Python 物件導向程式設計（OOP）─ 類別屬性與實例屬性

簡介

在 Python 的物件導向程式設計中，類別屬性（class attribute）與 實例屬性（instance attribute）是兩種最常見、也是最容易混淆的屬性類型。掌握它們的差異與使用時機，能讓程式碼更具可讀性、可維護性，同時避免不必要的錯誤。

本篇文章將從概念說明、實作範例、常見陷阱與最佳實踐，最後帶入實務應用場景，逐步帶你了解什麼時候該使用類別屬性、什麼時候該使用實例屬性，並提供可直接套用的程式碼範例，適合 初學者到中階開發者 閱讀。

核心概念

1. 什麼是類別屬性？

類別屬性是屬於 整個類別本身 的變數，所有由該類別產生的實例（object）都會共享同一份資料。換句話說，修改類別屬性會同步影響所有已建立或未來建立的實例。

class Car:
    # 類別屬性：所有 Car 共享的資訊
    wheels = 4          # 四輪車的預設值
    manufacturer = "Toyota"

# 兩台不同的 Car 實例
c1 = Car()
c2 = Car()

print(c1.wheels, c2.wheels)   # 4 4
# 變更類別屬性
Car.wheels = 6
print(c1.wheels, c2.wheels)   # 6 6

重點：Car.wheels 是類別屬性，c1.wheels 只是一個「查找」的過程，若實例本身沒有同名屬性，就會去類別中找。

2. 什麼是實例屬性？

實例屬性屬於 單一物件，每個實例都有自己的獨立資料。通常在 __init__ 建構子裡以 self. 開頭定義。

class Car:
    def __init__(self, color, model):
        # 實例屬性：每台車都有自己的顏色與型號
        self.color = color
        self.model = model

c1 = Car("red", "Corolla")
c2 = Car("blue", "Camry")

print(c1.color, c2.color)   # red blue
c1.color = "black"
print(c1.color, c2.color)   # black blue

提示：實例屬性只能透過 self 存取，且不會影響同類別的其他實例。

3. 何時使用類別屬性？

常數或預設值：例如「全域設定」或「不會因個別實例而改變」的資料。
計數器：想要追蹤已建立多少個實例時，可用類別屬性累加。
共享資源：如資料庫連線、緩存（cache）等，所有實例共用同一份資源。

class User:
    # 類別屬性：全域使用者計數
    total_users = 0

    def __init__(self, name):
        self.name = name
        User.total_users += 1   # 每建立一個實例，計數加一

u1 = User("Alice")
u2 = User("Bob")
print(User.total_users)   # 2

4. 何時使用實例屬性？

個別狀態：每個物件都有自己的資料，如「使用者名稱、年齡、購物車內容」等。
需要在建構子裡根據參數動態決定的值。
避免不必要的共享：若屬性不該被其他實例看到或改動，應使用實例屬性。

5. 類別屬性與實例屬性的搜尋順序

Python 會依照以下順序尋找屬性：

實例的 __dict__（即實例屬性）
類別的 __dict__（類別屬性）
父類別的 __dict__（繼承而來的類別屬性）

若在實例中重新賦值同名屬性，會「遮蔽」（shadow）類別屬性，形成新的實例屬性。

class Demo:
    shared = 10   # 類別屬性

d = Demo()
print(d.shared)   # 10 (從類別找)

d.shared = 20     # 在實例 d 中建立同名的實例屬性
print(d.shared)   # 20 (實例自己的值)
print(Demo.shared) # 10 (類別本身未變)

程式碼範例

範例 1：使用類別屬性作為預設參數

class Rectangle:
    # 類別屬性：預設的單位長度（公分）
    unit = "cm"

    def __init__(self, width, height):
        self.width = width
        self.height = height

    def area(self):
        return self.width * self.height

r = Rectangle(5, 3)
print(f"面積：{r.area()} {Rectangle.unit}")   # 面積：15 cm

範例 2：計算物件總數的類別屬性

class Animal:
    total = 0   # 類別屬性：所有動物的總數

    def __init__(self, species):
        self.species = species
        Animal.total += 1

    @classmethod
    def get_total(cls):
        return cls.total

cat = Animal("Cat")
dog = Animal("Dog")
print(Animal.get_total())   # 2

範例 3：實例屬性與類別屬性同名的遮蔽行為

class Counter:
    count = 0   # 類別屬性

    def __init__(self):
        self.count = 100   # 實例屬性遮蔽

c1 = Counter()
c2 = Counter()
print(Counter.count)   # 0  (類別屬性未變)
print(c1.count)        # 100
print(c2.count)        # 100

