Εισαγωγή στον Προγ/μό Υπολογιστών

Transcript

1 Εισαγωγή στον Προγ/μό Υπολογιστών Διάλεξη 10 Αντικειμενοστραφής Προγραμματισμός (object-oriented programming)

2 Περιεχόμενα 1. Αντικειμενοστραφής προγραμματισμός 2. Τάξεις και αντικείμενα 3. Ορισμός τάξεων 4. Πέρασμα μηνυμάτων (message passing) και εκφράσεις τελείας (dot) 5. Ιδιότητες τάξεων 6. Κληρονομικότητα 7. Πολλαπλή κληρονομικότητα 8. Γενικές συναρτήσεις 9. Παράδειγμα: ρολόϊ

3 Αντικειμενοστραφής προγραμματισμός

4 Αντικειμενοστραφής προγραμματισμός Αντικείμενα (objects): Είναι αφηρημένα δεδομένα: η χρήση τους είναι ανεξάρτητη από τον τρόπο αναπαράστασής τους Έχουν εσωτερική κατάσταση η οποία αλλάζει κατά τη διάρκεια εκτέλεσης του προγράμματος, χωρίς να αλλάζει η ταυτότητά τους (mutable data) Ανταποκρίνονται σε καθορισμένα μηνύματα (message passing) Object-oriented programming: τρόπος προγραμματισμού όπου κεντρικό ρόλο παίζουν αντικείμενα Το πρόγραμμα οργανώνεται σε αντικείμενα όπου μέσω της αλληλεπίδρασης τους περνώντας μηνύματα μεταξύ τους, παράγονται χρήσιμοι υπολογισμοί Η Python, όπως και πολλές γλώσσες υψηλού επιπέδου, διαθέτει ειδικό συντακτικό που διευκολύνει τη χρήση αντικειμένων

5 Τάξεις και αντικείμενα

6 Τάξεις και αντικείμενα Κάθε αντικείμενο έχει ένα ορισμένο τύπο (τάξη) και αντικείμενα της ίδιας τάξης υποστηρίζουν το ίδιο συνόλο ιδιοτήτων και μεθόδων Τα αντικείμενα που έχουμε χρησιμοποιήσει μέχρι τώρα ανήκουν σε κάποια από τις ενσωματωμένες τάξεις της Python >>> type(12) <class 'int'> >>> type('hello') <class 'str'> >>> type(pow) <class 'builtin_function_or_method'>

7 Τάξεις και αντικείμενα Ο προγραμματιστής μπορεί να ορίσει τις δικές του τάξεις Λειτουργούν ως «καλούπι» κατασκευής αντικειμένων της τάξης αυτής Ο ορισμός περιγράφει τις ιδιότητες και μεθόδους που έχουν τα αντικείμενα τη τάξης Παράδειγμα: αντικείμενα που αναπαριστούν τραπεζικό λογαριασμό, θα πρέπει να: Επιστρέφουν τη (μεταλλασσόμενη) τιμή του τρέχοντος υπολοίπου (balance) Επιστρέφουν το όνομα του κατόχου (holder) Υποστηρίζουν μέθοδο ανάληψης (withdraw) Υποστηρίζουν μέθοδο κατάθεσης (deposit)

8 Τάξεις και αντικείμενα Παράδειγμα: μια (μη ενσωματωμένη τάξη) Account για τραπεζικούς λογαριασμούς θα μπορούσε να λειτουργεί ως εξής: Κατασκευή αντικειμένου που αναπαριστά λογαριασμό που ανήκει στον κάτοχο με όνομα 'Luke': >>> a = Account('Luke') Η κλήση σε συνάρτηση με ακριβώς ίδιο όνομα με μια τάξη, κατασκευάζει και επιστρέφει ένα αντικείμενο της τάξης αυτής Τέτοιες συναρτήσεις λέγονται κατασκευαστές ο αντικείμενο που κατασκευάστηκε λέγεται στιγμιότυπο της τάξης Account

