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Python 物件導向程式設計：靜態方法與類別方法

簡介

在 Python 的 OOP（Object‑Oriented Programming）中，除了最常見的 實例方法，還有兩種特殊的方法——靜態方法（@staticmethod）與類別方法（@classmethod）。它們看起來只是語法上的小裝飾，卻在設計可重用、可維護的程式碼時扮演關鍵角色。

  • 靜態方法不需要存取物件或類別本身的狀態，適合把「純函式」封裝在類別命名空間內，讓程式結構更清晰。
  • 類別方法則會自動收到當前類別（cls）作為第一個參數，常用來實作 替代建構子、工廠模式，或在子類別中保留正確的類別資訊。

了解何時使用哪一種方法，不僅能避免程式執行時的意外行為，還能提升程式的可讀性與可測試性。以下將從概念、範例、常見陷阱與實務應用逐一說明。

核心概念

1. 靜態方法（@staticmethod）

靜態方法本質上是一個普通函式，只是被放在類別裡以便於組織。

  • 不會自動傳入 self 或 cls，因此在方法內無法直接存取實例屬性或類別屬性。
  • 仍然可以透過類別或實例呼叫，語法上沒有差別。
class MathUtil:
    @staticmethod
    def add(a, b):
        """兩數相加，純函式，無需存取類別資訊。"""
        return a + b

# 呼叫方式
result = MathUtil.add(3, 5)        # 8
obj = MathUtil()
print(obj.add(10, 20))            # 30

重點：如果方法內部不需要 self 或 cls，就應該考慮使用 @staticmethod，讓意圖更明確。

2. 類別方法（@classmethod）

類別方法會自動接收當前類別本身（cls）作為第一個參數。

  • 可以存取或修改類別屬性，但仍無法直接操作實例屬性。
  • 常見用途包括 替代建構子（Factory），或在子類別呼叫時自動取得正確的類別。
class Person:
    species = "Homo sapiens"      # 類別屬性

    def __init__(self, name):
        self.name = name

    @classmethod
    def from_full_name(cls, full_name):
        """透過全名建立 Person 物件，示範替代建構子。"""
        first, last = full_name.split()
        return cls(f"{first} {last}")

# 使用類別方法建立實例
p = Person.from_full_name("Ada Lovelace")
print(p.name)                     # Ada Lovelace
print(p.species)                  # Homo sapiens

3. 靜態方法 vs 類別方法：何時選擇？

特性 @staticmethod @classmethod
自動傳入參數 無 cls（類別本身）
能否存取類別屬性 ❌（必須透過類別名稱手動） ✅（直接使用 cls）
主要用途 純函式、工具函式 替代建構子、工廠方法、與類別狀態相關的操作
繼承時的行為 仍是普通函式，呼叫時不會自動改成子類別方法 會自動指向子類別，支援多型

小提醒：即使靜態方法可以透過 ClassName.method() 呼叫，也不代表它能存取 ClassName 的屬性；若需要存取，請改用類別方法。

4. 程式碼範例

以下提供 五個實用範例，示範靜態方法與類別方法在不同情境下的最佳寫法。

範例 1：工具函式 – 文字處理

class StringHelper:
    @staticmethod
    def to_snake_case(text: str) -> str:
        """將 CamelCase 文字轉成 snake_case。"""
        import re
        s1 = re.sub('(.)([A-Z][a-z]+)', r'\1_\2', text)
        return re.sub('([a-z0-9])([A-Z])', r'\1_\2', s1).lower()

print(StringHelper.to_snake_case("HelloWorld"))   # hello_world

範例 2：類別屬性累計 – 計算實例總數

class Widget:
    _counter = 0                     # 私有類別屬性

    def __init__(self):
        type(self)._counter += 1

    @classmethod
    def total_created(cls) -> int:
        """回傳已建立的 Widget 數量。"""
        return cls._counter

w1, w2, w3 = Widget(), Widget(), Widget()
print(Widget.total_created())   # 3

範例 3：工廠方法 – 依參數回傳不同子類別

class Shape:
    @classmethod
    def create(cls, kind: str, **kwargs):
        """根據 kind 回傳對應的 Shape 子類別實例。"""
        subclasses = {sub.__name__.lower(): sub for sub in cls.__subclasses__()}
        if kind.lower() not in subclasses:
            raise ValueError(f"未知形狀: {kind}")
        return subclasses[kind.lower()](**kwargs)

class Circle(Shape):
    def __init__(self, radius):
        self.radius = radius

class Square(Shape):
    def __init__(self, side):
        self.side = side

c = Shape.create("circle", radius=5)
s = Shape.create("square", side=3)
print(type(c), c.radius)       # <class '__main__.Circle'> 5
print(type(s), s.side)         # <class '__main__.Square'> 3

