self.y})"
 6      def __repr__(self) -> str:
 7          return f"Point({self.x}, {self.y})"
 8  
 9  p = Point(3, 4)
10  print(p)
11  print(repr(p))
12  print([p])
20
Slide 20 · String Representations 字符串表示

先说明str/repr都返回字符串，再预测print、repr和列表内显示分别使用哪个。

本页不显示结果，下一页静态答案来自实际程序。

__str__ and __repr__

code
 1  class Point:
 2      def __init__(self, x: float, y: float) -> None:
 3          self.x, self.y = x, y
 4      def __str__(self) -> str:
 5          return f"({self.x}, {self.y})"
 6      def __repr__(self) -> str:
 7          return f"Point({self.x}, {self.y})"
 8  
 9  p = Point(3, 4)
10  print(p)
11  print(repr(p))
12  print([p])
output
(3, 4)
Point(3, 4)
[Point(3, 4)]
21
Slide 21 · __str__ and __repr__

真实三行分别为坐标字符串、Point构造样式和列表内Point表示。默认str可回退repr，反过来不成立。

可重建是设计目标非安全eval承诺。默认地址不作固定答案。

Supported and Unsupported Operands 操作数范围

Return/actionMeaning 含义
ResultThis implementation supports the operands
NotImplementedLet operator dispatch try other applicable paths
raise NotImplementedErrorAn exception, not operator fallback

区分返回哨兵与抛出异常。

22
Slide 22 · Supported and Unsupported Operands 操作数范围

先解释NotImplemented返回哨兵，再在Vector的方法使用。它不是False，也不同于异常NotImplementedError。

不做哨兵真假测试，最终不支持的运算通常TypeError。

Addition and New Results 加法与新结果

Excerpt · complete definition in notes
def __add__(
    self,
    other: "Vector",
) -> "Vector":
    if not isinstance(other, Vector):
        return NotImplemented
    x = self.x + other.x
    y = self.y + other.y
    return Vector(x, y)
Actual complete-program output 实跑输出
Vector(4, 6)
  • This + creates a new Vector
  • The operands remain unchanged
  • Check support before reading fields

Complete runnable example 完整程序

23
Slide 23 · Addition and New Results 加法与新结果

本例两个向量相加产生新对象，不改输入。短片段链接含完整定义与调用的讲义，不伪装独立运行。

接口由实现决定，不概括所有加法都复制。

Reflected Operations 反射运算

Excerpt · complete definition in notes
def __rmul__(
    self,
    scalar: float,
) -> "Vector":
    return self * scalar
Actual complete-program output 实跑输出
Vector(3, 6)
Vector(3, 6)
  • Vector × scalar: __mul__
  • Scalar × Vector: __rmul__
  • Reflected dispatch has type-dependent rules

Complete runnable example 完整程序

24
Slide 24 · Reflected Operations 反射运算

用数学语义自然的标量乘向量解释左右方向，实际两种乘法结果一致。

保留旧radd的分派知识，完整子类型优先与同类型限制放参考，不说永远先左再右。

Augmented Assignment 增强赋值

Does the alias observe the changed object?
 1  class Value:
 2      def __init__(self, n: int) -> None:
 3          self.n = n
 4      def __add__(self, other: "Value") -> "Value":
 5          return Value(self.n + other.n)
 6      def __iadd__(self, other: "Value") -> "Value":
 7          self.n += other.n
 8          return self
 9  
10  a = Value(1)
11  b = a
12  a += Value(2)
13  print(a.n, b.n, a is b)
14  a = a + Value(3)
15  print(a.n, b.n, a is b)
25
Slide 25 · Augmented Assignment 增强赋值

已经说明iadd返回本例self，再预测别名会观察什么。+=是否原地取决于方法和回退，不按语法表面判断。

下一页图中观察值来自此完整程序。

Object Mutation and Rebinding 修改与重新绑定

After +=a and bOne object3 3 TrueAfter +rebind aTwo objects6 3 FalseThis implementation only 按本例实现观察；+= need not preserve identity.
26
Slide 26 · Object Mutation and Rebinding 修改与重新绑定

实际先3 3 True，再6 3 False。本例iadd修改共享对象，普通加法新建后只重新绑定a。

图不作为+=普遍定义，缺方法或哨兵回退也可使其产生新对象。

Length, Indexing and Membership 长度与下标

Excerpt · complete definition in notes
def __getitem__(self, index: int) -> str:
    return self._songs[index]

def __setitem__(
    self,
    index: int,
    value: str,
) -> None:
    self._songs[index] = value
Actual complete-program output 实跑输出
2 changed True
first
changed
  • len → __len__
  • Membership → __contains__
  • Negative indices and IndexError follow this list contract