9 Τάξεις και αντικείμενα Κάθε αντικείμενο έχει ιδιότητες (attributes): ονόματα που δένονται σε τιμές που αφορούν το αντικείμενο Οι τιμές των ιδιοτήτων μπορούν να επιστραφούν με εκφράσεις με τελείες (dot expressions) >>> a.holder 'Luke' >>> a.balance 0

10 Τάξεις και αντικείμενα Όλα τα αντικείμενα μιας τάξης έχουν τις ίδιες ιδιότητες >>> b = Account('Yoda') >>> b.holder 'Yoda' >>> b.balance 0 Ιδιότητες στιγμιοτύπου (instance attributes): ιδιότητες όπου μπορούν να λάβουν διαφορετικές τιμές σε διαφορετικά αντικείμενα (της ίδιας τάξης), πχ. holder, balance Ιδιότητες τάξης (class attributes): ιδιότητες που έχουν την ίδια τιμή σε όλα τα αντικείμενα της ίδιας τάξης

11 Τάξεις και αντικείμενα Μέθοδοι: ιδιότητες που είναι συναρτήσεις και εκτελούν υπολογισμούς που αφορούν το αντικείμενο στο οποίο εφαρμόζονται ή μεταλλάσσουν την κατάστασή του >>> a.deposit(15) 15 >>> a.withdraw(10) 5 >>> a.withdraw(10) 'Insufficient funds' Τα αντικείμενα Account είναι μεταλλασσόμενο δεδομένο αφού η ίδια κλήση επέφερε διαφορετικό αποτέλεσμα

12 Ορισμός τάξεων

13 Ορισμός τάξεων Μη ενσωματωμένες τάξεις ορίζονται με την εντολή class Γενική μορφή: class <όνοµα>: <µπλόκ εντολών> Στο μπλοκ περιέχονται εντολές που ορίζουν τις ιδιότητες των αντικειμένων της τάξης και πως αυτές αλλάζουν στη λήψη μηνυμάτων (κλήση μεθόδων) Εκτελούνται κατά την εκτέλεση της εντολής class Οι ιδιότητες ορίζονται με εντολές που δένουν ονόματα σε τιμές, όπως def και ανάθεση (=)

14 Ορισμός τάξεων Ο ορισμός των instance attributes γίνεται (από σύμβαση) στον ορισμό συνάρτησης με το ειδικό όνομα init (στην Python) και ονομάζεται κατασκευαστής της τάξης >>> class Account: def init (self, account_holder): self.holder = account_holder self.balance = 0 Στην κλήση Account('Luke') γίνονται τα εξής: 1. Δημιουργείται νέο αντικείμενο της τάξης Account 2. Καλείται η συνάρτηση init, όπου Η πρώτη τυπική παράμετρος (self) δένεται στο νέο αντικείμενο που μόλις δημιουργήθηκε Οι υπόλοιπες παράμετροι δένονται με τα ορίσματα στην κλήση του κατασκευαστή

15 Ορισμός τάξεων Ο ορισμός των instance attributes γίνεται (από σύμβαση) στον ορισμό συνάρτησης με το ειδικό όνομα init (στην Python) και ονομάζεται κατασκευαστής της τάξης >>> class Account: def init (self, account_holder): self.holder = account_holder self.balance = 0 Στην κλήση Account('Luke') γίνονται τα εξής: 3. Ορισμός instance attributes: oι αναθέσεις δένουν τα ονόματα holder, balance σε τιμές 4. Επιστρέφεται το αντικείμενο που δημιουργήθηκε Η πρώτη τυπική παράμετρος (self) δένεται στο νέο δημιουργήθηκε

16 Ορισμός τάξεων Διαφορετικές κλήσεις του κατασκευαστή φτιάχνουν διαφορετικά αντικείμενα To κάθε ένα έχει το δικό του όνομα κατόχου και τιμή υπολοίπου >>> a = Account('Luke') >>> b = Account('Yoda') >>> a is b False >>> a.deposit(20) 20 >>> b.balance 0

17 Ορισμός τάξεων Η τιμή ενός αντικειμένου δεν εξαρτάται από το όνομα το οποίο έχει δεθεί σε αυτό >>> a = Account('Luke') >>> a.deposit(20) 20 >>> c = a >>> c is a True >>> c.withdraw(15) 5 >>> a.withdraw(10) 'Insufficient funds'

