Классы Python

Классы в языке Python являются важнейшей частью объектно-ориентированного подхода к программированию. Класс описывает пользовательский тип данных, на основе которого в программе создаются однородные объекты. Как правило, они могут включать в себя некие свойства и методы, позволяющие реализовать их текущее состояние, а также поведение. В статье описаны классы для начинающих и чайников в Python 3, а так же чтобы освежить знания опытным программистам.

Объектно-ориентированное программирование

Объектно-ориентированный подход к разработке ПО был призван стать надежной заменой для структурной методологии программирования. Согласно этой уже устаревшей концепции, каждая отдельно взятая программа является иерархической структурой из функциональных блоков кода.

Благодаря такой особенности:

• Улучшается восприятие поставленной задачи при работе над проектом;
• Сокращается количество строк кода;
• Уменьшается сложность написания кода.

Основными принципами ООП являются следующие механизмы: абстракция, инкапсуляция, наследование и полиморфизм. Для создания программ, обрабатывающих информацию в виде объектов, необходимо понимание, а также комплексное соблюдение всех четырех парадигм. Практическое применение каждой из них можно встретить в примерах из данной статьи.

Рассмотрим основные принципы ООП:

• Абстракция выполняет основную задачу ООП, позволяя программисту формировать объекты определенного типа с различными характеристиками и поведением, благодаря применению классов.
• Инкапсуляция помогает скрыть детали реализации конкретных объектов и защитить их свойства от постороннего вмешательства.
• Наследование дает возможность расширять уже существующие классы за счет автоматического переноса их параметров и методов к новым структурам данных.
• Полиморфизм используется для создания единого интерфейса, который имеет множество различных реализаций, зависящих от класса применяемого объекта.

Создание класса и объекта

Чтобы определить новый класс в своей программе, необходимо напечатать ключевое слово class, а после него добавить имя для создаваемой структуры данных, завершив ввод вставкой двоеточия. Следующий пример демонстрирует генерацию пустого класса с именем Example. Как можно заметить, в нем полностью отсутствует какая-либо информация.

class Example:
    pass
example = Example()

Несмотря на пустое тело класса Example, на его основе уже можно создать определенный объект, обладающий уникальным идентификатором. Последняя строка кода, находящегося выше, представляет собой пример генерации объекта с именем example и типом данных Example. Здесь используется оператор присваивания, а также пустые круглые скобки после названия класса, прямо как в вызове метода не имеющего никаких аргументов.

Определив новый класс, можно создавать сколько угодно объектов на его основе. Как уже было сказано выше, такая структура данных может включать в себя некие свойства, то есть переменные, которыми будет наделен каждый экземпляр класса. Ниже приведен простой пример класса и объекта Python 3. В примере описывается класс под названием Data со строкой word и числом number.

class Data:
    word = "Python"
    number = 3
data = Data()
print(data.word + " " + str(data.number))

Python 3

Если создать объект, основанный на классе Data, то он получит обе переменные, а также их значения, которые были определены изначально. Таким образом, был сгенерирован объект data. Получить доступ к его полям с именами word и number можно с помощью оператора точки, вызвав его через экземпляр класса. Функция print поможет вывести значения полей объекта data на экран. Не стоит забывать и о том, что число следует привести к строчному виду для того чтобы обработать его в методе print вместе с текстовым значением.

Помимо полей, пользовательский класс может включать в себя и методы, которыми будут наделены все его экземпляры. Вызвать выполнение определенного метода через созданный объект можно так же, как и получить доступ к его полям, то есть с помощью точки. Данный пример демонстрирует класс Data с функцией sayHello, которая выводит текст на экран.

class Data:
    def sayHello(self):
        print("Hello World!")
data = Data()
data.sayHello()

Hello World!

Для того чтобы вызвать метод sayHello, нужно создать объект, принадлежащий требуемому классу Data. После этого можно запустить функцию через сгенерированный экземпляр с идентификатором data, что позволит вывести небольшое текстовое сообщение.

