Пояснительная записка Элективный курс по информатике "Введение в объектноориентированное программирование на Python"
 Скачать 0.85 Mb.
|
|
Введение в объектно-ориентированное программирование (ООП) на Python Пояснительная записка Элективный курс по информатике "Введение в объектно-ориентированное программирование на Python" представляет собой вводный курс, знакомящий с особенностями ООП (классах, объектах, наследовании, полиморфизме и др.). Место курса "Введение в объектно-ориентированное программирование на Python" в составе образовательной программы дополнительного образования детей "Лаборатория юного линуксоида" — второй год обучения. Курс рассчитан примерно на 12 часов. Цели и задачи курса Основной целью данного элективного курса является формирование базовых понятий объектно-ориентированного программирования, развитие системного мышления обучающихся. Курс не является учебником по Python. Примечания Курс мягко говоря сыроват. План изложения отличается от большинства учебников по программированию, где описывают ООП. Обычно сначала вводятся такие понятия как класс, объект, наследование, инкапсуляция и полиморфизм. Возможно, это слишком большой объем абстрактной информации, которую детям сложно усвоить сразу. В данном курсе сначала вводятся понятия класса и объекта, потом, постепенно, рассматриваются вопросы наследования, полиморфизма и др. При этом далеко не абстрактно, а на конкретных примерах. И только на предпоследнем уроке конкретизируются основные идеи объектно-ориентированного программирования. Что касается инкапсуляции, то в python ее как таковой нет. По сути то, что есть – это не совсем инкапсуляция; вводить сложное понятие, которое в данном случае еще и немного другое – достаточно трудно. Поэтому урок про инкапсуляцию в элективном курсе опущен. Общее представление об объектно-ориентированном программировании. Понятия класса и объекта. Урок 1 Создание классов и объектов. Урок 2 Конструктор класса — метод __init__. Урок 3 Наследование в ООП на Python. Урок 4 Полиморфизм и переопределение методов в ООП на Python. Урок 5 Композиционный подход в объектно-ориентированном программировании. Урок 7 Модули и их импорт. Урок 8 Строки документации исходного кода на Python. Урок 9 Перегрузка операторов в ООП. Урок 10 Особенности объектно-ориентированного программирования. Урок 11 Пример объектно-ориентированной программирования на языке Python. Урок 12 Общее представление об объектно-ориентированном программировании. Понятия класса и объекта. Урок 1 Урок - лекция Элективный курс: Введение в объектно-ориентированное программирование на Python Уровень: Программирование для начинающих Циклы, ветвления, функции — все это элементы так называемого структурного программирования (директивная парадигма программирования). Для написания небольших программ возможностей структурного программирования обычно достаточно. Однако крупные проекты, работу над которыми ведут группы людей, намного рациональней выполнять используя парадигму объектно- ориентированного программирования. Почему? Это мы выясним позднее. Сначала разберемся в общих чертах, что из себя представляет объектно-ориентированное программирование. ООП — аббревиатура (сокращенное название) объектно-ориентированного программирования. Истоки ООП начинаются с 60-х годов XX века. Однако окончательное оформление и популяризацию можно отнести к 80-м годам XX века. Особую роль сыграл Алан Кей, сформулировавший основные принципы ООП. Наверное в настоящее время большинство проектов реализуются в стиле ООП. Хотя в программировании операционных систем (системном программировании) большую роль играет язык С (это не ОО язык). Итак, что же такое ООП? Судя по названию ключевую роль в этой парадигме играет некий объект, а точнее множество объектов. Реальный мир состоит из объектов и их взаимодействий между собой. В результате взаимодействий объекты могут изменяться сами или изменять другие объекты. Поэтому, можно сказать, что ООП является более естественным в каком-то смысле. В мире можно условно выделять различные системы, реализующие определенные цели (изменяющиеся из одного состояния в другое). Например, группа на занятии. Это система, состоящая из таких объектов как дети, учитель, столы, компьютеры, проектор и др. У этой системы можно выделить основную цель - увеличение доли знаний детей на некую величину. Чтобы добиться этого, объекты системы должны определенным образом выполнить взаимодействие между собой. Пример с занятием - это своего рода программа. Допустим, что какому-то «глобальному программисту» нужно было, чтобы на планете люди обладали обширными знаниями. Для этого он придумал специальную программу, которая вбирает на входе людей с N-количеством знаний, а на выходе возвращает с N+1(возможно чуть меньше-больше)-количеством знаний. Он наделил определенными способностями объекты этой системы, чтобы можно было добиться результата. Так, грубо говоря, «объекты-дети» способны воспринимать информацию, «объект- учитель» - ее транслировать, «объекты-предметы» помогать воспринимать и транслировать. Несмотря на то, что все ученики так или иначе способны воспринимать информацию, они различны по своим свойствам (по скорости и объему восприятия, способам обработки знаний и т.п.). Выполнение программы может происходить примерно таким образом: «объект-учитель», используя «объект-доска», «объект- компьютер», «объекты-картинки», передает информацию «объектам-детям». Те в свою очередь принимают информацию и изменяют свои свойства (допустим, количество знаний в голове). На выходе мы получаем «объектов-детей» с новыми свойствами (хотя бывает, что программа дает сбои по разным причинам). Следует понимать, существенную разницу между программой написанной с структурном «стиле» и программой в «стиле» ООП. В первом случае, на первый план выходит логика, понимание последовательности выполнения выражений (действий) для достижения целей. Во- втором — важно системное мышление, умение видеть систему в целом, с одной стороны, и понимание роли ее частей (объектов), с другой. В свое время Алан Кей сформулировал для разработанного им языка программирования Smalltalk несколько принципов. Они прекрасно описывают принципы ООП. Так например, утверждается, что объектно-ориентированная программа состоит из объектов, которые посылают друг другу сообщения. Каждый объект может состоять из других объектов (а может и не состоять). Каждый объект принадлежит определенному классу (типу), который задает поведение объектов, созданных на его основе. Что такое класс или тип? В реальном мире стол — это объект. Но когда его изготавливают, то руководствуются определенным описанием (знанием), что такое стол? Я могу сказать «стол» не имея ввиду никакой конкретный, но большинство поймут, о чем идет речь, т.к знают особенности этого предмета (крышка, четыре ножки и т. п.). Класс — это описание объектов определенного типа. В каком-то смысле - это абстракция без материального воплощения, которая позволяет систематизировать объекты той или иной системы. На основе классов создаются объекты. Может быть множество объектов, принадлежащих одному классу. С другой стороны, может быть класс без объектов, реализованных на его основе. Посмотрите на рисунок. Допустим внешняя окружность — это программа. Она состоит из объектов (цветные фигуры) и классов (белые фигуры). Так объекты «красная_крупная_звезда» и «желтая_мелкая_звезда» могут обрабатывать (видоизменять) объекты «зеленый_треугольник» и «синий_прямоугольник». Звезды — разные объекты, хотя и принадлежат к одному классу. Поэтому можно заподозрить, что обрабатывают они объекты немного по разному. В данном случае объект-прямоугольник и объект-треугольник можно представить исключительно как данные. Кстати, в Python даже число — это объект, принадлежащий классу (типу) integer или float (или другому числовому типу). Приведем более реальный программный пример (а не «из жизни про занятие»). Допустим нужно создать программу по обработке текстовой информации. Эта программа должна получать от пользователя данные, обрабатывать определенным способом, а затем выдавать на экран. Причем нам сказали написать эту программу, используя парадигму ООП. Выделим объекты системы: пусть это будут «приемщик», «обработчик №1», «обработчик №2» и «отображатель». Итак, пользователь передает «приемщику» текст и информацию каким «обработчиком» обрабатывать. «Приемщик» может взять все это (у него предусмотрены такие функции) и, предварительно оценив, что дают, может передать тому «обработчику», который выбрал пользователь. Выбранный «обработчик» видоизменяет текст и передает его «отображателю». Тот, в