18 Ορισμός τάξεων Οι μέθοδοι ορίζονται ως συναρτήσεις στον ορισμό της τάξης >>> class Account: def init (self, account_holder): self.holder = account_holder self.balance = 0 def deposit(self, amount): self.balance = self.balance + amount return self.balance def withdraw(self, amount): if amount > self.balance: return 'Insufficient funds' self.balance = self.balance amount return self.balance

19 Ορισμός τάξεων Ο ορισμός μιας μεθόδου δένει το όνομα της στη συνάρτηση, ως ιδιότητα της τάξης (class attribute)... def deposit(self, amount):... self.balance = self.balance + amount return self.balance Στην κλήση a.deposit(10) γίνονται τα εξής: 1. Καλείται η μέθοδος deposit της τάξης στην οποία ανήκει η τιμή του a (Account) Η πρώτη τυπική παράμετρος (self) δένεται στην τιμή του a Οι υπόλοιπες παράμετροι δένονται με τα ορίσματα στην κλήση της μεθόδου

20 Ορισμός τάξεων μετάβαση στο Pythontutor

21 Εκφράσεις με τελείες και πέρασμα μηνυμάτων

22 Εκφράσεις με τελείες Εκφράσεις με τελείες (dot expressions): Γενική μορφή: <έκφραση>.<όνοµα> Τιμή = η τιμή της ιδιότητας <όνοµα> του αντικειμένου που είναι η τιμή της <έκφρασης> Οι τιμές των dot expressions μπορούν ισοδύναμα να υπολογιστούν με τη συνάρτηση getattr: >>> a = Account('Luke') >>> getattr(a, 'name') 'Luke' >>> getattr(a, 'deposit')(25) 25 >>> hasattr(a, 'withdraw') True

23 Πέρασμα μηνυμάτων Η συνάρτηση getattr λειτουργεί ως συνάρτηση διαχείρισης μηνυμάτων (dispatch function) που δίνονται στα ορίσματα Η κλήση getattr(a, 'attr') περνάει το μήνυμα (ως string) 'attr' στο αντικείμενο a (παραλήπτης) Η ερμηνεία των dot expressions είναι η ίδια: Η έκφραση a.attr περνάει το μήνυμα attr στο παραλήπτη a Τα αντικείμενα αλληλεπιδρούν στέλνοντας μηνύματα: στο σώμα των μεθόδων στέλνονται μηνύματα (μέσω dot expressions) σε άλλα αντικείμενα, των οποίων οι καλούμενες μέθοδοι στέλνουν άλλα μηνύματα κτλ.

24 Συναρτήσεις και μέθοδοι Οι μέθοδοι μπορούν να κληθούν με δύο ταυτόσημους τρόπους: >>> a = Account('Luke') >>> a.deposit(15) 15 >>> type(a.deposit) <class 'method'> >>> a = Account('Luke') >>> Account.deposit(a, 15) 15 >>> type(account.deposit) <class 'function'>

25 Συναρτήσεις και μέθοδοι Η έκφραση Account.deposit έχει ως τιμή την ιδιότητα (τάξης) deposit της τάξης Account, η οποία είναι συνάρτηση με δύο ορίσματα Η έκφραση a.deposit εχει ως τιμή τη συνάρτηση deposit της τάξης Account, οπου το πρώτο της όρισμα είναι εκ των προτέρων δεμένο στο αντικείμενο a H a.deposit είναι ισοδύναμη της a_deposit: >>> a = Account('Luke') >>> a_deposit = lambda x: Account.deposit(a, x) >>> a_deposit(15) 15 >>> a.deposit(15) 30

26 Συμβάσεις ονομάτων στην Python Στα ονόματα τάξεων χρησιμοποιείται κεφαλαίο πρώτο γράμμα σε κάθε λέξη που απαρτίζει το όνομα. Ανάμεσα σε δύο λέξει δεν τοποθετείται _ Πχ, Account, CheckingAccount Με _ αρχίζουν ιδιότητες που δεν θα πρέπει να χρησιμοποιούνται από τμήματα κώδικα εκτός τάξης. (Ιδιωτικές ιδιότητες)