Аргумент self

Рассмотрим зачем нужен и что означает self в функциях Python. Как можно было заметить, единственным атрибутом для метода из класса является ключевое слово self. Помещать его нужно в каждую функцию чтобы иметь возможность вызвать ее на текущем объекте. Также с помощью этого ключевого слова можно получать доступ к полям класса в описываемом методе. Self таким образом заменяет идентификатор объекта.

class Dog:
    name = "Charlie"
    noise = "Woof!"
    def makeNoise(self):
        print(self.name + " says: " + self.noise + " " + self.noise)
dog = Dog()
dog.makeNoise()

Charlie says: Woof! Woof!

Вверху представлен класс Dog, описывающий собаку. Он обладает полями name (имя) со стартовым значением «Charlie» и noise (шум), содержащим звук, который издает животное. Метод makeNoise заставляет собаку лаять, выдавая соответствующее сообщение на экран. Для этого в функции print используется получение доступа к полям name и noise. Далее необходимо создать экземпляр класса Dog и вызвать на нем makeNoise.

Конструктор

В предыдущих примерах кода все создаваемые объекты получали значения для своих полей напрямую из класса, так как они были заданы по умолчанию. Изменить внутренние данные любого объекта можно с помощью оператора доступа к свойствам объекта. Но существует возможность заранее определить поля для объекта, задав их во время его создания. Для этой цели в ООП используется конструктор, принимающий необходимые параметры. Следующий пример показывает работу конструктора во время инициализации объекта класса Dog.

class Dog:
    def __init__(self, name, breed):
        self.name = name
        self.breed = breed
dog = Dog("Max", "German Shepherd")
print(dog.name + " is "+ dog.breed)

Max is German Shepherd

Внешне конструктор похож на обычный метод, однако вызвать его явным образом нельзя. Вместо этого он автоматически срабатывает каждый раз, когда программа создает новый объект для класса, в котором он расположен. Имя у каждого конструктора задается в виде идентификатора __init__. Получаемые им параметры можно присвоить полям будущего объекта, воспользовавшись ключевым словом self, как в вышеописанном примере.

Таким образом, класс Dog содержит два поля: name (имя) и breed (порода). Конструктор принимает параметры для изменения этих свойств во время инициализации нового объекта под названием dog. Каждый класс содержит в себе по крайней мере один конструктор, если ни одного из них не было задано явно. Однако в том случае, когда программист добавляет в свой класс конструктор с некими параметрами, конструктор, не обладающий параметрами, работать не будет. Чтобы им воспользоваться, нужно явно прописать его в классе.

Ключевой особенностью ООП является абстракция, благодаря которой есть возможность создавать частные объекты на основе общего класса, то есть определенного абстрактного понятия, такого как собака, поскольку она может иметь свое имя, породу, вес, рост.

Деструктор

Работа с деструктором, как правило, является прерогативой языков, предоставляющих более широкие возможности для управления памятью. Несмотря на грамотную работу сборщика мусора, обеспечивающего своевременное удаление ненужных объектов, вызов деструктора все еще остается доступным. Переопределить его можно в классе, задав имя __del__.

class Data:
    def __del__(self):
        print "The object is destroyed"
data = Data()
del(data)

The object is destroyed

Как и конструктор, деструктор может содержать некий пользовательский код, сообщающий об успешном завершении работы метода. В данном примере создается экземпляр класса Data и вызывается его деструктор, принимающий в качестве параметра сам объект.

Наследование

Возможность одному классу выступать в качестве наследника для другого, перенимая тем самым его свойства и методы, является важной особенностью ООП.