範例 4：共享緩存（Cache）— 類別屬性實作

class ConfigCache:
    # 類別屬性：全域緩存字典
    _cache = {}

    @classmethod
    def get(cls, key, default=None):
        return cls._cache.get(key, default)

    @classmethod
    def set(cls, key, value):
        cls._cache[key] = value

# 任何地方都可以存取同一份緩存
ConfigCache.set("api_url", "https://example.com/api")
print(ConfigCache.get("api_url"))   # https://example.com/api

範例 5：使用 `slots` 限制實例屬性（提升效能）

class Point:
    __slots__ = ("x", "y")   # 只允許這兩個實例屬性

    def __init__(self, x, y):
        self.x = x
        self.y = y

p = Point(1, 2)
# p.z = 3   # AttributeError: 'Point' object has no attribute 'z'

常見陷阱與最佳實踐

陷阱	說明	解決方式
類別屬性被意外改寫	在實例上直接賦值同名屬性會產生遮蔽，導致其他實例仍使用舊值。	若真的要改變全體行為，請直接改 `ClassName.attr`，或使用 `@classmethod` 包裝修改邏輯。
可變物件作為類別屬性	如 `list`、`dict` 放在類別屬性，所有實例共享同一容器，容易產生資料互相污染。	若需要每個實例擁有獨立的容器，應在 `__init__` 中建立 `self.attr = []`。若真的要共享，請明確註解並使用 `copy()` 或 `deepcopy()`。
忘記使用 `self`	在建構子或方法裡寫 `attr = value`，實際上是建立局部變數，實例屬性不會被設定。	必須寫成 `self.attr = value`。
類別屬性命名衝突	同名屬性同時作為類別屬性與實例屬性，容易混淆。	建議使用前綴或不同命名風格，例如 `DEFAULT_TIMEOUT`（類別屬性） vs `timeout`（實例屬性）。
多繼承時的屬性解析順序（MRO）	繼承樹較複雜時，類別屬性可能被意外覆寫。	熟悉 Python 的 MRO（`Class.__mro__`），必要時使用 `super()` 明確呼叫。

最佳實踐

將不會變動的常數放在類別屬性，並使用全大寫命名（PEP8）。
可變物件預設放在 __init__，避免共享副作用。
若屬性需要被多個實例讀寫，提供 @classmethod 或 @property 包裝存取，以維持封裝性。
使用 __slots__ 限制實例屬性，可減少記憶體開銷（適合大量小物件情境）。
寫單元測試，特別是檢查類別屬性變更是否會影響其他實例。

實際應用場景

1. Web 框架的全域設定

在 Django、Flask 等框架中，常會有「全域設定」或「環境變數」這類資訊，適合使用類別屬性儲存，所有請求處理器皆可直接讀取。

class Settings:
    DEBUG = True
    DATABASE_URI = "sqlite:///app.db"

2. 遊戲開發中的資源緩存

遊戲常需要載入大量圖像、音效檔案。將已載入的資源放入類別屬性緩存，可避免重複讀檔，提升效能。

class SpriteCache:
    _cache = {}

    @classmethod
    def load(cls, path):
        if path not in cls._cache:
            cls._cache[path] = pygame.image.load(path)
        return cls._cache[path]

3. 企業系統的使用者追蹤

在大型系統裡，常會需要即時統計「目前線上使用者數」或「總註冊人數」，使用類別屬性作計數器最簡潔。

class Session:
    active_sessions = 0

    def __init__(self, user_id):
        self.user_id = user_id
        Session.active_sessions += 1

    def close(self):
        Session.active_sessions -= 1

4. 機器學習模型的共享參數

訓練過程中，模型的超參數（learning rate、batch size）通常在所有訓練實例間共享，可放在類別屬性，方便在不同程式模組間統一調整。

class NeuralNet:
    learning_rate = 0.001
    batch_size = 64
    # 其他實作...

總結

類別屬性是整個類別共享的資料，適合放 常數、全域設定、計數器、共享資源。
實例屬性屬於單一物件，用來保存 個別狀態、建構子參數。
了解 Python 的 屬性搜尋順序，才能避免遮蔽與意外共享的問題。
避免在類別屬性中放置可變物件，或在實例上不小心改寫類別屬性；必要時使用 @classmethod、@property、__slots__ 來加強封裝與效能。

掌握這兩種屬性的差異與正確使用方式，將讓你的 Python OOP 程式碼更具結構性、可讀性與可維護性。祝你寫程式愉快，持續在物件導向的世界裡探索更高階的設計模式！