Python 3 進階入門：模組化架構與物件導向核心觀念

Python 被譽為「瑞士軍刀」，其強大的標準庫與模組生態是核心競爭力。本文承接基礎語法，深入探討模組化組織程式碼、作用域規則（LEGB）、類別機制與繼承模型，並對比 Python 2/3 差異，幫助開發者建立工程化思維。

一、模組化：從單檔腳本到套件結構

專案成長到一定規模，必須將功能拆分為多個 .py 檔案並組織成目錄樹。Python 以「目錄 + __init__.py」定義套件（Package）。

專案結構範例

ProjectRoot/
├── main.py              # 入口腳本
├── utils/
│   ├── __init__.py      # 可為空，標記為套件
│   ├── helper.py
│   └── constants.py
└── models/
    ├── __init__.py
    └── user.py

匯入機制與 __name__

# main.py
import utils.helper
print(utils.helper.__name__)  # 輸出 'utils.helper'

from models import user
u = user.User('Alice', 30)

• import 會執行目標模組的頂層程式碼（只執行一次，後續匯入直接從 sys.modules 快取取得）。
• __init__.py 可執行套件初始化邏輯（如動態匯入子模組、設定 __all__ 控制 from pkg import * 行為）。
• dir(module) 列出模組公開屬性，除錯好幫手。

二、作用域規則：LEGB 法則

Python 變數查找順序：Local → Enclosing → Global → Built-in。關鍵字 global、nonlocal 打破預設賦值行為。

def scope_test():
    spam = 'test spam'           # Local
    def do_local():
        spam = 'local spam'      # 新建區域變數，不影響外層
    def do_nonlocal():
        nonlocal spam            # 綁定外層 Enclosing 作用域的 spam
        spam = 'nonlocal spam'
    def do_global():
        global spam              # 綁定模組層級 Global spam
        spam = 'global spam'
    do_local()
    print('After local:', spam)      # test spam
    do_nonlocal()
    print('After nonlocal:', spam)   # nonlocal spam
    do_global()
    print('After global:', spam)     # global spam

scope_test()
print('Global scope:', spam)         # global spam

三、類別與物件導向

Python 類別機制融合 C++ 多重繼承與 Modula-3 模組觀念，採「基於協議」而非「基於介面」的鴨子類型。

基本類別結構

class Person:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age
        print('constructor run')

    def greet(self):
        print(f'Hi, I am {self.name}, {self.age} years old.')

p = Person('Wang', 20)
p.greet()

• self 相當於 C++/Java 的 this，但必須顯式寫在方法第一參數（慣例命名為 self）。
• __init__ 為建構子，物件建立時自動呼叫。

繼承與多型

class Student(Person):
    def __init__(self, name, age, student_id):
        super().__init__(name, age)  # Python 3 簡潔 super()
        self.student_id = student_id

    def greet(self):                 # 覆寫 override
        super().greet()
        print(f'Student ID: {self.student_id}')

s = Student('Li', 22, 'S12345')
s.greet()

• 支援多重繼承：class C(A, B):，方法解析順序遵循 MRO（C3 線性化）。
• Python 3 移除「經典類」，所有類別隱式繼承 object，統一為新式類，統一物件模型。

預設參數替代方法多載

Python 不支援同名多載，但可用預設參數達到同樣效果：

def greet(self, prefix='Hello'):
    print(f'{prefix}, {self.name}')

所有方法皆為虛擬方法

子類別可隨意覆寫父類別方法，無需 virtual 關鍵字，體現動態語言靈活性。

四、工程化建議

1. 使用 venv 隔離專案依賴，配合 requirements.txt 鎖定版本。
2. 遵循 PEP 8 命名規範：模組 lower_case、類別 CapWords、常數 UPPER_CASE。
3. 善用 __all__ 明確公開 API，避免內部實作洩漏。
4. 型別提示：Python 3.5+ 支援 def func(x: int) -> str:，配合 mypy 靜態檢查提升可維護性。