Complete runnable example 完整程序

27
Slide 27 · Length, Indexing and Membership 长度与下标

保留Playlist的独立集合、读写下标、长度与成员。完整程序链接有全部定义。

len需非负整数，赋值和查询不同；不是所有对象都有这些协议。

Sequence-Style Iteration 序列式迭代

What index is requested after the last item?
1  class Values:
2      def __init__(self):
3          self.items = ["A", "B"]
4      def __getitem__(self, index):
5          print("index", index)
6          return self.items[index]
7  
8  print(list(Values()))
28
Slide 28 · Sequence-Style Iteration 序列式迭代

没有iter时可以从getitem请求0、1继续。先预测最后还请求哪个下标以及如何停止。

下页回顾实际0/1/2请求，不把None当通用结束。

Equality and Identity 相等与身份

code
 1  class Item:
 2      def __init__(self, value):
 3          self.value = value
 4      def __eq__(self, other):
 5          if not isinstance(other, Item):
 6              return NotImplemented
 7          return self.value == other.value
 8  
 9  a = Item(2)
10  b = Item(2)
11  c = a
12  print(a == b, a is b, a is c)
output
True False True
29
Slide 29 · Equality and Identity 相等与身份

上一页实际请求0、1、2，IndexError结束后得到两个值。然后区分自定义eq与对象身份，实际True False True。

is不受eq重定义影响，也不只允许None；默认普通对象相等通常按身份。

Identity and Type Checks 身份与类型

Question 问题Operation 操作
Same object?a is b
Equal by the contract?a == b
The None singleton?x is None
Accept subclasses?isinstance(x, Base)
Exact runtime type?type(x) is Base
30
Slide 30 · Identity and Type Checks 身份与类型

用途决定选择：is检查身份，eq走相等协议，isinstance考虑子类。精确type也有明确使用场景。

数值和字符串比较不依赖驻留，完整内省工具在参考。

Quiz 3 · Equality and Identity

扫码作答 · 1 题
1相等字段、不同实例与别名
Submit this round once. 按已教规则推理。
https://taohuang.info/cs1602/zh/quiz/10/
31
Slide 31 · Quiz 3 · Equality and Identity

题目显式定义eq，先查实际支持类型再比较字段。不要靠小整数或字符串缓存猜身份。

这里只提交一次，下一页回顾结果。

Quiz Review · Values and Aliases

code
 1  class Item:
 2      def __init__(self, value):
 3          self.value = value
 4      def __eq__(self, other):
 5          if not isinstance(other, Item):
 6              return NotImplemented
 7          return self.value == other.value
 8  
 9  a = Item(2)
10  b = Item(2)
11  c = a
12  print(a == b, a is b, a is c)
output
True False True
32
Slide 32 · Quiz Review · Values and Aliases

两个实例字段相等，因此eq为True，身份不同为False，c绑定a为True。

运算协议需自然含义、支持类型和副作用边界，不要求背全部特殊方法名单。上半节在这里结束。

HALFWAY

Break

两个45分钟的自然分界。上半节讲类之间复用和Python操作接口。

下半节讲真实文件、导入引用和运行环境，继续使用已学的绑定与证据，不重新介绍全部对象语法。

III · Modules and Name Bindings

模块为代码与数据提供命名空间，不是所有架构唯一最高层次。

以真实多文件项目开始，不把单浏览器代码框当作完整工程。

A Small Program Across Files 多文件程序

main.pyentry pointgeometry.pyarea(w, h)report.pyline(value)Actual outputarea=12Dependency edges 导入依赖；not threads or simultaneous calls.
35
Slide 35 · A Small Program Across Files 多文件程序

geometry定义操作，report负责显示，main组织入口。依赖箭头不表示三个线程或函数同时执行。

实际三个文件执行得到area=12，讲义给全部文件和本机运行条件。

Modules as Objects 模块对象

code
1  import math
2  print(math.sqrt(16))
3  print(type(math).__name__)
output
4.0
module
36
Slide 36 · Modules as Objects 模块对象

math是已有模块对象，成员通过属性访问。本例结果4.0与module。

本讲自写模块常为py文件，但还有扩展、内置与冻结模块，不能用文件扩展名定义所有模块。

Explicit Imports 显式导入

Form 写法Access 访问
import mathmath.sqrt(16)
import math as mm.sqrt(16)
from math import sqrtsqrt(16)
from math import sqrt as rootroot(16)
37
Slide 37 · Explicit Imports 显式导入

四种绑定方式已有真实讲义例子，别名只改变导入者访问名，不改模块原名。

形式不同不代表对象复制，下一页分析引用。

Module and Member Bindings 模块与成员绑定

main namespacecount → 1items → listconfig namespacecount → 2items → listOne shared list["x"]Rebinding vs mutation 重新绑定与修改对象；observed: 1 2 ['x']
38
Slide 38 · Module and Member Bindings 模块与成员绑定

import绑定模块对象，from绑定选中的对象引用。模块字段重新绑定不会自动改本地名字；可变列表修改仍可见。

图先给规则，后面的新预测用另一轮相同机制，不借用旧网页状态。

Import Style and Exports 导入风格

  • Explicit names 显式名称: keep origins readable
  • Separate groups 导入分组: standard, third-party, local
  • Avoid wildcard imports in ordinary course code

来源与导出范围须明确，不把风格建议当语法限制。

39
Slide 39 · Import Style and Exports 导入风格

保持来源明确，星号可能覆盖已有名字，普通课程代码避免使用。

星号是合法语法并受all等规则控制，不说无条件导入所有名称或永远禁止。

Module Initialization 模块初始化

helper.py
print("module body")
def action():
    print("function body")
main.py
import sys
import helper
import helper
same = sys.modules["helper"]
print("cached", same is helper)
helper.action()

Multi-file example 多文件示例 · save and run locally.

