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 — значит, не везде удалось объяснить достаточно прозрачно.

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 интересны. 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. Если функцию, определённую внутри класса, вызвать из экземпляра, Python передаёт ей на один параметр больше! При вызове вида объект.функция(параметр1, …) на самом деле вызывается класс.функция(объект, параметр1, …). Такой способ вызова превращает функцию в метод.

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, каким бы путём функция ни попала в поля класса, она становится методом, если вызвать её из экземпляра.

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: ObjInfo 'Информация об объектах'

    Напишите класс Shared, экземпляры которого будут обладать следующими свойствами:

    • При выводе с помощью print() должно выводиться строка вида «|objects/live/total/local|, где objects — количество созданных за всё время экземпляров класса Shared (без учёта их удаления), live — количество актуальных экземпляров класса Shared, total — сколько всего операций «~» применялось к объектам класса Shared, а local — сколько операций «~» применялось к данному объекту

    • Операция ~объект должна возвращать число local (уже увеличенное на 1 ☺)

    Input: 

       1 b, c = Shared(), Shared()
   2 print(b, c, Shared())
   3 print(~c, ~b, ~c)
   4 print(b, c)
    Output: 

    |3/3/0/0| |3/3/0/0| |3/3/0/0|
1 1 2
|3/2/3/1| |3/2/3/2|

  3. EJudge: TrianglesCmp 'Сравниваем треугольники'

    Написать класс Triangle, моделирующий треугольник:

    • объект tri типа Triangle создаётся из трёх положительных вещественных чисел — длин сторон треугольника

    • tri пуст, если не выполняется строгое неравенство треугольника или хотя бы одна из сторон не положительна

    • abs(tri) — площадь треугольника (0, если tri пуст)

    • два объекта tri1 и tri2 типа Triangle равны, только если попарно равны их стороны (в некотором порядке)

      • равенство необходимо определять с помощью isclose()

    • сравнение на неравенство двух объектов типа Triangle есть результат сравнения их площадей (независимо от того, равны ли треугольники в указанном выше смысле)

    • строковое представление: a:b:c, где a, b и c — это стороны треугольника в порядке их задания

    Input: 

       1 tri = Triangle(3, 4, 5), Triangle(5, 4, 3), Triangle(7, 1, 1), Triangle(5, 5, 5), Triangle(7, 4, 4)
   2 for a, b in zip(tri[:-1], tri[1:]):
   3     print(a if a else b)
   4     print(f"{a}={abs(a):.2f} {b}={abs(b):.2f}")
   5     print(a == b)
   6     print(a >= b)
   7     print(a < b)
    Output: 

    3.0:4.0:5.0
3.0:4.0:5.0=6.00 5.0:4.0:3.0=6.00
True
True
False
5.0:4.0:3.0
5.0:4.0:3.0=6.00 7.0:1.0:1.0=0.00
False
True
False
5.0:5.0:5.0
7.0:1.0:1.0=0.00 5.0:5.0:5.0=10.83
False
False
True
5.0:5.0:5.0
5.0:5.0:5.0=10.83 7.0:4.0:4.0=6.78
False
True
False

  4. EJudge: GeomProgr 'Геометрическая прогрессия'

    Напишите класс Geom(база, знаменатель), задающий геометрическую прогрессию, нумерация членов которой идёт с нуля. Сконструированный объект — бесконечная вычислимая последовательность, поддерживающая итерацию, индексирование и секционирование (в том числе конструкции с умолчаниями). Дополнительно должно поддерживаться секционирование вида прогрессия[начало, ..., конец], что соответствует конструкции прогрессия[начало:конец], причём параметр «начало ,» и/или «, конец» можно опускать (бесконечные прогрессия[начало, ....] и прогрессия[...]; и конечная прогрессия[..., конец]). Индексирование должно возвращать соответствующий член прогрессии, а секционирование — последовательность членов (возможно, бесконечную). Конструкция прогрессия[::отрицательный шаг] возвращает пустую последовательность. Известно, что база и знаменатель однотипны (проверять не надо), того же типа должны быть и члены последовательности.

    Input: 

    g = Geom(3, 2)
print(*zip("012345", g))
print(*g[:6])
print(*g[10::-2])
print(*zip(g[...], "0123"))
print(*g[3, ..., 11])
    Output: 

    ('0', 3) ('1', 6) ('2', 12) ('3', 24) ('4', 48) ('5', 96)
3 6 12 24 48 96
3072 768 192 48 12 3
(3, '0') (6, '1') (12, '2') (24, '3')
24 48 96 192 384 768 1536 3072

  5. EJudge: SmileMult 'Множатся улыбки'

    Напишите класс Smile — «смайлик» определённого целого размера.

    • Операции. Класс должен поддерживать унарный минус, вычисление модуля (abs()), сложение и вычитание смайликов, а также умножение смайлка на число: эти операции производятся над размером смайлика и возвращают новый объект (модуль возвращает целое число).

    • Строковое представление. Смайлик нулевого размера — пустая строка. Смайлик единичного размера приведён в примере. При увеличении на 1 в смайлик добавляется строка и два столбца. Расстояние до «глаз» (сверху, справа и слева) и до «рта» снизу) — целая часть от четверти модуля смайлика. Расстояние до «рта» слева и справа — на одно знакоместо больше. В первой позиции нулевой строки отображается модуль смайлика. Смайлик отрицательного размера перевёрнут (только позиция модуля не изменяется). Конкретные символы, из которых состоит «смайлик», приведены ниже.
    Input: 

       1 print(abs(Smile(-2)))
   2 print(Smile(1))
   3 print(Smile(1) - Smile(4))
   4 print(-Smile(2) + Smile(-2))
   5 print(Smile(6) * 3 - Smile(1))
    Output: 

    2
/1\
|"|
\-/
/3----\
| --- |
|     |
|O   O|
\-----/
/4------\
|       |
|  ---  |
| O   O |
|       |
\-------/
/17-------------------------------\
|                                 |
|                                 |
|                                 |
|                                 |
|    O                       O    |
|                                 |
|                                 |
|                                 |
|                                 |
|                                 |
|                                 |
|                                 |
|     -----------------------     |
|                                 |
|                                 |
|                                 |
|                                 |
\---------------------------------/

LecturesCMC/PythonIntro2023/08_ObjectModel (последним исправлял пользователь FrBrGeorge 2023-11-01 20:14:19)