При наследовании классов в Python обязательно следует соблюдать одно условие: класс-наследник должен представлять собой более частный случай класса-родителя. В следующем примере показывается как класс Person (Человек) наследуется классом Worker (Работник). При описании подкласса в Python, имя родительского класса записывается в круглых скобках.

class Person:
    name = "John"
class Worker(Person):
    wage = 2000
human = Worker()
print(human.name + " earns $" + str(human.wage))

John earns $2000

Person содержит поле name (имя), которое передается классу Worker, имеющему свойство wage (заработная плата). Все условия наследования соблюдены, так как работник является человеком и также обладает именем. Теперь, создав экземпляр класса Worker под названием human, можно получить свободный доступ к полям из родительской структуры данных.

Множественное наследование

Наследовать можно не только один класс, но и несколько одновременно, обретая тем самым их свойства и методы. В данном примере класс Dog (Собака) выступает в роли подкласса для Animal (Животное) и Pet (Питомец), поскольку может являться и тем, и другим. От Animal Dog получает способность спать (метод sleep), в то время как Pet дает возможность играть с хозяином (метод play). В свою очередь, оба родительских класса унаследовали поле name от Creature (Создание). Класс Dog также получил это свойство и может его использовать.

class Creature:
    def __init__(self, name):
        self.name = name
class Animal(Creature):
    def sleep(self):
        print(self.name + " is sleeping")
class Pet(Creature):
    def play(self):
        print(self.name + " is playing")
class Dog(Animal, Pet):
    def bark(self):
        print(self.name + " is barking")
beast = Dog("Buddy")
beast.sleep()
beast.play()
beast.bark()

Buddy is sleeping
Buddy is playing
Buddy is barking

В вышеописанном примере создается объект класса Dog, получающий имя в конструкторе. Затем по очереди выполняются методы sleep (спать), play (играть) и bark (лаять), двое из которых были унаследованы. Способность лаять является уникальной особенностью собаки, поскольку не каждое животное или домашний питомец умеет это делать.

Абстрактные методы

Поскольку в ООП присутствует возможность наследовать поведение родительского класса, иногда возникает необходимость в специфической реализации соответствующих методов. В качестве примера можно привести следующий код, где классы Dog (Собака) и Cat (Кошка) являются потомками класса Animal (Животное). Как и положено, они оба наследуют метод makeNoise (шуметь), однако в родительском классе для него не существует реализации.

Все потому, что животное представляет собой абстрактное понятие, а значит не способно издавать какой-то конкретный звук. Однако для собаки и кошки данная команда зачастую имеет общепринятое значение. В таком случае можно утверждать, что метод makeNoise из Animal является абстрактным, поскольку не имеет собственного тела реализации.

class Animal:
    def __init__(self, name):
        self.name = name
    def makeNoise(self):
        pass
class Dog(Animal):
    def makeNoise(self):
        print(self.name + " says: Woof!")
class Cat(Animal):
    def makeNoise(self):
        print(self.name + " says: Meow!")
dog = Dog("Baxter")
cat = Cat("Oliver")
dog.makeNoise()
cat.makeNoise()

Baxter says: Woof!
Oliver says: Meow!

Как видно из примера, потомки Dog и Cat получают makeNoise, после чего переопределяют его каждый по-своему. В этом заключается суть полиморфизма, позволяющего изменять ход работы определенного метода исходя из нужд конкретного класса. При этом название у него остается общим для всех наследников, что помогает избежать путаницы с именами.

Статические методы

В предыдущих примерах все методы классов вызывались при помощи объектов, имеющих соответствующий тип. Однако пользоваться таким подходом неудобно, когда в программе нет нужды в обращении к каким-либо специфическим свойствам класса. К примеру, есть определенная структура Math, содержащая в себе методы для арифметических вычислений. Применять ее функции можно не создавая объект, если они помечены, как статические. Для того, чтобы отметить в классе метод как статический, в Python используется декоратор @staticmethod.

class Math:
    @staticmethod
    def inc(x):
        return x + 1
    @staticmethod
    def dec(x):
        return x - 1
print(Math.inc(10), Math.dec(10))

(11, 9)

В вышеописанном коде класс Math включает в себя два статических метода: inc, берущий число в качестве параметра и возвращающий результат, увеличенный на единицу, и dec, делающий все то же самое, только наоборот. Вызвать оба этих метода можно с помощью оператора точки, а также имени класса Math, где они были изначально реализованы.

