Объектная модель Python

Объектно-ориентированное_программирование: Поддержка в ЯП объектного проектирования.

Три составляющих ООП:

  1. Абстракция (общее/частное).

    • Примеры «вертикальной» абстракции: класс/экземпляр класса, базовый класс/производный класс и т. п. (Python: +метакласс)
    • Примеры «горизонтальной» абстракции моделирование различных сущностей предметной области одинаковыми структурами ЯП
  2. Инкапсуляция: минимализация необходимого информационно пространства; часто — за счёт создания иерархии пространств имён (большинство языков: размещение в одном компоненте данных и методов, которые с ними работают)

    • не смешивать с сокрытием
  3. Наследование: повторное использование свойств объектов с описанием различий

  4. Полиморфизм (а вот эту статью на Википедии не стоит читать на полном серьёзе): возможность для одного и того же кода обрабатывать данные разных типов (Python: duck typing!)


Следующий подраздел — отдельная статья про классы. Обещанную вторую я так и не написал, если вдруг кто-то считает, что она нужна, мотивируйте меня ☺.

Статья «Классы в Python3 — это очень просто»

Примечание: достаточно сделать все примеры, и наступит Просветление! Если оно не наступило, прочитать комментарии к примерам. Если всё равно непонятно, пишите письма автору.

Поля классов и объектов

Стандартные объекты — например, кортежи — рождаются с полями:

   1 >>> l=()
   2 >>> dir(l)
   3 ['__add__', '__class__', '__contains__', '__delattr__', '__dir__', '__doc__', '__eq__', '__format__', '__ge__', '__getattribute__', '__getitem__', '__getnewargs__', '__gt__', '__hash__', '__init__', '__iter__', '__le__', '__len__', '__lt__', '__mul__', '__ne__', '__new__', '__reduce__', '__reduce_ex__', '__repr__', '__rmul__', '__setattr__', '__sizeof__', '__str__', '__subclasshook__', 'count', 'index']
   4 >>> l.new="QQ"
   5 Traceback (most recent call last):
   6   File "<stdin>", line 1, in <module>
   7 AttributeError: 'tuple' object has no attribute 'new'

Этих полей довольно много, но все они какие-то служебные и нам сейчас не интресны. А впихивать новые поля в стандартный объект нельзя.

Но можно самому создать объект. Для этого надо с помощью оператора class описать конструктор этого объекта, а потом вызвать этот конструктор. Он вернёт объект — ровно такой, как заказывали. Например, пустой:

   1 >>> class C:
   2 ...   pass
   3 ...
   4 >>> dir(C)
   5 ['__class__', '__delattr__', '__dict__', '__dir__', '__doc__', '__eq__', '__format__', '__ge__', '__getattribute__', '__gt__', '__hash__', '__init__', '__le__', '__lt__', '__module__', '__ne__', '__new__', '__reduce__', '__reduce_ex__', '__repr__', '__setattr__', '__sizeof__', '__str__', '__subclasshook__', '__weakref__']
   6 >>> c=C()
   7 >>> dir(c)
   8 ['__class__', '__delattr__', '__dict__', '__dir__', '__doc__', '__eq__', '__format__', '__ge__', '__getattribute__', '__gt__', '__hash__', '__init__', '__le__', '__lt__', '__module__', '__ne__', '__new__', '__reduce__', '__reduce_ex__', '__repr__', '__setattr__', '__sizeof__', '__str__', '__subclasshook__', '__weakref__']
   9 >>> c
  10 <__main__.C object at 0x7f39429f92b0>
  11 >>> C
  12 <class '__main__.C'>

Постой-постой, он не совсем пустой! В нём тоже есть несколько каких-то служебных имён, ну да это мелочи, главное — неслужебных нет. Итак, C — конструктор объекта, а c — сконструированный им объект (или «экземпляр», instance).