27 Ιδιότητες τάξεων

28 Ιδιότητες τάξεων Οι τιμές ιδιοτήτων τάξεων είναι κοινές για όλα τα αντικείμενα μιας τάξης Ορίζονται με εντολή ανάθεσης, def ή import που δεν βρίσκεται μέσα σε ορισμό μεθόδου και συνεπώς εκτελείται όταν ορίζεται η τάξη Παράδειγμα: τραπεζικός λογαριασμός με επιτόκιο καταθέσεων (interest) κοινό για όλους τους λογαριασμούς >>> class Account: interest = 0.02 def init (self, account_holder): self.balance = 0 self.holder = account_holder # Akolou8oun me8odoi tis Account

29 Ιδιότητες τάξεων >>> a = Account('Luke') >>> b = Account('Yoda') >>> a.interest 0.02 >>> b.interest 0.02 Η τιμή μιας ιδιότητας τάξης αλλάζει ταυτόχρονα για όλα τα αντικείμενα της ίδιας τάξης >>> Account.interest = 0.04 >>> a.interest 0.04 >>> b.interest 0.04

30 Ιδιότητες τάξεων μετάβαση στο Pythontutor

31 Ιδιότητες τάξεων Αποτίμηση ιδιοτήτων: <έκφραση>.<όνοµα> 1. Η αποτίμηση της έκφρασης αριστερά της. δίνει το αντικείμενο που αφορά η ιδιότητα 2. Επιστρέφεται η τιμή της ιδιότητας στιγμιοτύπου <όνοµα> εάν υπάρχει για το αντικείμενο 3. Εάν δεν υπάρχει τέτοια ιδιότητα στιγμιοτύπου, επιστρέφεται η ιδιότητα τάξης <όνοµα> εάν υπάρχει 4. Εάν η ιδιότητα είναι συνάρτηση, επιστρέφεται η συνάρτηση αυτή αφού δεθεί στο αντικείμενο της έκφρασης (δηλ., ως μέθοδος) Εάν η ιδιότητα βρίσκεται στο αριστερό μέλος μιας ανάθεσης, ορίζεται η ιδιότητα στιγμιοτύπου <όνοµα> μόνο στο αντικείμενο της έκφρασης

32 Ιδιότητες τάξεων μετάβαση στο Pythontutor

33 Ιδιότητες τάξεων μετάβαση στο Pythontutor

34 Ιδιότητες τάξεων ιδιότητα στιγμιότυπου μετάβαση στο Pythontutor

35 Ιδιότητες τάξεων ιδιότητα τάξης μετάβαση στο Pythontutor

36 Ιδιότητες τάξεων δεν υπάρχει τέτοια ιδιότητα στιγμιότυπου μετάβαση στο Pythontutor

37 Ιδιότητες τάξεων ιδιότητα τάξης μετάβαση στο Pythontutor

38 Ιδιότητες τάξεων ιδιότητα τάξης μετάβαση στο Pythontutor

39 Ιδιότητες τάξεων δεν υπάρχει τέτοια ιδιότητα στιγμιότυπου μετάβαση στο Pythontutor

40 Ιδιότητες τάξεων Υπάρχει ιδιότητα τάξης με το ίδιο όνομα: η τιμή του a.deposit είναι lambda amount: Account.deposit(a, amount) μετάβαση στο Pythontutor

41 Κληρονομικότητα

42 Κληρονομικότητα Διαφορετικές τάξεις μπορεί να σχετίζονται Μια συνήθεις σχέση είναι η μια τάξη να είναι εξειδίκευση μιας άλλης: Η πιο εξειδικευμένη τάξη: 1. έχει τις ίδιες ιδιότητες με τη λιγότερο εξειδικευμένη τάξη, 2. αλλάζει (εξειδικεύει) τη συμπεριφορά ορισμένων μεθόδων 3. διαθέτει επιπλέον ιδιότητες Παράδειγμα: λογαριασμός όψεως CheckingAccount όπου χρεώνεται 1 σε κάθε ανάληψη και έχει χαμηλότερο επιτόκιο: >>> ch = CheckingAccount('Han') >>> ch.interest 0.01 >>> ch.deposit(20) 20 >>> ch.withdraw(10) 9

