Einführung in die Objekt-Orientierte Programmierung

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1 Kapitel 14: Einführung in die Objekt-Orientierte Programmierung Einführung in die Informatik Wintersemester 2007/08 Prof. Bernhard Jung Übersicht Grundzüge der Objektorientierten Programmierung (OOP) am Beispiel von Python Einleitung Verwendung vordefinierter Objekte in Python Definition eigener Klassen in Python Attribute und Methoden Klassenattribute Vererbung Polymorphismus Hauptlernziele Verständnis allgemeiner Prinzipen der OOP Fähigkeit, einfache objektorientierte Programme in Python schreiben können Literatur Michael Weigend. Objektorientierte Programmierung mit Python. 2. Aufl. Bonn (MITP) Bernd Oestereich. Objektorientierte Softwareentwicklung. Oldenbourg

2 Was sind Objekte? Reale Objekte z.b. Auto, Telefon, Mensch, Konto, Versicherungspolice, Software-Objekte Modellieren Ausschnitte der Realität Sachgerechte Abstraktion bzgl. Eigenschaften / Attributen Methoden / Verhalten / Operationen / Algorithmen Objektorientierte Sichtweise: Welt als System von Objekten, die untereinander Botschaften austauschen 2

3 Objekte besitzen Attribute und beherrschen Methoden Name: Sascha Stadt: Berlin Öffnungszeiten: Mo bis Fr 10:00-18:30 Attribute (Daten) Blumensträuße binden Lieferauftrag entgegen nehmen Boten schicken Methoden (Algorithmen) Konzepte der OOP: Klassen und Objekte Klasse = Bauplan / Schema für Objekte beschreibt prinzipiellen Aufbau (Eigenschaften/Attribute) und Verhalten bei Erhalt von Nachrichten (verfügbare Methoden) einer Menge von gleichartigen Objekten Klassen verschmelzen logisch zusammengehörige Daten und Operationen zu einer Einheit Instanz (Objekt) = Konkretisierung / Inkarnation einer Klasse z.b. Mark und Sascha sind Instanzen von Blumenhändler Alle Instanzen einer Klasse beherrschen dieselben Methoden haben dieselben Attribute (wenn auch mit verschiedenen Werten) 3

4 OOP in Python: Arbeiten mit vordefinierten Klassen Aufruf von Methoden eines Objekts mit Syntax: objekt.methode() Methoden für Listen-Objekte list.reverse() Reihenfolge der Listenelemente wird umgekehrt list.sort() Sortierung der Listenelemente in aufsteigender Reihenfolge list.extend(list2) Liste wird um Elemente von list2 erweitert >>> l = [1,3,5,2] >>> l.extend([7,6]) >>> print l [1, 3, 5, 2, 7, 6] >>> l.reverse() >>> print l [6, 7, 2, 5, 3, 1] >>> l.sort() >>> print l [1, 2, 3, 5, 6, 7] >>> help(list) Help on class list in module builtin : class list(object) list() -> new list list(sequence) -> new list initialized from sequence's items Methods defined here: append(...) L.append(object) -- append object to end count(...) L.count(value) -> integer -- return number of occurrences of value extend(...) L.extend(iterable) -- extend list by appending elements from the iterable index(...) L.index(value, [start, [stop]]) -> integer -- return first index of value insert(...) L.insert(index, object) -- insert object before index pop(...) L.pop([index]) -> item -- remove and return item at index (default last) remove(...) L.remove(value) -- remove first occurrence of value reverse(...) L.reverse() -- reverse *IN PLACE* sort(...) L.sort(cmp=None, key=none, reverse=false) -- stable sort *IN PLACE*; cmp(x, y) -> -1, 0, 1 4