Ограничение доступа

По умолчанию все свойства классов открыты для доступа извне, благодаря чему их можно в любой момент изменить по своему усмотрению при помощи оператора точки. Это не всегда хорошо, так как существуют некие риски потери информации либо введения неправильных данных, приводящих к сбоям в работе программы. Особенно это опасно, когда над проектом работает несколько программистов и не всегда очевидно, для чего нужно то или иное поле.

В такой ситуации помогает еще одна особенность ООП под названием инкапсуляция. Она предписывает применение приватных свойств класса, к которым отсутствует доступ за его пределами. Для управления содержимым объекта необходимо использовать специальные методы, именуемые getter (возвращает значение) и setter (устанавливает значение).

class Cat:
    __name = "Kitty"
    def get_name(self):
        return self.__name
    def set_name(self, name):
        self.__name = name
cat = Cat()
print(cat.get_name())
cat.set_name("Misty")
print(cat.get_name())

Kitty
Misty

Чтобы ограничить видимость полей, следует задать для них имя, начинающееся с двойного подчеркивания. В примере, продемонстрированном выше, класс Cat (Кошка) имеет закрытое свойство __name (имя), а также специальные методы get_name и set_name. Отличительной чертой такого подхода является возможность установить определенные рамки для вводимых значений. Например, можно запретить ввод отрицательного числа или пустой строки.

Свойства классов

С помощью специального механизма свойств класса можно внести корректировки в работу с оператором точки, присвоив ему собственные функции. В следующем примере представлен класс с приватным полем x, для которого написаны getter и setter. С помощью присвоения полю x специального значения функции property, получающей в качестве аргументов имена методов, можно настроить работу оператора точки согласно своим нуждам.

class Data:
    def __init__(self, x):
        self.__set_x(x)
    def __get_x(self):
        print("Get X")
        return self.__x
    def __set_x(self, x):
        self.__x = x
        print("Set X")
    x = property(__get_x, __set_x)
data = Data(10)
print(data.x)
data.x = 20
print(data.x)

Set X
Get X
10
20

Перегрузка операторов

Для обработки примитивных типов данных в языках программирования используются специальные операторы. К примеру, арифметические операции выполняются при помощи обычных знаков плюс, минус, умножить, разделить. Однако при работе с собственными типами информации вполне может потребоваться помощь этих операторов. Благодаря специальным функциям, их можно самостоятельно настроить под свои задачи.

В данном примере создается класс Point (точка), обладающий двумя полями: x и y. Для сравнения двух разных объектов такого типа можно написать специальный метод либо же просто перегрузить соответствующий оператор. Для этого потребуется переопределить функцию __eq__ в собственном классе, реализовав новое поведение в ее теле.

class Point:
    def __init__(self, x, y):
        self.x = x
        self.y = y
    def __eq__(self, other):
        return self.x == other.x and self.y == other.y
print(Point(2, 5) == Point(2, 5))
print(Point(3, 8) == Point(4, 6))

True
False

Переопределенный метод возвращает результат сравнения двух полей у различных объектов. Благодаря этому появилась возможность сравнивать две разных точки, пользуясь всего лишь обычным оператором. Результат его работы выводится при помощи метода print.

Аналогично сравнению, можно реализовать в Python перегрузку операторов сложения, вычитания и других арифметических и логических действий. Так же можно сделать перегрузку стандартных функций str и len.

Заключение

В данной статье были рассмотрены основные особенности работы с классами в языке Python и наглядно продемонстрированы наиболее важные принципы объектно-ориентированного программирования. Работа с классами позволяет представить все данные в программе в виде взаимодействующих между собой объектов, обладающих некими свойствами и поведением.