40
Slide 40 · Module Initialization 模块初始化

先预测导入执行哪些顶层语句，def只建立函数，调用后才运行函数体。

本页只显示真实文件源码，不提前给答案，下一页给实际结果。

Repeated Imports and sys.modules 导入缓存

helper.py
print("module body")
def action():
    print("function body")
main.py
import sys
import helper
import helper
same = sys.modules["helper"]
print("cached", same is helper)
helper.action()
Actual Python 3.13 output · real files
module body
cached True
function body

Multi-file example 多文件示例 · save and run locally.

41
Slide 41 · Repeated Imports and sys.modules 导入缓存

实际顶层只打印一次module body，重复普通导入命中缓存，显式调用action才打印function body。

限定同进程同名普通导入，显式reload或新进程另分析。

Mutation and Module Rebinding 模块更新

config.py
count = 1
items = []
main.py
import config
from config import count, items
config.count = 2
config.items.append("x")
print(count, config.count, items)

Multi-file example 多文件示例 · save and run locally.

42
Slide 42 · Mutation and Module Rebinding 模块更新

两个文件都实际存在。先预测模块count换值和列表追加对from名字的影响。

这页不显示结果，下一页关系图来自实际进程。

Imported References 导入引用

main namespacecount → 1items → listconfig namespacecount → 2items → listOne shared list["x"]Rebinding vs mutation 重新绑定与修改对象；observed: 1 2 ['x']
43
Slide 43 · Imported References 导入引用

实际1 2与含x列表。数字字段改绑不改本地count，列表仍是同一个对象。

不称from复制对象或实时链接，也不在单片上伪造项目运行。

Module Names and Entry Points 模块名与入口

tools.py
print("load")
if __name__ == "__main__":
    print("demo")
main.py
import tools
import tools
print("main")

Multi-file example 多文件示例 · save and run locally.

44
Slide 44 · Module Names and Entry Points 模块名与入口

先根据name预测guard是否执行。tools的顶层load不在guard内，仍会运行。

两文件定义与入口清楚，下一页分别给直接执行和导入结果。

Direct Execution and Import 直接与导入

Entry 入口Actual output 实际输出
Run tools.pyload
demo
Run main.pyload
main

main guard只控制该块，其他顶层副作用仍会发生。

45
Slide 45 · Direct Execution and Import 直接与导入

直接tools打印load与demo，main导入打印load与main。guard不执行测试不表示模块完全无副作用。

完整本机文件可复现，不要求先在网页运行上一例。

Quiz 4 · Imported State and Entry Guards

扫码作答 · 2 题
1模块数字改绑与共享列表
2普通导入缓存与入口guard
Submit this round once. 按已教规则推理。
https://taohuang.info/cs1602/zh/quiz/10/
46
Slide 46 · Quiz 4 · Imported State and Entry Guards

手机标明两个文件和全新普通脚本条件，不用网页共享上题命名空间。所有绑定和入口机制已教。

各题提交一次，下一页给完整实际输出。

Quiz Review · Imports and State

QuestionActual output
Q51 2 ['x']
Q6load
main
47
Slide 47 · Quiz Review · Imports and State

Q5仍为1 2含x，引用和重新绑定不同；Q6仅load和main，普通缓存与guard分别解释。

查看原分布，不再提交或凭模块加载总数猜答案。

Regular Packages 普通包

mypackage/geometry.py
def area(w, h):
    return w*h
main.py
from mypackage import geometry
print(geometry.area(3, 4))
Actual Python 3.13 output · real files
12

Multi-file example 多文件示例 · save and run locally.

48
Slide 48 · Regular Packages 普通包

普通包包含init和子模块，这个实际项目得到12。namespace包是另一机制，不把缺init当通用写法。

这里只投影两个主要文件，完整目录和init说明在讲义，网页不提供不完整工程按钮。

IV · Environment and Execution

从导入行为进入环境。检查缓存、模块来源与解释器，不要求背所有查找器实现。

下面用独立临时项目，不在真实学生目录留下遮蔽文件。

Module Search 模块搜索

1Cache 缓存Check an existing module entry.
2Finders 查找器Built-in, frozen and other import finders.
3Paths 路径Top-level path-based lookup uses sys.path.