И вот в такой объект можно самому напихать какие хочешь поля:

   1 >>> c.new="QQ"
   2 >>> dir(c)
   3 ['__class__', …, 'new']
   4 >>> c.new
   5 'QQ'

Поля, добавленные в объект, в самом классе не появляются. Но и в сам класс (конструктор) тоже можно напихать какие хочешь поля:

   1 >>> C.strange="NN"
   2 >>> dir(C)
   3 ['__class__', …, 'strange']
   4 [
   5 >>> dir(c)
   6 ['__class__', …, 'new', 'strange']
   7 >>> c.strange
   8 'NN'

Более того, эти поля тут же становятся видны видны во всех экземплярах. Если в самом экземпляре поля нет, Python смотрит, а нет ли его в классе.

А если такое поле в объекте создать, оно «заслоняет» собой поле класса (как локальная переменная заслоняет глобальную):

   1 >>> d=C()
   2 >>> dir(d)
   3 ['__class__', …, 'strange']
   4 >>> d.strange='YY'
   5 >>> c.strange
   6 'NN'
   7 >>> C.strange
   8 'NN'
   9 >>> d.strange
  10 'YY'

Поле объекта можно удалить! Тогда снова станет видимым поле класса:

   1 >>> d.strange
   2 'YY'
   3 >>> del d.strange
   4 >>> d.strange
   5 'NN'

Поле класса можно удалить, разумеется, только в самом классе:

   1 >>> del d.strange
   2 Traceback (most recent call last):
   3   File "<stdin>", line 1, in <module>
   4 AttributeError: strange
   5 >>> dir(d)
   6 ['__class__', …, '__weakref__', 'strange']
   7 >>> del C.strange
   8 >>> d.strange
   9 Traceback (most recent call last):
  10   File "<stdin>", line 1, in <module>
  11 AttributeError: 'C' object has no attribute 'strange'
  12 >>> dir(d)
  13 ['__class__', …]
  14 >>> dir(C)
  15 ['__class__', …]

Задание полей в конструкторе, часть первая

Если мы хотим, чтобы при создании объекта в нём уже были какие-то поля, эти поля надо добавить в класс. Только вот делать это в виде класс.поле = значение там и сям в коде программы как-то… неструктурно. Можно сделать так:

   1 >>> class D:
   2 ...   w=10
   3 ...   h=20
   4 ...
   5 >>> d=D()
   6 >>> d.w, d.h
   7 (10, 20)

Теперь при обращении к полям w и h любого объекта типа D («экземпляра класса D») мы получим какое-нибудь значение — либо поля из класса, если мы ничего не добавляли в объект, либо поля объекта, если добавляли:

   1 >>> e=D()
   2 >>> e.w, e.h = 18, 11
   3 >>> d.w*d.h-e.w*e.h
   4 2

Тут есть одна неприятность. Если поле класса — не константа (например, список), и его можно менять, то пока мы его не переопределили в объекте, мы изменяем поле класса:

   1 >>> class E:
   2 ...   l=[]
   3 ...
   4 >>> e=E()
   5 >>> e.l, E.l
   6 ([], [])
   7 >>> e.l.append("QQ")
   8 >>> e.l, E.l
   9 (['QQ'], ['QQ'])

А как только мы зададим поле объекта, мы начинаем изменять поле объекта:

   1 >>> f=E()
   2 >>> f.l=[]
   3 >>> e.l, f.l, E.l
   4 (['QQ'], [], ['QQ'])
   5 >>> f.l.append("Q-K-R-Q")
   6 >>> e.l, f.l, E.l
   7 (['QQ'], ['Q-K-R-Q'], ['QQ'])

Та же история, что с глобальными и локальными переменными. Не было присваивания — видно поле класса, присвоили — трах! — появилось поле объекта. И за этим надо следить. Запомним на будущее.

Методы

Разумеется, поля объекта могут быть абсолютно любого типа. Числами. Строками. Функциями. Экземплярами класса. Классами. Любого типа.

