CS1602计算导论
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第 10 讲 · 讲义

类（二）与模块

课件的每一页，配上讲这一页时说的话。幻灯片是网页原生渲染的，文字可以选中、可以搜索，也可以直接打印。

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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
第 1 页 · 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
第 2 页 · 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
第 3 页 · 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
第 4 页 · 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
第 5 页 · 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
第 7 页 · 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
第 8 页 · 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
第 9 页 · 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
第 10 页 · 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
第 11 页 · 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
第 12 页 · 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
第 13 页 · 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
第 14 页 · 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
第 15 页 · 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
第 16 页 · 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
第 17 页 · 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
第 18 页 · 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
第 20 页 · 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
第 21 页 · __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
第 22 页 · 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
第 23 页 · 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
第 24 页 · 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
第 25 页 · 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
第 26 页 · 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
第 27 页 · 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
第 28 页 · 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
第 29 页 · 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
第 30 页 · 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
第 31 页 · 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
第 32 页 · 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
第 35 页 · 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
第 36 页 · 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
第 37 页 · 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
第 38 页 · 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
第 39 页 · 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
第 40 页 · 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
第 41 页 · 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
第 42 页 · 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
第 43 页 · 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
第 44 页 · 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
第 45 页 · 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
第 46 页 · 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
第 47 页 · 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
第 48 页 · 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
第 50 页 · 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
第 51 页 · 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
第 52 页 · 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
第 53 页 · 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
第 54 页 · 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
第 55 页 · 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
第 56 页 · 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
第 57 页 · 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
第 58 页 · 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
第 59 页 · 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
第 60 页 · 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
第 61 页 · 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
第 62 页 · 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
第 63 页 · 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
第 64 页 · 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
第 66 页 · 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
第 67 页 · 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
第 68 页 · 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
第 69 页 · 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
第 70 页 · 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
第 71 页 · 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
第 72 页 · 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
第 73 页 · 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
第 74 页 · 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
第 75 页 · 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
第 76 页 · 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
第 77 页 · 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
第 78 页 · 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
第 79 页 · 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
第 80 页 · 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
第 81 页 · 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
第 82 页 · 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
第 83 页 · 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
第 84 页 · 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
第 85 页 · 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
第 86 页 · 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
第 87 页 · 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
第 88 页 · 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
第 89 页 · 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
第 90 页 · 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
第 91 页 · 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
第 92 页 · .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
第 93 页 · 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
第 94 页 · 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
第 95 页 · 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
第 96 页 · 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。