启动方式与缓存影响选择，当前目录不永远第一。

50
Slide 50 · Module Search 模块搜索

普通脚本常将脚本目录加入路径，但并非所有环境当前目录第一；缓存、内置和冻结查找器也会影响。

path项目不全是普通目录，包内路径与顶层路径也不同，参考保留细节。

A Same-Named Local File 同名本地文件

random.py
print("local random")
main.py
import random
print(random.randint(1, 3))

Multi-file example 多文件示例 · save and run locally.

51
Slide 51 · A Same-Named Local File 同名本地文件

新普通脚本进程在受控目录中导入random，先预测randint可否使用。

不在真实项目创建同名文件，不提前显示错误，下一页给诊断。

Identifying the Actual Environment 确认环境

Previous prediction · actual result
local random
AttributeError: module 'random' has no attribute 'randint' (consider
renaming '/privaterandom.py' since it has the same name as the
standard library module named 'random' and prevents importing that
standard library module)
  • sys.executable: selected interpreter
  • module.__file__, when present: source
  • python -m pip --version: matching installer
52
Slide 52 · Identifying the Actual Environment 确认环境

上一页实际加载本地random并发生AttributeError。检查解释器、模块路径和pip对应关系，不把所有属性错误归因遮蔽。

文件位置随环境改变，本例不显示用户私有目录或固定地址。

Virtual Environments 虚拟环境

  • python -m venv .venv
  • Use that environment's interpreter and pip.
  • Dependency isolation, not a security sandbox

确认解释器与安装器对应，再处理依赖。

53
Slide 53 · Virtual Environments 虚拟环境

venv组织第三方依赖，不是运行未知学生代码的安全沙箱。两平台激活命令在讲义说明，讲堂不要求安装新依赖。

推荐对应解释器的pip，避免已安装却导入不到。

Installing Compatible Distributions 安装兼容包

TaskCommand pattern
Installpython -m pip install PACKAGE
Inspectpython -m pip list
Upgradepython -m pip install --upgrade PACKAGE
Removepython -m pip uninstall PACKAGE
Local wheelpython -m pip install compatible.whl
54
Slide 54 · Installing Compatible Distributions 安装兼容包

这是占位命令表，不实际卸载他人依赖。wheel和pin需匹配Python与平台，旧NumPy1.26不能当3.13正确示例。

发行工具知识保留，不强制学生安装全部生态库。

The Scientific Python Ecosystem 科学计算生态

LibraryTypical use
NumPyArrays and numerical operations
MatplotlibVisualization
SciPyScientific algorithms
pandasTabular data
pytestBehavioral tests
55
Slide 55 · The Scientific Python Ecosystem 科学计算生态

概览当前任务相关库，完整网络/游戏与其他功能保留参考，不删除旧名称。

官网用途不是本讲全部安装要求，团队简化数组项目仍按课程安排。

CPython · Source and Execution 源码与执行

Source 源码.py statementsCompile 编译code / bytecodeExecute 执行top-level codeDisk cache 磁盘.pyc: compiled codeProcess cache 进程sys.modules: objectsCPython 3.13 model 缓存层不同；new processes still initialize modules.
56
Slide 56 · CPython · Source and Execution 源码与执行

CPython结合编译与执行，源码成为代码对象和字节码，再由运行时处理。不是所有Python实现都等同CPython。

编译目标可为中间表示或原生码，不沿用必转汇编与逐条转机器码的硬分类。

Bytecode Operations 字节码操作

Actual output 实跑输出
  3           RESUME                   0

  4           LOAD_FAST_LOAD_FAST      1 (a, b)
              BINARY_OP                0 (+)
              RETURN_VALUE
  • Load operands 取值
  • Add 运算
  • Return 返回
  • Version-specific instructions
57
Slide 57 · Bytecode Operations 字节码操作

真实3.13反汇编只识别取操作数、运算、返回三个动作，不背所有指令和偏移。

这是执行实现观察，不是程序性能证明，调用帧也不是字节码操作数栈同一层表示。

Two Kinds of Caching 两层缓存

Source 源码.py statementsCompile 编译code / bytecodeExecute 执行top-level codeDisk cache 磁盘.pyc: compiled codeProcess cache 进程sys.modules: objectsCPython 3.13 model 缓存层不同；new processes still initialize modules.
58
Slide 58 · Two Kinds of Caching 两层缓存

sys.modules存本进程已初始化对象，pyc存磁盘编译缓存。新进程使用有效缓存也会执行顶层初始化。

缓存有效性、权限和启动参数影响写入，不简单说每次都免编译或免执行。

Cached Code and Runtime Work 缓存与运行

Will another fresh process print the top-level message?
1  # helper.py
2  print("helper")
3  value = 3
4  
5  # main.py
6  import helper
7  print(helper.value)
59
Slide 59 · Cached Code and Runtime Work 缓存与运行