5 OOP in Python: Arbeiten mit vordefinierten Klassen Beispiel: Erzeugen grafischer Benutzeroberflächen mit dem Modul "Tkinter" Klasse Tk repräsentiert ein Fenster Attribute, u.a. label Methoden, u.a. title(string) mainloop() Erzeugen von Tk-Objekten per Konstruktor: Tk() Klasse Label repräsentiert einfaches Text-Element Methoden, u.a. pack() Erzeugen von Label-Objekten per Konstruktor: Label( Tk, ) OOP in Python: Arbeiten mit vordefinierten Klassen from Tkinter import * fenster = Tk() fenster.title("hello World") fenster.label = Label(fenster, text="hello Tkinter World") fenster.label.pack() fenster.mainloop() 5

6 OOP in Python: Definition eigener Klassen (1) Definition von Klassen mit Schlüsselwort class in besonderer Methode init werden Attribute der Klasse initialisiert Konstruktor der Klasse, die bei Erzeugung von Instanzen aufgerufen wird besondere Variable self referenziert das neue Objekt Methode init sollte immer als erstes Argument self haben Instanzen werden durch Aufruf der Klasse erzeugt Argumente entsprechend Konstruktor, jedoch ohne erstes Argument Beispiel: Objekte vom Typ "Kreis" beschrieben über Position (x,y) und Radius class Circle1: >>> c = Circle1() Erzeugen einer Instanz >>> print c def init (self): < main.circle1 instance at 0x00B45850> self.x = 0.0 >>> print c.x self.y = self.r = 1.0 >>> c.x = 2.0 >>> print c.x 2.0 >>> c.x, c.y = 1.5, 2.5 >>> print c.x, c.y >>> OOP in Python: Definition eigener Klassen (2) Konstruktor mit mehreren Argumenten Bem: das Überladen von Methoden (z.b.: init ) in derselben Klassendefinition - d.h. gleicher Methodenname, aber unterschiedliche Argumente ist in Python i.ggs. zu anderen OOP-Sprachen nicht möglich stattdessen: Methoden mit Default-Argumenten Definitionen der Methoden getpos(), setpos() in Definition mit Argument self bei Aufruf der Methode ohne Argument self class Circle2: def init (self,x=0.0,y=0.0,r=1.0): self.x = x self.y = y self.r = r def setpos(self, x, y): self.x, self.y = x, y >>> c = Circle2(2.0, 1.0, 1) >>> c.getpos() (2.0, 1.0) >>> c.setpos(-1.0, 3) >>> c.getpos() (-1.0, 3) >>> c.r 1 def getpos(self): Prof. return B. Jung (self.x, self.y) Einführung in die Informatik, WS 2007/08 TU Bergakademie Freiberg 6

7 Konzepte der OOP: Geheimnisprinzip (Information Hiding) Geheimnisprinzip (Information Hiding) Auf die Attribute eines Objekts kann nicht direkt zugegriffen werden, stattdessen erfolgt der Zugriff ausschließlich über Zugriffsoperatoren. Es werden also die Implementierungen der Operationen und die Datenstrukturen selbst versteckt. Vorteil: Implementierungsdetails können beliebig geändert werden, ohne Auswirkung auf den Rest des Programms zu haben Bem: das Geheimnisprinzip wird in Python (wie auch in anderen OOP- Sprachen) nicht erzwungen. Es werden aber Möglichkeiten bereit gestellt, Attribute nach außen zu verstecken Sichtbarkeit von Attributen (und Methoden) OOP in Python: Sichtbarkeit von Attributen Zugriff auf Attribute kann eingeschränkt werden Öffentliche Attribute: lesender und schreibender Zugriff auch außerhalb der Klassendefinition z.b. Klasse Circle2 >>> c = Circle2(2.0, 10.0, 3.5) >>> print c.x, c.y, c.r Private Attribute in Python Unterscheidung zwischen stark und schwach privaten Attributen stark private Attribute Zugriff von außen überhaupt nicht möglich syntaktisch: Attributname beginnt mit zwei Unterstrichen, z.b. x schwach private Attribute Zugriff von außerhalb des Moduls (Phython-Skripts) eingeschränkt syntaktisch: Attributname beginnt mit einem Unterstrich, z.b. _x 7