範例 4：繼承中的類別方法 – 正確返回子類別

class BaseLogger:
    prefix = "[LOG]"

    @classmethod
    def log(cls, message):
        print(f"{cls.prefix} {message}")

class FileLogger(BaseLogger):
    prefix = "[FILE]"

BaseLogger.log("系統啟動")      # [LOG] 系統啟動
FileLogger.log("寫入檔案")      # [FILE] 寫入檔案

範例 5：混合使用 – 透過類別方法取得資料，再用靜態方法格式化

class Temperature:
    _data = {"C": 0, "F": 32}

    @classmethod
    def from_celsius(cls, c):
        """以攝氏度建立 Temperature 物件。"""
        f = cls.c_to_f(c)
        obj = cls()
        obj.c = c
        obj.f = f
        return obj

    @staticmethod
    def c_to_f(c):
        """攝氏轉華氏，純數學運算，適合做靜態方法。"""
        return c * 9 / 5 + 32

t = Temperature.from_celsius(25)
print(t.c, t.f)                # 25 77.0

常見陷阱與最佳實踐

陷阱 說明 建議的做法
把需要 cls 的程式寫成 @staticmethod 會導致無法存取類別屬性或子類別資訊，執行時拋出 AttributeError。 先確認是否真的不需要類別資訊，若需要則改用 @classmethod。
在靜態方法內直接使用類別名稱存取類別屬性 子類別繼承時仍會指向父類別，破壞多型。 若需要動態取得類別屬性，改用 @classmethod 並使用 cls。
忘記在類別方法中返回 cls 的實例 只返回父類別實例，子類別呼叫時失去多型。 使用 return cls(...)，確保返回正確的子類別物件。
把過於複雜的邏輯寫在靜態方法裡 靜態方法應保持「純函式」特性，過度耦合會降低可測試性。 把複雜流程拆成多個小函式，或考慮使用實例方法。
直接在類別外部呼叫 ClassName.__init__ 會繞過 @classmethod / @staticmethod 的封裝，破壞封裝性。 只透過建構子或工廠方法建立物件。

最佳實踐

  1. 意圖先行：在寫方法前，先問自己「這個方法需要存取實例狀態、類別狀態，還是兩者都不需要？」
  2. 保持單一職責：靜態方法適合做純粹的工具函式，類別方法適合做物件產生或類別層級的設定。
  3. 文件化：在每個 @staticmethod / @classmethod 前寫清楚說明，尤其要說明為何不使用實例方法。
  4. 測試覆蓋：靜態方法與類別方法同樣需要單元測試，確保它們在子類別繼承時仍能正確工作。

實際應用場景

  1. 設定與常數管理：將所有與設定檔無關、僅靠參數計算的功能寫成靜態方法，讓其他模組呼叫時不必建立不必要的物件。
  2. 工廠模式（Factory Pattern）：大型系統常會根據不同參數回傳不同子類別的實例，正如範例 3 所示，使用 @classmethod 可保證子類別正確返回。
  3. 資料驗證與轉換：驗證規則或格式轉換往往與個別實例無關，適合寫成靜態方法，讓模型類別本身即成為「驗證器」。
  4. 日誌與監控：在基礎類別中提供 @classmethod 的 log 方法，子類別只要改變 prefix 或 handler 即可自訂日誌行為，避免在每個實例中重複設定。
  5. 多語言或多幣別系統：使用類別方法取得當前語系/幣別設定，然後靜態方法執行實際的格式化或計算，保持程式碼的清晰層次。

總結

  • 靜態方法是「封裝在類別內的純函式」，適合不需要任何類別或實例資訊的工具程式。
  • 類別方法則會自動取得類別本身 (cls)，常用於替代建構子、工廠模式或類別層級的狀態管理。
  • 正確選擇與使用這兩種方法，能讓程式碼的可讀性、可維護性大幅提升，同時避免在繼承與多型情境下的意外行為。

掌握了靜態方法與類別方法之間的差異與最佳實踐，你就能在日常開發中更靈活地組織程式碼，寫出既清晰又強韌的 Python 應用。祝你寫程式愉快！