这是明确两个文件的静态表示，不加运行按钮。先问已有pyc时新进程会不会打印helper。

下一页实际启动两个新进程给结果，不删除用户缓存来测速度。

Implementation and Cost 实现与代价

ProcessActual output
1helper
3
2helper
3
  • New processes still initialize modules.
  • A cache does not hide source or prove faster code.
60
Slide 60 · Implementation and Cost 实现与代价

两个进程实际都打印helper与3。首次导入成本还包括依赖、加载和初始化，不能全部归编译。

pyc不是跨版本通用保密格式，真正工作量和证据到L11进一步分析。

Solo Assignment 2 · Counting Primes

  • Five methods: brute force, √n, 6k±1, sieve, Miller–Rabin
  • First verify, then measure a feasible workload
  • Three solo assignments: 15% total; this one: 5%

Due: 1 Dec, 23:59 GMT+8. 本周任务是素数，大整数第12周启动。

61
Slide 61 · Solo Assignment 2 · Counting Primes

按现行配置第10周启动素数五法，截止由solo2统一校历读取，三份各5%，不用旧大整数7.5%安排。

五种完整算法不在此页公开，L11继续讲方法和规模。慢算法允许测较小输入，不能换算法冒充。

Lab 10 · Interfaces and Module Organization

PartWorkRaw points
AShapes / accounts / Money / Deck16 auto + 8 staff
BReal module project + evidence8 auto + 4 staff
CEnvironment and debugging0-point record
62
Slide 62 · Lab 10 · Interfaces and Module Organization

保留五项原练习，四类题加真实工程适配，三张记录卡分开。接口在实验明确，不能自定牌面又要求统一自动判题。

HW4和solo2入口分开，课程权重不变；本地保存与验收不等于线上提交。

Reuse, Protocols and Evidence

  • Inherited state and behavior
  • Supported operands and failures
  • Imported bindings and side effects
  • Interpreter and cache conditions
63
Slide 63 · Reuse, Protocols and Evidence

复用、操作语法和模块结构仍需说明行为，重点核对状态、输入类型、异常与环境条件。

组织方式不会代替验证；先找实际证据，再作正确性或性能结论。

Complexity, Exceptions and Testing

  • How much work does the implementation perform?
  • How should failures be handled?
  • What evidence supports correctness?
64
Slide 64 · Complexity, Exceptions and Testing

下一讲正式分析复杂度、异常和测试。本讲用少量预期异常表达接口失败，没有提前塞入完整异常处理语法。

主线到此结束，后面完整机制与旧例供查阅，不计入90分钟必讲。

Reference 参考

参考保留多继承、完整协议、模块细节、工具与旧应用。长程序链接完整讲义，片段不设置独立运行按钮。

旧知识不删，当前项目与历史大整数安排分清。

Person and Manager · Complete Example

Excerpt · complete definition in notes
class Manager(Person):
    def __init__(self, name, pay):
        super().__init__(name, "manager", pay)
    def give_raise(
        self,
        fraction,
        bonus=0.1,
    ):
        super().give_raise(fraction + bonus)
Actual complete-program output 实跑输出
Chen 115.00
  • name / job / pay
  • get_last_name / give_raise
  • Same-name def rebinding is not argument overloading

Complete runnable example 完整程序

66
Slide 66 · Person and Manager · Complete Example

保留完整Person/Manager及表示、姓氏和更新接口。片段依赖Person，讲义独立入口含全部定义。

显式基类调用有特定含义，但不作为全面取代super的推荐。

Required State and Compatible Interfaces

  • Inherited names do not create instance fields.
  • Override signatures and outcomes need a contract.
  • NotImplementedError is raised when called.
  • Initialization order depends on state requirements.

字段存在、行为兼容与是否抽象是不同问题。

67
Slide 67 · Required State and Compatible Interfaces

进一步检查子类能否替代基类，不只看继承语法。改变错误、返回或有效域可能破坏使用者预期。

普通基类可创建而area调用报错，不暗中引入abc机制。

Cooperative Multiple Inheritance 合作式多继承

Actual output 实跑输出
['Combined', 'Left', 'Right', 'Root', 'object']
['Combined', 'Left', 'Right', 'Root']
  • C3 MRO, not BFS
  • super continues after the current class
  • Cooperative methods must call the next path
68
Slide 68 · Cooperative Multiple Inheritance 合作式多继承

实际Combined/Left/Right/Root/object顺序和一次调用链。Left后可为Right，Root只一次。

MRO不自动执行所有父方法；合作式代码需要自身正确使用super和接口。

MRO Constraints 方法顺序约束

code
1  class A: pass
2  class B(A): pass
3  class C: pass
4  class D(B, C): pass
5  print([c.__name__ for c in D.__mro__])
output
['D', 'B', 'A', 'C', 'object']
69
Slide 69 · MRO Constraints 方法顺序约束