8 OOP in Python: Sichtbarkeit von Attributen Beispiel Klasse Circle3 mit (stark) privaten Attributen Zugriff auf Objekt-Attribute nur über getter- und setter-methoden class Circle3: def init (self, x, y, r): self. x = x self. y = y self. r = r def setx(self, x ): self. x = x def getx(self): return self. x def setradius(self, r): self. r = r >>> c = Circle3(2.0, 10.0, 3.5) >>> print c. x Traceback (most recent call last): File "<pyshell#40>", line 1, in - toplevelprint c. x AttributeError: Circle3 instance has no attribute ' x' >>> print c.getx() 2.0 >>> def getradius(self): return self. r OOP in Python: Klassenattribute Beispiel: Es soll ein Zähler numcircles für die Anzahl der Instanzen einer Klasse Circle4 erstellt werden keine Eigenschaft einzelner Instanzen gehört logisch zur Klasse Circle4 Klassenattribut Initialisierung außerhalb von init class Circle4: numcircles = 0 # Klassenattribut def init (self, x, y, r): self. x = x Zugriff mit Klassenname.Attributname self. y = y self. r = r Circle4. numcircles = Circle4. numcircles + 1 print "total number of circles = ", Circle4. numcircles >>> c1 = Circle4(1.0, 1.0, 1) total number of circles = 1 >>> c2 = Circle4(0.0, 0.0, 2) total number of circles = 2 >>> c3 = Circle4(3.0, 3.0, 3) total number of circles = 3 >>> 8

9 Konzepte der OOP - Vererbung Oberklassen und Unterklassen in der Biologie Quelle: de.wikipedia.org Konzepte der OOP - Vererbung Vererbung der Attribute (und Methoden) der Oberklasse an Unterklasse d.h. alle geometrischen Figuren haben Position x, y Kreis hat neben Position zusätzlich Radius Rechteck hat neben Position zusätzlich Seitenlängen a, b Geometrische Figur Attribute: x, y Kreis Attribute: radius Rechteck Attribute: a, b Dreieck Attribute: a, b, c 9

10 OOP in Python - Vererbung Definition von Oberklassen class Klassenname(Oberklasse1, Oberklasse2, ): class GeomFig: def init (self, x, y): self.x = x self.y = y >>> c = Circle(1, 2, 4) >>> print c.x, c.y, c.r >>> class Circle(GeomFig): def init (self, x, y, r): GeomFig. init (self, x, y) self.r = r Circle hat Oberklasse GeomFig Aufruf des Konstruktors der Oberklasse OOP in Python Vererbung Feinheiten I.a. Vererbung von Attributen und Methoden an Unterklasse stark private Attribute werden nicht vererbt Unterklassen können Methoden der Oberklasse überschreiben Unterklasse definiert namensgleiche Methode wie Oberklasse ("method overriding") oft sinnvoll Polymorphismus Unterklassen können Attribute der Oberklasse überschreiben Unterklasse definiert namensgleiches Attribut wie Oberklasse ("shadowing") meistens nicht sinnvoll In Python ist auch Mehrfachvererbung möglich (d.h. mehr als eine Oberklasse) Mehrfachvererbung ist z.t. problematisch (z.b. in Java daher nicht möglich) 10

11 Konzepte der OOP Mehrfachvererbung Nixon-Raute (Nixon diamond) Quäker def istpazifist(): return True Spezialisierung-von Republikaner def istpazifist(): return False Spezialisierung-von Nixon Problem: welche Methoden-Definition soll bei Objekten vom Typ Nixon gelten? in Python würde Methode der in der Klassendefinition zuerst genannten Oberklasse angewendet Konzepte der OOP - Polymorphismus Polymorphismus ("Vielgestaltigkeit") : in verschiedenen Klassen können Methoden gleichen Namens definiert werden in Python ist dies nicht möglich, aber vielen anderen OOP-Sprachen auch: gleichnamige Methoden in Ober- und Unterklasse (method overriding) auch in Python wichtiges Programmiermittel damit verhalten sich die Instanzen der verschiedenen Klassen sehr unterschiedlich bei Erhalt derselben Botschaft (d.h. Aufruf jeweils unterschiedlicher Funktionen) Beispiel Definition einer Methode drucke() in Oberklasse und in Unterklasse 11