43 Κληρονομικότητα Η τάξη CheckingAccount εξειδικεύει την Account Η CheckingAccount ονομάζεται παραγόμενη τάξη (derived class) της Account Η Account ονομάζεται βασική τάξη (base class) της CheckingAccount >>> class CheckingAccount(Account): withdraw_charge = 1 interest = 0.01 def withdraw(self, amount): return Account.withdraw(self, amount + \ self.withdraw_charge)

44 Κληρονομικότητα >>> ch = CheckingAccount('Leia') >>> ch.deposit(20) 20 >>> ch.withdraw(10) 9 >>> ch.interest 0.01 Αποτίμηση ιδιοτήτων: 1. Μια ιδιότητα ενός αντικειμένου αναζητείται πρώτα στην τάξη του, (είτε ανάμεσα στις ιδιότητες στιγμιότυπου είτε στις ιδιότητες τάξης) 2. Αν δεν βρεθεί, η αναζήτηση συνεχίζεται στη βασική τάξη, αναδρομικά μέχρι τη βασική τάξη στην κορυφή της ιεραρχίας

45 Ιδιότητες τάξεων μετάβαση στο Pythontutor

46 Interfaces Δύο τάξεις μπορεί να σχετίζονται γιατί υποστηρίζουν το ίδιο interface interface: σύνολο ιδιοτήτων με κοινά ονόματα Παράδειγμα: τάξη Wallet >>> class Wallet: def init (self): self.amount = 0 def deposit(self, x): self.amount = self.amount + x >>> winners = [Account('Luke'), Wallet('R2D2'),\ CheckingAccount('Leia')] >>> for winner in winners: winner.deposit(5)

47 Interfaces Τα αντικείμενα των τάξεων Wallet και Account έχουν μέθοδο deposit και όλα ανταποκρίνονται στην κλήση winner.deposit(5) Ο κώδικας for winner in winners: winner.deposit(5) λειτουργεί για οποιοδήποτε αντικείμενο έχει μέθοδο deposit με αριθμητικό όρισμα Τέτοιος κώδικας λέγεται γενικός (generic) ή πολυμορφικός γιατί λειτουργεί με οποιοδήποτε δεδομένο διαθέτει το κατάλληλο interface

48 Interfaces Μη πολυμορφική υλοποίηση: >>> winners = [Account('Luke'), CheckingAccount('Leia')] >>> for winner in winners: Account.deposit(winner, 5) Δεν λειτουργεί για αντικείμενα της τάξης Wallet, παρόλο που υποστηρίζουν το interface της deposit

49 Πολλαπλή κληρονομικότητα

50 Πολλαπλή κληρονομικότητα Μια τάξη μπορεί να έχει πολλαπλές βασικές τάξεις >>> class SavingsAccount(Account): deposit_charge = 2 def deposit(self, amount): return Account.deposit(self, self.amount - \ self.deposit_charge) >>> class SmartWalletAccount(CheckingAccount, SavingAccount): def init (self, account_holder): self.holder = account_holder self.balance = 1

51 Πολλαπλή κληρονομικότητα >>> smart = SmartWalletAccount('Chewie') >>> smart.balance 1 >>> smart.deposit(20) # SavingsAccount.deposit 19 >>> smart.withdraw(10) # CheckingAccount.deposit 8 Account deposit, withdraw CheckingAccount withdraw SavingsAccount deposit Σειρά χρήσης ιδιοτήτων τάξης στην Python: από κάτω προς τα πάνω και αριστερά προς δεξιά SmartWalletAccount

52 Γενικές (generic) συναρτήσεις

53 Γενικές συναρτήσεις Γενικές (generic)/πολυμορφικές συναρτήσεις: μπορούν να δεχθούν ορίσματα πολλών διαφορετικών τύπων Παράδειγμα ενσωματωμένης συνάρτησης str: >>> str(5) '5' >>> from datetime import date >>> fri = date(2018, 12, 11) >>> str(fri) ' ' >>> str(max) '<built-in function max>'