D/B/A/C/object明确不是BFS。相互矛盾的基类先后顺序会在创建类时报TypeError，完整反例在讲义。

不按旧关系图先入为主，实际mro和约束分别解释。

Inheritance and Composition 继承与组合

ChoiceBehavioral requirement
SubclassPreserve what clients depend on
Delegate / composeReuse another object without claiming its full interface
Mutable Square/RectangleIndependent width/height updates may conflict with equal sides
70
Slide 70 · Inheritance and Composition 继承与组合

现实Square是Rectangle并不保证可独立更新尺寸的程序接口适合继承。组合和委托也能复用。

保留旧谨慎继承的设计动机，不用一条现实分类作正确性证明。

Name Mangling Across Subclasses

Excerpt · complete definition in notes
def __init__(self, values):
    self.items = []
    self.__update(values)

__update = update
Actual complete-program output 实跑输出
[1, 2, ('a', 3)]
  • __update → _Mapping__update
  • Subclass update may have another signature
  • Name mangling is not access control

Complete runnable example 完整程序

71
Slide 71 · Name Mangling Across Subclasses

接续L09：基类保存自己的update，子类不同签名不破坏初始化。完整Mapping/Child实际结果为两整数及一对键值。

改写仍可以从外部访问，不当作权限边界。

Introspection Tools 内省工具

Actual output 实跑输出
True False
True
{'name': 'Rex'}
['Dog', 'Animal', 'object']
['name']
  • Type vs isinstance
  • Class MRO and ordinary instance dict
  • dir is a diagnostic aid
72
Slide 72 · Introspection Tools 内省工具

type、isinstance、issubclass和类mro有不同用途。普通实例dict记录字段，dir是诊断工具。

不是每个对象有dict，也不是所有描述符按简单实例优先查找；完整接口以文档为准。

Functions and Code Objects 函数与代码对象

code
1  def add(a, b):
2      return a + b
3  
4  print(add.__name__)
5  print(add.__code__.co_varnames)
6  print(add.__code__.co_names)
7  print(add.__code__.co_consts)
output
add
('a', 'b')
()
(None,)
73
Slide 73 · Functions and Code Objects 函数与代码对象

先解释局部名、引用名与常量，再访问code属性。函数仍可赋名或作参数，保留旧函数对象例子。

这些是静态元数据，不代表当前所有运行状态，不提前lambda或闭包。

Rich Comparisons and Sorting 富比较

SymbolMethod
< / <=__lt__ / __le__
== / !=__eq__ / __ne__
> / >=__gt__ / __ge__
Unsupported equalityTry applicable paths, then identity
Equality and hashEqual keys must have equal hashes
74
Slide 74 · Rich Comparisons and Sorting 富比较

六关系保留，但没有req式名字；不支持比较如何分派需依协议。仅定义eq通常使类不可哈希。

若设计hash须与相等一致，不能把可变业务对象随意作字典键。

Readable and Informative Representations

Excerpt · complete definition in notes
def __repr__(self) -> str:
    return f"Point({self.x}, {self.y})"
Actual complete-program output 实跑输出
(3, 4)
Point(3, 4)
[Point(3, 4)]
  • str may fall back to repr
  • Containers display repr
  • Both must return str

Complete runnable example 完整程序

75
Slide 75 · Readable and Informative Representations

Point完整演示保留默认/自定义表示与容器行为。可重建和调试可读是设计目标，不保证eval安全。

实际结果来自完整定义，不打印不稳定地址作固定答案。

Container Operations 容器操作

Excerpt · complete definition in notes
def __setitem__(
    self,
    index: int,
    value: str,
) -> None:
    self._songs[index] = value
Actual complete-program output 实跑输出
2 changed True
first
changed
  • Negative indices
  • Length and membership
  • IndexError ends sequence fallback

Complete runnable example 完整程序

76
Slide 76 · Container Operations 容器操作

保留全部add、读写、长度和成员，完整接口在讲义。explicit iter None会阻止回退，L13再展开迭代器。

切片是否支持需另写契约，不按getitem名字猜任意索引都可用。

Binary and Reflected Dispatch

Excerpt · complete definition in notes
def __mul__(
    self,
    scalar: float,
) -> "Vector":
    if not isinstance(scalar, (int, float)):
        return NotImplemented
    return Vector(self.x * scalar, self.y * scalar)

def __rmul__(
    self,
    scalar: float,
) -> "Vector":
    return self * scalar
Actual complete-program output 实跑输出
Vector(3, 6)
Vector(3, 6)
  • A right subtype can have priority
  • Same-type reflection is not always retried
  • Implicit methods are usually type-level

Complete runnable example 完整程序

77
Slide 77 · Binary and Reflected Dispatch

保留add/radd、标量左右方向和哨兵。不支持操作不会因为有某个名字就正确运行。

实例临时加len不能等同隐式len支持，讲义有真实TypeError例子。

In-Place Operations and Aliases

Actual output 实跑输出
3 3 True
6 3 False
  • This iadd returns self
  • Another iadd may return a new object
  • Missing/unsupported iadd can fall back
78
Slide 78 · In-Place Operations and Aliases