Функциями — это хорошо! Вот, например, функция, которая показывает значение поля класса:

   1 >>> class F:
   2 ...   data = "dada"
   3 ...
   4 >>> def fun():
   5 ...   print(F.data)
   6 ...
   7 >>> f=F()
   8 >>> f.pri=fun
   9 >>> f.pri()
  10 dada
  11 >>> f.data = "nono"
  12 >>> f.pri()
  13 dada

Поле класса — это не так интересно, как поле объекта. Нам же их в основном менять. А для того, чтобы добыть поле объекта, нужно знать сам объект. Выходит, чтобы добавлять функцию в объект, нужно сначала создать объект, запоминать и никогда не трогать ссылку на этот объект, потом каждый раз создавать новую функцию, в которой использовать эту неприкосновенную ссылку? Ужас.

А нельзя ли прямо в конструктор функцию записать? В класс? Чтобы она всегда там уже была? А ссылку на объект — что же, передадим и ссылку, жалко, что ли? Вот так как-нибудь:

   1 >>> class G:
   2 ...   d = 1
   3 ...   def fun(obj):
   4 ...     print(obj.d)
   5 ...
   6 >>> g=G()
   7 >>> g.fun(g)
   8 Traceback (most recent call last):
   9   File "<stdin>", line 1, in <module>
  10 TypeError: fun() takes 1 positional argument but 2 were given

Час от часу не легче! Как это так «задано два параметра»?! Один же!

Посмотрим. Передадим один параметр, а в функции напишем, что их два, раз уж оно так думает:

   1 >>> class H:
   2 ...   def test(p1, p2):
   3 ...     print(p1, p2)
   4 ...
   5 >>> h=H()
   6 >>> h.test(100500)
   7 <__main__.H object at 0x7feffab3fdd8> 100500
   8 >>> h
   9 <__main__.H object at 0x7feffab3fdd8>
  10 >>> H.test(h,"I've got it!")
  11 <__main__.H object at 0x7feffab3fdd8> I've got it!

Ах во-о-о-т как. Функции, определённой внутри класса (она называется метод) Python передаёт на один параметр больше! При вызове вида объект.метод(параметр1, …) на самом деле вызывается функция класс.метод(объект, параметр1, …).

Собственно Python как бы намекает нам на это:

   1 >>> class I:
   2 ...   def meth():
   3 ...     pass
   4 ...
   5 >>> def fun():
   6 ...   pass
   7 ...
   8 >>> I.subfun = fun
   9 >>> i = I()
  10 >>> fun
  11 <function fun at 0x7feffab441e0>
  12 >>> I.subfun
  13 <function fun at 0x7feffab441e0>
  14 >>> I.meth
  15 <function I.meth at 0x7feffab61048>
  16 >>> i.subfun
  17 <bound method fun of <__main__.I object at 0x7feffab604a8>>
  18 >>> i.meth
  19 <bound method I.meth of <__main__.I object at 0x7feffab604a8>>

Да. То есть функция вообще ничем не отличается от метода класса. Кроме имени, в котором отложилось имя исходного класса. Но метод экземпляра, оказывается — совсем другой объект! Очевидно, при конструировании объекта классом методы тоже конструируются из методов класса.

Ну-ка, ну-ка:

   1 >>> class J:
   2 ...   t = 42
   3 ...   def answer(obj):
   4 ...     print(obj.t)
   5 ...
   6 >>> j=J()
   7 >>> j.answer()
   8 42
   9 >>> j.t='forty two'
  10 >>> j.answer()
  11 forty two

Вуаля! Осталось только заметить, чтоб для удобства чтения этот первый параметр принято называть self.

Инициализация

Вернёмся теперь к чуду превращения полей класса в поля объекта. Это плохое, негодное чудо: за ним надо следить. Например, создать объект и тут же заполнить все его поля. Тогда они все будут полями объекта, и следить больше будет не за чем.