свою очередь, специфически форматирует текст и выводит на экран. Также в данной программе может быть предусмотрена возможность напрямую передавать текст от «приемщика» к «отображателю» минуя «обработчики». Придумайте свою систему взаимодействующих объектов. Многие современные языки поддерживают несколько парадигм программирования (например, директивное, функциональное, объектно- ориентированное). Такие языки являются смешанными. К ним относится и Python. Создание классов и объектов. Урок 2 Методическая разработка урока Элективный курс: Введение в объектно-ориентированное программирование на Python Уровень: Программирование для начинающих Итак, программа, написанная с использованием парадигмы объектно-ориентированного программирования, должна состоять из объектов, классов (описания объектов), взаимодействий объектов между собой, в результате которых меняются их свойства. Объект в программе можно создать лишь на основе какого-нибудь класса. Поэтому, первым делом, ООП должно начинаться с проектирования и создания классов. Классы могут располагаться или вначале кода программы, или импортироваться из других файлов- модулей (также в начале кода). Создание классов: Для создания классов предусмотрена инструкция class. Это составная инструкция, которая состоит из строки заголовка и тела. Заголовок состоит из ключевого слова class, имени класса и, возможно, названий суперклассов в скобках. Суперклассов может и не быть, в таком случае скобки не требуются. Тело класса состоит из блока различных инструкций. Тело должно иметь отступ (как и любые вложенные конструкции в языке Python). Схематично класс можно представить следующим образом: 1. class ИМЯКЛАССА: 2. ПЕРЕМЕННАЯ = ЗНАЧЕНИЕ 3. …. 4. def ИМЯМЕТОДА( self , ...): 5. self .ПЕРЕМЕННАЯ = ЗНАЧЕНИЕ 6. … 7. …. Данная схема не является полной. Например, в заголовке после имени класса могут быть указаны суперклассы (в скобках), а методы могут быть более сложными. Следует помнить, что методы в классах — это те же функции, за одним небольшим исключением. Они принимают один обязательный параметр — self (с англ. можно перевести как "собственная личность"). Он нужен для связи с конкретным объектом. Атрибуты класса — это имена переменных вне функций и имена функций. Эти атрибуты наследуются всеми объектами, созданными на основе данного класса. Атрибуты обеспечивают свойства и поведение объекта. Объекты могут иметь атрибуты, которые создаются в теле метода, если данный метод будет вызван для конкретного объекта. Создание объектов: Объекты создаются так: ПЕРЕМЕННАЯ = ИМЯКЛАССА() Здесь скобки обязательны! После такой инструкции в программе появляется объект, доступ к которому можно получить по имени переменной, связанной с ним. При создании объект получает атрибуты его класса, т. е. объекты обладают характеристиками, определенными в их классах. Количество объектов, которые можно создать на основе того или иного класса, не ограничено. Объекты одного класса имеют схожий набор атрибутов, а вот значения атрибутов могут быть разными. Другими словами, объекты одного класса похожи, но индивидуально различимы. Чтобы понять это, можно сравнить отношения объектов одного класса в программировании со следующем высказыванием: "Все млекопитающие принадлежат одному классу и обычно имеют по два глаза, однако у каждого животного (объекта) глаза имеют свои особенности". Self: Можно сказать, что методы класса — это небольшие программки, предназначенные для работы с объектами. Методы могут создавать новые свойства (данные) объекта, изменять существующие, выполнять другие действия над объектами. Методу необходимо "знать", данные какого объекта ему предстоит обрабатывать. Для этого ему в качестве первого (а иногда и единственного) аргумента передается имя переменной, связанной с объектом (можно сказать, передается сам объект). Чтобы в описании класса указать передаваемый в дальнейшем объект, используется параметр self. (Посмотрите на схему класса вверху.) С другой стороны, вызов метода для конкретного объекта в основном блоке программы выглядит следующим образом: ОБЪЕКТ.