再次把协议条件说完整，保留列表与元组的原地/新对象知识，但不套通用等式。

实际两行观察用于解释别名，不复制旧地址。

Triangle and Vector Protocol Examples

Excerpt · complete definition in notes
def __lt__(
    self,
    other: "Triangle",
) -> bool:
    if not isinstance(other, Triangle):
        return NotImplemented
    return self.area() < other.area()
Actual complete-program output 实跑输出
True 3
4
  • This Triangle orders by area
  • Indexing selects edges
  • Invalid updates preserve old edges

Complete runnable example 完整程序

79
Slide 79 · Triangle and Vector Protocol Examples

旧Triangle比较与下标更新完整保留，几何含义在本例明确定义。L09的n维Vector仍通过链接承接。

不能说任意Triangle相加都是自然几何运算。

Point, Complex and Mapping Examples

code
 1  def isomorphic(s: str, t: str) -> bool:
 2      if len(s) != len(t):
 3          return False
 4      forward, reverse = {}, {}
 5      for a, b in zip(s, t):
 6          if a in forward and forward[a] != b:
 7              return False
 8          if b in reverse and reverse[b] != a:
 9              return False
10          forward[a], reverse[b] = b, a
11      return True
12  
13  print(isomorphic("egg", "add"))
14  print(isomorphic("foo", "bar"))
output
True
False
80
Slide 80 · Point, Complex and Mapping Examples

同构字符串用两映射确保一一对应，实际egg/add为True、foo/bar为False。Point2D/nD维度和Complex加法完整讲义保留。

HappyNumber与L09有完整链接，不只列名称当作保全。

A Complete Multi-File Program

geometry.py
"""Geometry operations."""
def area(w, h):
    return w*h
main.py
import geometry
import report
value = geometry.area(3, 4)
print(report.line(value))
Actual Python 3.13 output · real files
area=12

Multi-file example 多文件示例 · save and run locally.

81
Slide 81 · A Complete Multi-File Program

保留main/geometry/report的实际依赖和输出，所有三文件在讲义完整列出，源码保存与运行有明确路径。

本页选两个文件，其他文件不藏在运行按钮，网页没有伪项目执行。

Initialization Order and Circular Imports

a.py
import b
value = 1
b.py
from a import value
Actual Python 3.13 output · real files
ImportError: cannot import name 'value' from 'a' (consider renaming
'/privatea.py' if it has the same name as a library you intended to
import)

Multi-file example 多文件示例 · save and run locally.

82
Slide 82 · Initialization Order and Circular Imports

循环访问未建立的名称产生实际ImportError。初始化次序、def绑定和调用不能混在一起。

调整职责或延后访问，不将换IDE当语义修复。

importlib.reload

settings.py
print("load")
value = 1
main.py
import importlib
import settings
from settings import value
settings.value = 9
print(value, settings.value)
importlib.reload(settings)
print(value, settings.value)
Actual Python 3.13 output · real files
load
1 9
load
1 1

Multi-file example 多文件示例 · save and run locally.

83
Slide 83 · importlib.reload

重载实际再次打印load，将模块value重建为1，但之前from的名字不是自动实时链接。

用importlib代替旧imp；不是并发安全生产热更新保证。

Aliases and Future Statements 别名与future

code
1  from __future__ import annotations
2  
3  class Node:
4      def copy(self) -> Node:
5          return Node()
6  
7  print(Node().copy().__class__.__name__)
output
Node
84
Slide 84 · Aliases and Future Statements 别名与future

as改变本地访问名，不修改模块本身。future是编译指令，允许合法文档/注释前置，不要求物理第一行。

annotations从3.7可选，在3.13须显式启用，不是类型校验。

Search Paths and Environment Details

MechanismCondition
sys.modulesAlready initialized process objects
Import findersBuilt-in / frozen / custom and path-based
Path entriesScript context / PYTHONPATH / site / zip
Launch optionsNormal script, -m and -I differ
85
Slide 85 · Search Paths and Environment Details

保留pth、site-packages和路径条件；项不全为普通目录，包搜索也有自己的上下文。

不把当前工作目录优先说成无条件规则，也不随意修改全局环境。

Packages and Exports 包与导出

ItemMeaning
Regular package__init__.py establishes initialization
Namespace packageA distinct package mechanism
__all__Controls intended wildcard exports
Relative importsNeed a suitable package context
86
Slide 86 · Packages and Exports 包与导出

普通包与namespace分开；main的直接路径与-m包启动不是同一上下文。

保留旧导出、规范和相对路径知识，完整实际项目在讲义。

pip, Wheels and Compatible Versions

ConcernCheck
Interpreterpython -m pip targets that environment
DistributionPython / ABI / platform compatibility
SourcesPyPI or a known compatible local wheel
OperationsInstall / list / upgrade / uninstall
87
Slide 87 · pip, Wheels and Compatible Versions