Ну так вот, если задать специальный метод __init__(), конструктор его вызовет в процессе создания объекта (точнее — сразу после создания, но перед тем, как отдавать в программу результат). Там-то можно все поля свежесозданного, но незаполненного ещё объекта и заполнить.

Более того, если передать какие-то параметры конструктору, он их передаст в __init__() (разумеется, вместе со ссылкой на объект в качестве первого параметра):

   1 >>> class K:
   2 ...   def __init__(self, w, h):
   3 ...     self.w, self.h = w, h
   4 ...   def square(self):
   5 ...     return self.w*self.h
   6 ...
   7 >>> k=K(10,20)
   8 >>> dir(k)
   9 ['__doc__', '__init__', '__module__', 'h', 'square', 'w']
  10 >>> k.square()
  11 200

Вот.

До встречи в прямом эфире! Не пропустите следующую серию, в которой класс G скажет:

— Всему самому лучшему, что у меня есть, я обязан родителю!
  Я всё унаследовал от него — и эти поля, и эти методы — а сам лишь кое-что улучшил и добавил немного от себя.

Конец статьи


Коротко

Строка документации класса (и методов, разумеется, но там как в функциях).

Перегрузка операций

На самом деле всё наоборот — нет никаких операций, есть синтаксический сахар и протоколы над методами.

Спецметоды

Примеры (сколько успеем)

Д/З

  1. Прочитать про классы в tutorial; про «волшебные методы» например, тут

  2. EJudge: PushPull 'Тяни-толкай'

    Написать класс Pushpull, при создании экземпляра которого задаётся целое число (по умолчанию — 0) — положение тянитолкая, измеряемое в шагах от столба (отрицательное число — влево, положительное — вправо, ноль — тянитолкай у столба). Класс обладает следующими свойствами:

    • имеет метод push(n), перемещение тянитолкая вправо на неотрицательное число n шагов (по умолчанию 1)

    • имеет метод pull(n), перемещение тянитолкая влево.

    • экземпляр класса итерируем, при этом возвращается последовательность чисел от 0 до текущего положения тянитолкая (не включая само положение)
    • преобразование в строку выглядит так: "<слева<", "<0>" и ">справа>"

    • все экземпляры этого класса задают положение/перемещают одного и того же тянитолкая.

    Input:

       1 a = Pushpull(-10)
       2 print(a)
       3 b, c = Pushpull(7), Pushpull(5)
       4 print(b)
       5 for i in b:
       6     c.pull()
       7 print(a)
       8 b.push(3)
       9 t = tuple(c)
      10 a.pull(7)
      11 t += tuple(b)
      12 print(*t)
    
    Output:

    <10<
    >5>
    <0>
    0 1 2 0 -1 -2 -3
  3. EJudge: DahDit 'Морзянка'

    Написать класс morse("строка"), экземпляр которого переводит арифметические выражения в морзянку! В выражении «+» — это точка, «-» — тире, а «~» — промежуток между буквами (бывает только между буквами и только один, проверять не надо).

    • Параметр — строка, состоящая либо из символов, либо из слов.
    • Строка состоит из слов, если в ней есть хотя бы один пробел (в этом случае между словами стоит ровно один пробел)
    • Если в строке три элемента, они задают точку, точку на конце передаваемой буквы (традиционно обозначается другим слогом) и тире
    • Два элемента задают точку (она же точка на конце буквы) и тире

    • Если элемента четыре, четвёртый — это то, что выводится в конце сообщения
    • По умолчанию:
      • Если параметров нет, это слова "di", "dit" и "dah".

      • Если параметры — слова: в конце сообщения выводится ".", разделители при выводе: пробел между сигналами и ", " между буквами.