ИМЯМЕТОДА(…) Здесь под словом ОБЪЕКТ имеется в виду переменная, связанная с ним. Это выражение преобразуется в классе, к которому относится объект, в ИМЯМЕТОДА(ОБЪЕКТ, …) Т. е. конкретный объект подставляется вместо параметра self. Первая ОО-программа: Попробуем на основе имеющихся уже знаний написать небольшую ОО-программу. Допустим, это будет класс с одним атрибутом вне метода и одним методом, который выводит с небольшим изменением значение этого атрибута на экран: 1. class First: 2. color = "red" 3. def out( self ): 4. ( self .color + "!" ) Теперь создадим пару объектов данного класса: 1. obj1 = First() 2. obj2 = First() Оба этих объекта (obj1 и obj2) имею два одинаковых атрибута: color (в виде свойства) и printer (в виде метода). Это легко проверить: 1. (obj1.color) 2. (obj2.color) 3. obj1.out() 4. obj2.out() В результате выполнения данного скрипта получается вывод двух надписей red и двух red!. Первые две надписи red – это результат применения встроенной функции print по отношению к свойствам объектов. Вторые две надписи red! - результат применения метода out к объектам. Усложняем программу: В предыдущей программе оба созданных объекта абсолютно одинаковы. Класс, на основе которого они созданы слишком прост и не предполагает того, что объекты могут иметь различные значения свойств. Исправим это. Пусть теперь в классе с помощью атрибутов вне функции устанавливаются два свойства объектов: красный цвет и круглая форма. А методы могут менять эти свойства в зависимости от пожеланий тех, кто создает объекты. 1. class Second: 2. color = "red" 3. form = "circle" 4. def changecolor( self ,newcolor): 5. self .color = newcolor 6. def changeform( self ,newform): 7. self .form = newform 8. 9. obj1 = Second() 10. obj2 = Second() 11. 12. (obj1.color, obj1.form) # вывод на экран "red circle" 13. (obj2.color, obj2.form) # вывод на экран "red circle" 14. 15. obj1.changecolor( "green" ) # изменение цвета первого объекта 16. obj2.changecolor( "blue" ) # изменение цвет второго объекта 17. obj2.changeform( "oval" ) # изменение формы второго объекта 18. 19. (obj1.color, obj1.form) # вывод на экран "green circle" 20. (obj2.color, obj2.form) # вывод на экран "blue oval" В данной программе по умолчанию любой созданный объект имеет красный цвет и круглую форму. Однако в дальнейшем с помощью методов данного класса можно поменять и цвет и форму любого объекта. В результате объекты перестают быть одинаковыми (красными и круглыми), хотя сохраняют тот же набор свойств (цвет и форму). Как же происходят изменения? Дело в том, что методы помимо параметра self, могут иметь и другие параметры, в которых передаются данные для обработки их этим методом. Так, в примере выше, метод changecolor имеет дополнительный параметр newcolor, с помощью которого, в метод можно передать данные о желаемом цвете фигуры. Далее метод меняет цвет с помощью соответствующих инструкций. Практическая работа: 1. Напишите два скрипта представленных выше. Посмотрите, как они работают. Во второй программу добавьте еще одно свойство и один метод, позволяющий его менять. Создайте третий объект и измените все его свойства. 2. Напишите программу в стиле ООП, удовлетворяющую следующим условиям: в программе должны быть два класса и два объекта, принадлежащих разным классам; один объект с помощью метода своего класса должен так или иначе обрабатывать данные другого объекта: obj1.МЕТОД(obj2.СВОЙСТВО). Конструктор класса — метод __init__. Урок 3 Методическая разработка урока Элективный курс: Введение в объектно-ориентированное программирование на Python Уровень: Программирование для начинающих Большинство классов имеют специальный метод, который автоматически при создании объекта создает ему атрибуты. Т.е. вызывать данный метод не нужно, т.к. он сам запускается при вызове класса. (Вызов класса происходит, когда создается объект.) Такой метод называется конструктором класса и в языке программирования Python носит имя __init__. (В начале и конце по два знака подчеркивания.) Первым параметром, как и у любого другого метода, у __init__ является self, на место которого подставляется объект в момент его создания. Второй и последующие (если есть) параметры заменяются аргументами, переданными в конструктор при вызове класса. Рассмотрим два класса: в одном будет использоваться конструктор, а в другом нет. Требуется создать два атрибута объекта. 1. class YesInit: 2. def __init__ ( self ,one,two): 3. self .fname = one 4. self .sname = two 5. 6. obj1 = YesInit( "Peter" , "Ok" ) 7. 8. 9. |