保留旧pip与wheel知识，不执行示范卸载命令。固定版本应与本课解释器兼容，不能照抄1.26pin。

命令占位与实际执行结果明确区分。

Library Reference 库参考

LibrariesScope
NumPy / MatplotlibArrays / visualization
SciPy / pandasScientific algorithms / tables
Scrapy / Beautiful SoupWeb processing
Pygame / pytestGames / tests
88
Slide 88 · Library Reference 库参考

旧科学、网络、游戏名称与用途完整保留，不因主线只介绍五库就删掉。

概览不要求本周一次装全部依赖，也不从旧生态图推断当前版本。

Implementations and Toolchains 实现与工具链

ExamplesCategory
CPython / PyPy / JythonPython implementations
Cython / NuitkaCompilation tools
Native / bytecode / JITCompilation and execution can be combined
89
Slide 89 · Implementations and Toolchains 实现与工具链

编译和解释可结合，不能把所有工具都称解释器。CPython的C实现与标准库不同组成保留。

旧Coco定位不明，只记录待考证不编造介绍；源码阅读使用当前仓库而非旧行号。

Explicit Compilation 显式编译

code
1  source = "answer = 2 + 3"
2  code = compile(source, "trusted.py", "exec")
3  namespace = {}
4  exec(code, namespace)
5  print(namespace["answer"])
output
5
90
Slide 90 · Explicit Compilation 显式编译

可信源码compile得到code object，exec在指定命名空间执行得到5。不是直接将pyc二进制交exec。

py_compile/compileall命令只选择自己的教学目录，不扫描整台机器或执行未知字符串。

dis and Function Metadata 字节码与元数据

code
1  def add(a, b):
2      return a + b
3  
4  print(add.__name__)
5  print(add.__code__.co_varnames)
6  print(add.__code__.co_names)
7  print(add.__code__.co_consts)
output
add
('a', 'b')
()
(None,)
91
Slide 91 · dis and Function Metadata 字节码与元数据

co_consts、co_varnames、co_names的含义先解释再用，dis只识别动作。

指令版本、偏移与源码文件行号都不是跨版本事实，不要求死记。

.pyc Cache Conditions 缓存条件

  • Validity and version tags matter
  • Permissions and -B can change cache writing
  • Imported modules and direct scripts differ
  • Compiled code is not source confidentiality

缓存存在不意味着新进程跳过模块初始化。

92
Slide 92 · .pyc Cache Conditions 缓存条件

缓存有效性和权限决定能否写/复用；通常直接运行脚本不生成自己的pyc，导入模块不同。

字节码不跨全部实现/版本通用，也不提供可靠源码保密。

BigInt · A Later Assignment 大整数预告

RepresentationSupported interface
Decimal input stringSign and grouped digits
Display / comparestr, repr, eq, lt
Arithmeticadd, sub, mul without whole-operand int conversion

当前个人作业2是素数计数，大整数后续启动。

93
Slide 93 · BigInt · A Later Assignment 大整数预告

保留旧BigInt表示与全部基本运算，正式启动在第12周，不作为本周大整数7.5%项目发布。

这里不给完整作业算法答案，历史分项和当前课程权重区分。

BigInt · Verification and Report

  • Zero, leading zeros and signs
  • Unequal lengths, negative differences, carries and borrows
  • Use int as a test oracle, not the implementation
  • One-page report: representation, signs, evidence
94
Slide 94 · BigInt · Verification and Report

零与前导零、符号、不等长、进位借位和竖式乘法保留。int可以对拍，不能替代实现。

旧20/20/20/10/15/5/10只作历史记录，不按旧项目评分重新发布。

Counting Primes · Contracts and Evidence

ContractEvidence
0 ≤ p < n; n ≤ 100000Small values and cross-method counts
Five genuine methodsInspect source and report, not wrappers
MR bases 2 and 3Deterministic within the stated bound
Timing after correctnessFeasible sizes, repeated measures, environment
95
Slide 95 · Counting Primes · Contracts and Evidence

统一候选区间与小值，MR确定性只在本题域内，不推任意大整数结论。

助教核对不同方法，报告记录可完成规模和三次公平测量。L11继续具体算法，不要求未教先考完整五法。

Lab 10 · Fixed Interfaces 固定接口

EntryRequired boundary
ShapesFinite positive dimensions; ValueError
AccountsInteger cents and explicit overdraft rules
MoneyDecimal display → rounded cents; sentinel operands
DeckFixed cards; invalid deal preserves state
ProjectFive real files; silent imports and guarded self-tests
96
Slide 96 · Lab 10 · Fixed Interfaces 固定接口

五项题面、骨架、测试和记录用同一约定，HW4与solo2分开。原始分不改学期权重或日历。

完成本地不等于提交/部署，AI声明与操作证据真实，未做部分明确说明。