54 Γενικές συναρτήσεις Πως γνωρίζει τι θα επιστρέψει η str για κάθε τύπο δεδομένου; για τύπους που θα δημιουργηθούν στο μέλλον; Λύση: interfaces και message passing Όλα τα αντικείμενα διαθέτουν τη μέθοδο str Όλες οι τάξεις κληρονομούν την τάξη object η οποία διαθέτει τη μέθοδο str >>> (5). str () '5' >>> fri. str () ' ' >>> max. str () '<built-in function max>' H συνάρτηση str καλεί τη μέθοδο (στέλνει μήνυμα) str στο αντικείμενο του ορίσματός της Η τιμή επιστροφής της str υπολογίζεται από το αντικείμενο του ορίσματος

55 Γενικές συναρτήσεις >>> a = Account('Luke') >>> str(a) '< main.account object at 0x10cab85c0>' Πως μπορούμε να εξειδικεύσουμε τον τρόπο εμφάνισης ενός λογαριασμού; >>> def Account2(Account): def str (self): >>> a = Account2('Luke') >>> a. str () return 'Holder: {0}, balance: {1}'.format(self.holder,\ self.balance) 'Holder: Luke, balance: 0' >>> str(a) 'Holder: Luke, balance: 0' >>> print(a) Holder: Luke, balance: 0

56 Γενικές συναρτήσεις Ειδικές μέθοδοι της Python: συναρτήσεις <όνοµα> οι οποίες καλούνται από τον διερμηνευτή της Python σε ειδικές περιπτώσεις Μέθοδος init >>> str(5) '5' >>> 5. str () '5' >>> len('hello world') 11 >>> 'hello world'. len () 11

57 Γενικές συναρτήσεις Ειδικές μέθοδοι που αντιστοιχούν σε τελεστές >>> 'hello world'[6] 'w' >>> 'hello world'. getitem (6) 'w' >>> >>> (5). add (2) 7 >>> 5 * 2 10 >>> (5). mul (2) 10 Υπάρχουν αντίστοιχες ειδικές μέθοδοι για όλους τους τελεστές της Python

58 Γενικές συναρτήσεις Χειρισμός iterators >>> iterator = iter('hello world') >>> next(iterator) 'h' >>> next(iterator) 'e' Ισοδύναμο με: >>> iterator = 'hello world'. iter () >>> iterator. next () 'h' >>> iterator. next () 'e' Iterable: οποιοδήποτε αντικείμενο διαθέτει μέθοδο iter

59 Γενικές συναρτήσεις Ορισμός τύπου δεδομένου Rational που αναπαριστά ρητούς >>> Rational(1, 2) + Rational(3, 4) 5/4 >>> Rational(1, 2) * Rational(3, 4) 3/8

60 Γενικές συναρτήσεις >>> def Rational: def init (self, n, d): from math import gcd g = gcd(n, d) self.n = n // g self.d = d // g def add (self, r): n = self.n * r.d + self.d * r.n d = self.n * r.d return Rational(n, d) def mul (self, r): return Rational(self.n * r.n, self.d * r.d) def str (self): return '{0}/{1}'.format(self.n, self.d) def repr (self): return self. str ()

61 Παράδειγμα: ρολόϊ

62 Παράδειγμα: ρολόϊ Αντικείμενα Counter, CyclicCounter, CascadeCounter στο myclock.py

63 Παράδειγμα: ρολόϊ Αντικείμενα Counter, CyclicCounter, CascadeCounter στο myclock.py

64 Παράδειγμα: ρολόϊ Αντικείμενα Counter, CyclicCounter, CascadeCounter στο myclock.py

65 Παράδειγμα: ρολόϊ Αντικείμενα Counter, CyclicCounter, CascadeCounter στο myclock.py

66 Παράδειγμα: ρολόϊ Αντικείμενα Counter, CyclicCounter, CascadeCounter στο myclock.py

67 Παράδειγμα: ρολόϊ Αντικείμενα Clock, RomanClock στο myclock.py