12 OOP in Python Polymorphismus / Method Overriding class GeomFig: # Oberklasse def init (self, x, y): self._x = x self._y = y def drucke(self): return "x=" + str(self._x) + " y=" + str(self._y) class Circle(GeomFig): # Unterklasse def init (self, x, y, r): GeomFig. init (self, x, y) überschreibende Methode self._r = r def drucke(self): return "x="+str(self._x) +" y="+ str(self._y) + " r="+str(self._r) >>> g = GeomFig(0,0) >>> g.drucke() 'x=0 y=0' >>> c = Circle(1.0, 1.0, 2) >>> c.drucke() Prof. B. Jung 'x=1.0 y=1.0 r=2' Einführung in die Informatik, WS 2007/08 TU Bergakademie Freiberg OOP in Python Polymorphismus die Methode str besondere Methode str liefert eine String-Repräsentation eines Objekts zurück wird von print und str() verwendet (vordefiniert in impliziter Oberklasse object aller Python-Objekte) class Circle(GeomFig): def init (self, x=0.0, y=0.0, r=0.0): GeomFig. init (self, x, y) self._r = r besondere Methode str def str (self): return "x="+str(self._x) + " y="+str(self._y) + " r="+str(self._r) >>> o = object() >>> c = Circle(5.0, 8.0, 1.0) >>> o. str () >>> c. str () '<object object at 0x0099C438>' 'x=5.0 y=8.0 r=1.0' >>> print o # benutzt str >>> print c # benutzt str <object object at 0x0099C438> x=5.0 y=8.0 r=1.0 >>> str(c) Prof. B. Jung Einführung in die Informatik, 'x=5.0 WS 2007/08 y=8.0 r=1.0' TU Bergakademie Freiberg 12

13 Sonstiges Python-Klassen können auch ohne Methoden und ohne Sichtbarkeitsmodifikatoren der Attribute (d.h. alle Attribute öffentlich) definiert werden d.h. Definition von Klassen ohne OOP-Prinzipien wie Geheimnisprinzip Entsprechung in etwa zu 'Strukturen' in C oder 'Records' in Pascal class Mitarbeiter: def init (self, persnr, name, alter): self.personalnr = persnr self.name = name self.alter = alter >>> james = Mitarbeiter("007", "Bond", 35) >>> print james.personalnr 007 >>> print james.name Bond >>> print james.alter 35 Sonstiges Python-Klassen können auch ganz ohne Methoden und Attribute definiert werden "leere Klasse" Hinzufügen von Attributen für Instanzen ist möglich dies gilt für auch für Instanzen beliebiger Klassen Dadurch auch Fehleranfälligkeit, z.b. Schreibfehler in Attributnamen Verringerte Fehleranfälligkeit durch strikte Einhaltung des Geheimnisprinzips, d.h. kein direkter Zugriff von außen auf Attribute, sondern nur auf Klassen class Employee: pass leere Anweisung ("tue nichts!") >>> john = Employee() # Erzeuge einen leeren Mitarbeiter-Satz. # Fuelle die Felder des Satzes. john.name = 'John Doe' john.dept = 'computer lab' john.salary =

14 Zusammenfassung: Definition eigener Klassen in Python Klassendefinition: Klassenkopf + Klassenrumpf Klassenkopf Schlüsselwort class Name der Klasse evtl. Oberklassen in runden Klammern Doppelpunkt Klassenrumpf (eingerückt) Definition der Klassenattribute Definition der init -Methode (Konstruktor) darin Initialisierung der Objektattribute Definition weiterer Methoden Zusammenfassung: Konzepte der OOP Objektorientierung = Klassen und Objekte + Kommunikation mit Nachrichten + Vererbung (Coad & Yourdon) Objektorientierte Programmiersprachen Java, C++, C#, Object Pascal (Delphi), Smalltalk, Python: strikt objektorientiert alle Daten sind Objekte 14

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