全網最適合入門的面向對象編程教程：18 類和對象的 Python 實現-多重繼承與 PyQtGraph 串口數據繪制曲線圖

本文檔主要介紹如何使用 Python 進行面向對象編程，需要讀者對 Python 語法和單片機開發具有基本了解。相比其他講解 Python 面向對象編程的博客或書籍而言，本文檔更加詳細、側重于嵌入式上位機應用，以上位機和下位機的常見串口數據收發、數據處理、動態圖繪制等為應用實例，同時使用 Sourcetrail 代碼軟件對代碼進行可視化閱讀便于讀者理解。

相關示例代碼獲取鏈接如下：https://github.com/leezisheng/Python-OOP-Demo

正文

在 python 中一個類能繼承自不止一個父類，這叫做 python 的多重繼承，多重繼承的語法與單繼承類似：

class SubclassName(BaseClass1, BaseClass2, BaseClass3, ...):
    pass

當然，子類所繼承的所有父類同樣也能有自己的父類，這樣就可以得到一個繼承關系機構圖如下圖所示：

多重繼承最常見的用途就是用于創建包含兩組完全不同行為的對象。例如，設計一個對象用于連接掃描器并將掃描的文件通過傳真發送出去，這一對象可能繼承自兩個完全獨立的 scanner 和 faxer 對象。

對于 MasterClass 來說，我們希望它可以具有繪圖功能，能夠將串口接收到的傳感器數據動態繪制曲線，這里我們借助 PyQtGraph 庫來完成，PyQtGraph 是純 Python 圖形 GUI 庫，它充分利用 PyQt 和 PtSide 的高質量的圖形表現水平和 NumPy 的快速科學計算與處理能力，在數學、科學和工程領域都有廣泛的應用。

PyQtGraph 相比于 matplotlib 更加適合于數據采集和分析應用。

我們使用如下兩條語句完成 PyQtGraph 庫和其依賴庫 PyQt5 的安裝：

**pip install pyqtgraph **

**pip install PyQt5 **

pip install numpy

這里，我們首先定義一個繪圖類及其方法，示例代碼如下：

class PlotClass:
    _# 繪圖類初始化_
    def __init__(self,wintitle:str="Basic plotting examples",plottitle:str="Updating plot",width:int=1000,height:int=600):
        _# Qt應用實例對象_
        self.app        = None
        _# 窗口對象_
        self.win        = None
        _# 設置窗口標題_
        self.title      = wintitle
        _# 設置窗口尺寸_
        self.width      = width
        self.height     = height
        _# 傳感器數據_
        self.value      = 0
        _# 計數變量_
        self.__count    = 0
        _# 傳感器數據緩存列表_
        self.valuelist  = []
        _# 繪圖曲線_
        self.curve      = None
        _# 圖層對象_
        self.plotob     = None
        _# 圖層標題_
        self.plottitle  = plottitle
        _# Qt應用和窗口初始化_
        self.appinit()

    _# 應用程序初始化_
    def appinit(self):
        _# 創建一個Qt應用，并返回該應用的實例對象_
        self.app = pg.mkQApp("Plotting Example")
        _# 生成多面板圖形_
        _# show：(bool) 如果為 True，則在創建小部件后立即顯示小部件。_
        _# title：(str 或 None)如果指定，則為此小部件設置窗口標題。_
        self.win = pg.GraphicsLayoutWidget(show=True, title=self.title)
        _# 設置窗口尺寸_
        self.win.resize(self.width, self.height)
        _# 進行窗口全局設置，setConfigOptions一次性配置多項參數_
        _# antialias啟用抗鋸齒，useNumba對圖像進行加速_
        pg.setConfigOptions(antialias=True, useNumba=True)

        _# 添加圖層_
        self.plotob = self.win.addPlot(title=self.plottitle)
        _# 添加曲線_
        self.curve = self.plotob.plot(pen='y')