      • Если параметры — символы: непуст только разделитель между буквами (это пробел).
    Input:

       1 print(-+morse())
       2 print(-++~+-+morse())
       3 print(--+~-~-++~+++-morse())
       4 print(--+~-~-++~+++-morse(".-"))
       5 print(--+~-~-++~+++-morse("..-"))
       6 print(--+~-~-++~+++-morse("..-|"))
       7 print(--+~-~-++~+++-morse("dot DOT dash"))
       8 print(--+~-~-++~+++-morse("ai aui oi "))
       9 print(--+~-~-++~+++-morse("dot dot dash ///")) 
    
    Output:

    dah dit.
    dah di dit, di dah dit.
    dah dah dit, dah, dah di dit, di di di dah.
    --. - -.. ...-
    --. - -.. ...-
    --. - -.. ...-|
    dash dash DOT, dash, dash dot DOT, dot dot dot dash.
    oi oi aui, oi, oi ai aui, ai ai ai oi
    dash dash dot, dash, dash dot dot, dot dot dot dash///
  4. EJudge: NutsClass 'Странный класс'

    Написать класс Nuts, экземпляры которого

    • можно конструировать из любого набора объектов (в т. ч. из ничего)
    • можно индексировать по чему угодно (возвращается объект, который использовался в индексе)
      • в том числе позволяют присваивать и удалять по индексу (ничего не происходит)
    • содержат любое поле (возвращается имя этого поля)

      • в том числе позволяют присваивать и удалять поля (ничего не происходит)
    • итерируемы (возвращаются строки "N", "u", "t" и "s")

    • в виде строки представляются как "Nuts"

    Input:

       1 M, N = Nuts(), Nuts(1,2,3,4)
       2 print(M, N)
       3 M[100] = N.qwerty = 42
       4 print(M[100], N.qwerty)
       5 print(*list(Nuts("QWERQWERQWER")))
       6 del M["QQ"], N[6:10], M[...], N._, N.qwerty
       7 print(M.asdfg, N[-2])
    
    Output:

    Nuts Nuts
    100 qwerty
    N u t s
    asdfg -2
  5. EJudge: SpiralString 'Спиральки'

    Написать класс Spiral, экземпляр которого образуется из строки, содержащей одну или несколько последовательностей одинаковых символов, при этом одинаковые символы группируются в порядке их первого вхождения, например Spiral("1233443213")11 22 3333 44. При преобразовании в строку такая последовательность должна «закручиваться в спираль» против часовой стрелки, начиная с направления «вправо» (см. пример). Помимо преобразования в строку объект типа Spiral должен:

    • Поддерживать сложение с таким же объектом: существующие в исходном объекте последовательности увеличиваются на соответствующее количество символов, новые — добавляются в конец
    • Поддерживать вычитание объектов типа Spiral, при этом существующие последовательности уменьшаются в длине (до полного исчезновения, если в вычитаемом было не меньше таких символов)

    • Поддерживать умножение на натуральное число N (количество символов в последовательностях увеличивается в N раз)

    • Поддерживать итератор по всем символам последовательности
    Input:

       1 S = Spiral("abbcccddddeeeee")
       2 I = Spiral("abcdefghi")
       3 
       4 print(f"{S}\n")
       5 print(S+I, "\n")
       6 print(S-I, "\n")
       7 print(I*2, "\n")
       8 print(I*2-S, "\n")
       9 print(*list(S+I))
    
    Output:

    dccc
    d  b
    d ab
    d
    eeeee
    
       ihg
         f
    ccbb e
    c  b e
    c aa e
    d    e
    ddddee
    
    eddd
    e  c
    e bc
    e
    
    dccb
    d  b
    e aa i
    e    i
    ffgghh
    
    hhgg
    i  f
    i af
    
    a a b b b c c c c d d d d d e e e e e e f g h i

LecturesCMC/PythonIntro2022/08_ObjectModel (последним исправлял пользователь FrBrGeorge 2022-11-02 14:31:15)