    _# 接收數據_
    def GetValue(self,value):
        self.value = value
        _# 加入數據緩存列表_
        self.valuelist.append(value)

    _# 更新曲線數據_
    def DataUpdate(self):
        _# 模擬繪制正弦曲線_
        _# 計數變量更新_
        self.__count = self.__count + 0.1
        self.value = np.sin(self.__count)
        self.GetValue(self.value)
        _# 將數據轉化為圖形_
        self.curve.setData(self.valuelist)

    _# 設置定時更新_
    def SetUpdate(self,time:int = 100):
        _# 創建定時器對象_
        timer = QtCore.QTimer()
        _# 定時器結束，觸發DataUpdate方法_
        timer.timeout.connect(self.DataUpdate)
        _# 啟動定時器_
        timer.start(time)
        _# 進入主事件循環并等待_
        pg.exec()

if __name__ == '__main__':
    _# 創建PlotClass對象，自動完成初始化_
    p = PlotClass()
    _# 設置定時更新任務_
    p.SetUpdate()

這里，我們定義了如下屬性和方法：

屬性/方法	作用
wintitle	窗口標題
plottitle	圖層標題
width	窗口寬度
height	窗口高度
app	Qt 應用實例對象
win	窗口對象
value	傳感器數據
__count	計數變量
valuelist	傳感器數據緩存列表
curve	繪圖曲線
plotob	圖層對象
appinit(self)	用于 qt 應用程序初始化，添加窗口、曲線和圖層
GetValue(self,value)	用于接收傳感器數據，加入緩存列表
DataUpdate(self)	用于定時進行曲線更新,這里模擬繪制正弦曲線
SetUpdate(self,time:int = 100)	設置定時更新任務

首先，我們在__init__和 appinit()中完成初始化操作，包括對類內屬性、Qt 應用實例、窗口圖層及曲線的初始化：

接著我們在 SetUpdate 方法中創建定時器對象并設置定時任務，當設置的延時時間到達時，調用 DataUpdate 方法，在其中對數據曲線并進行更新，示例中，我們利用__count 屬性每次遞增，使得其繪制正弦曲線。

同時設置進入主事件循環并等待嗎，以使得 Qt 界面保持顯示：

這里，我們在主函數中創建對象并啟動運行定時刷新曲線，如下為結果：

這里，我們想要使得 MasterClass 類同時具備串口收發和繪圖功能，因此要用到多重繼承，MasterClass 類同時繼承于 SerialClass 和 PlotClass。通過多重繼承，一個子類就可以同時獲得多個父類的所有功能。

示例代碼如下：

class MasterClass(SerialClass,PlotClass):
    _# 類變量：_
    _#   BUSY_STATE  -忙碌狀態-0_
    _#   IDLE_STATE  -空閑狀態-1_
    BUSY_STATE, IDLE_STATE = (0, 1)

    _# 類變量：_
    _#   START_CMD       - 開啟命令      -0_
    _#   STOP_CMD        - 關閉命令      -1_
    _#   SENDID_CMD      - 發送ID命令    -2_
    _#   SENDVALUE_CMD   - 發送數據命令   -3_
    START_CMD, STOP_CMD, SENDID_CMD, SENDVALUE_CMD = (0, 1, 2, 3)

    _# 類的初始化_
    def __init__(self,state:int = IDLE_STATE,port:str = "COM17",wintitle:str="Basic plotting examples",plottitle:str="Updating plot",width:int=1000,height:int=600):
        _# 分別調用不同父類的__init__方法_
        SerialClass.__init__(self,port)
        PlotClass.__init__(self,wintitle,plottitle,width,height)
        self.valuequeue   = queue.Queue(10)
        self.__masterstatue = state
        _# 初始化完成的標志量_
        self.INIT_FLAG = False

    @classmethod
    def MasterInfo(cls):
        print("Info : "+str(cls))

    _# 開啟主機_
    def StartMaster(self):
        super().OpenSerial()
        logging.info("START MASTER :"+self.dev.port)

    _# 停止主機_
    def StopMaster(self):
        super().CloseSerial()
        logging.info("CLOSE MASTER :" + self.dev.port)

    _# 接收傳感器ID號_
    def RecvSensorID(self):
        sensorid = super().ReadSerial()
        logging.info("MASTER RECIEVE ID : " + str(sensorid))
        return sensorid

    _# 接收傳感器數據_
    def RecvSensorValue(self):
        data = super().ReadSerial()
        logging.info("MASTER RECIEVE DATA : " + str(data))
        self.valuequeue.put(data)
        return data

    _# 主機發送命令_
    def SendSensorCMD(self,cmd):
        super().WriteSerial(str(cmd))
        logging.info("MASTER SEND CMD : " + str(cmd))

    _# 主機返回工作狀態-_
    def RetMasterStatue(self):
        return self.__masterstatue

    _# 重寫父類的DataUpdate方法_
    def DataUpdate(self):
        self.SendSensorCMD(self.SENDVALUE_CMD)
        self.value = self.RecvSensorValue()
        self.WriteSerial("Recv:"+str(self.value))
        self.GetValue(self.value)
        self.curve.setData(self.valuelist)

if __name__ == "__main__":
    _# 初始化對象_
    m = MasterClass(state = MasterClass.IDLE_STATE,
                    port = "COM17",
                    wintitle = "Basic plotting examples",
                    plottitle = "Updating plot",
                    width = 1000,
                    height = 600)
    m.StartMaster()
    m.SendSensorCMD(MasterClass.SENDID_CMD)
    m.RecvSensorID()
    _# 設置定時更新任務_
    m.SetUpdate()

我們可以看到兩個父類和子類關系及不同類的屬性和方法如下：

首先，我們使用如下語句表明 MasterClass 繼承于 SerialClass 和 PlotClass：

class MasterClass(SerialClass,PlotClass):

接著，我們在 MasterClass 的初始化方法中分別調用不同父類的__init__方法：

SerialClass.__init__(self,port)
        PlotClass.__init__(self,wintitle,plottitle,width,height)

同時我們在 MasterClass 中重寫父類的 DataUpdate 方法，首先發送查詢數據指令，接著等待接收數據，完成數據接收后發送接收到的數據并存入數據緩存列表，在設置定時任務后，定時更新曲線。

如下為運行效果，我們可以看到接收到數據后正常完成曲線的更新：

在測試過程中，我們可以看到 Qt 窗口會有無法響應的情況出現，這是由于界面主線程是單線程，如果在 UI 主線程中執行耗時操作，例如點擊按鈕，響應函數去數據庫查詢數據，數據量比較大時，查詢需要幾秒鐘甚至幾十秒的時間，如果 UI 主線程一直等待響應函數返回，阻塞在響應函數內部，就無法響應界面的其他消息或者事件，界面就會卡死，無響應。這種情況可以利用 Python 的多線程或多進程得以避免，這個情況將在后面講到。

可以看到，在創建包含兩組完全不同行為的對象的情況下，兩個類接口不同，子類完全可以正常運行，但是如果兩個類的接口有重疊，同時繼承就可能造成混亂。最好的方法就是避免這種情況，重新分析系統，看看是否能夠去掉多重繼承關系并用其他的關聯或組合設計替代。

同時切記，盡量不要在子類的初始化方法中手動調用父類對象的初始化方法，會導致導致菱形繼承無法被正確處理，盡量使用 Python 內置的 super() 函數，并且為 Python 類規定了標準的方法解析順序 MRO 。使用 super() 函數初始化父類可以確保菱形繼承體系中的共同超類只初始化一次。MRO 則可以確定超類之間的初始化順序。

關于多重繼承中調用同名方法時的具體情況和調用順序可以查看如下鏈接：

https://pythonhowto.readthedocs.io/zh-cn/latest/object.html#id29

posted @ 2024-07-17 01:35 FreakStudio 閱讀(149) 評論(0) 收藏舉報

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