python lec10 about OOP

qmlcourseRU/_toc.yml

@@ -17,6 +17,8 @@
       title: 🟦 Переменные, типы и вывод
     - file: book/pythonblock/python_l5.md
       title: 🟦 Условия и сравнения
+    - file: book/pythonblock/python_l10.md
+      title: 🟦 Объекты и классы
 
 - part: Основы машинного обучения
   chapters:

qmlcourseRU/book/pythonblock/python_l10.md

@@ -0,0 +1,225 @@
+---
+jupytext:
+  formats: md:myst
+  text_representation:
+    extension: .md
+    format_name: myst
+kernelspec:
+  display_name: Python 3
+  language: python
+  name: python3
+---
+
+(python_l10)=
+
+# Объекты, классы и методы
+
+## Описание лекции
+
+В этой лекции мы расскажем про:
+- основы ООП: что это и зачем?
+- инстанс класса
+- на что указывает `self`
+- методы классов в уже знакомых примерах
+- атрибуты классов
+
+## ООП: Объектно-Ориентированное Программирование
+Что же такое объектно-ориентированное программирование? Судя по названию, ключевую роль здесь играют объекты, на которые ориентируется дальнейший процесс программирования. Если мы взглянем на реальный мир, то для нас он предстанет в виде множества объектов, обладающих определенными свойствами, взаимодействующих между собой и вследствие этого изменяющимися. Эта привычная для взгляда человека картина мира была перенесена в программирование. Python - это объектно-ориентированный язык программирования, и **все в нем является объектами**.
+
+**Объект** - это набор данных и инструкций в памяти комьютера, в том числе:
+1. Тип объекта;
+2. Данные, формирующие объект (контент внутри него);
+3. Методы.
+
+```{figure} /_static/pythonblock/oop_l10/class_and_obj1.png
+:name: class_and_obj1
+:width: 250px
+
+Так можно проиллюстрировать соотношение "класс - объекты". Сверху указаны общие прототипы (прямоугольник, звезда, треугольник), снизу - уникальные экземпляры, со своим цветом и деталями.
+```
+
+Как определить тип мы уже знаем. И с объектами на самом деле мы знакомы с самого начала - ведь даже целочисленная переменная `5`, имеющая `type(5) = int`, представляет собой объект. Напомним, что говорилось в курсе ранее: **методы - это те же функции, только существующие не сами по себе, а являющиеся частью класса**.
+
+```{code-cell} ipython3
+example_list = list(["что-то", "с"])
+print(f"Метод append имеет тип {example_list.append}")
+
+# вот так можно вызвать метод, изменяя сам экземпляр класса
+example_list.append("чем-то")
+
+# а вот так можно обратиться к атрибуту конкретного объекта
+attr_value = example_list.__doc__
+print(f"Значение атрибута: {attr_value}")
+```
+
+`list` - это класс, и в первой строчке кода выше создается **объект, или экземпляр класса** `example_list`. Он хранит свой набор данных (контент). Метод `append` общий для всех списков, однако меняет только конкретный экземляр. Обратите внимание: этот метод ничего не возвращает, он меняет сам объект и его контент. Не все методы работают схожим образом, и придется запоминать принцип работы самых распространненых методов. К примеру, сложение чисел или строк внутри Python также осуществляется с помощью методов, однако это не меняет саму переменную, как было рассказано в более ранних лекциях:
+
+```{code-cell} ipython3
+# создадим два объекта класса int
+a = 3
+b = int(4)
+
+# неявно вызовем метод сложения
+a + b
+# проверим, что содержимое объектов не изменилось
+print(f"{a = }, {b = }")
+```
+
+Конкретно в данном случае логика работы обусловлена свойствами `mutable`/`immutable` объектов, о чем также упоминалось в одной из предшествующих лекций. `int` неизменяем, и потому при вызове метода сложения возвращает новый объект - ведь самого себя изменить не получится. `list` же может меняться, и `append` меняет содержимое `inplace`.
+
+```{figure} /_static/pythonblock/oop_l10/class_and_obj_house.png
+:name: class_and_obj_house
+:width: 450px
+
+Другой житейский пример - по одному чертежу (классу) можно построить разные (но похожие!) дома, в которых разные семьи, убранство, разные обои.
+```
+
+
+## Определение классов
+Давайте попробуем создать свой первый класс:
+
+```{code-cell} ipython3
+# определим классы
+class List:
+    def __init__(self, initial_content = None):
+        # указывать в виде значения по умолчанию mutable-объекты неправильно
+        if initial_content is None:
+            initial_content = []
+        self.content = initial_content
+
+    def append(self, new_element):
+        # изменение производится inplace, с заменой собственного контента
+        self.content = self.content + [new_element]
+
+class Int:
+    def __init__(self, value):
+        self.value = value
+
+    def add(self, second_value):
+        # изменение не производится, создается новый объект и он же возвращается
+        return Int(self.value + second_value.value)
+
+# воспроизведем примеры кода выше для List
+example_list = List(["что-то", "с"])
+print(f"{example_list.content = }")
+
+example_list.append("чем-то")
+print(f"{example_list.content = }")
+print(f"{type(example_list) = }")
+
+# и для Int
+a = Int(3)
+b = Int(4)
+
+a.add(b)
+print(f"После простого сложения: {a.value = }, {b.value = }")
+
+c = a.add(b)
+print(f"После записи в переменную результата: {c.value = }")
+```
+
+Что важно заметить и отметить в этом примере:
+1. Как объявить класс? С помощью ключевого слова `class`, указания названия класса (таким образом создается новый тип данных) и перечисления методов:
+```python
+class ИмяКласса:
+    <код_тела_класса>
+```
+2. Обязательно определить метод `__init__`. Это метод, вызываемый при создании нового объекта класса и отвечающий за определение его контента. В нем через запятую, как и в обычной функции, перечислить необходимые переменные и, по возможности, их значения по умолчанию;
+3. Каждый метод должен первым аргументом принимать **экземпляр объекта** (по соглашению он называется `self`). При этом при вызове метода Python автоматически подставит сам объект, делать это руками не нужно. По сути под капотом происходит следующее:
+
+```{code-cell} ipython3
+# вызываем метод класса - не объекта! - и передаем первым аргументом объект,
+# который при обычных обстоятельствах будет записан в self
+result = Int.add(Int(3), Int(4))
+print(f"{result.value}")
+```
+4. **Атрибутом называется переменная, хранящаяся в экземпляре класса**;
+5. В рамках методов атрибуты объекта доступны с использованием ключевого слова `self`. К примеру, `self.data`;
+6. Вне методов атрибуты доступны у экземпляров через точку: `some_object.attr_name`;
+7. Для создания объекта класса нужно указать имя класса (типа) и передать аргументы: `Int(3)` - как раз оно;
+8. Методы как могут возвращать что-либо (в том числе новый объект того же класса), так и ничего не возвращать.
+
+В заключение еще одна картинка, иллюстрирующая суть класса, экземпляра, атрибутов и методов:
+
+```{figure} /_static/pythonblock/oop_l10/class_and_obj_pika.png
+:name: class_and_obj_pika
+:width: 450px
+
+Who's that pokemon?
+```
+
+## Пример использования для хранения состояние
+В курсе будет встречаться подобный паттерн, поэтому хочется остановиться поподробнее. Допустим, есть некоторая среда, заданная состоянием, и есть объекты, существующие в этой среде, как-то взаимодействующие между собой (и со средой). Есть набор функций, который осуществляет эти взаимодействия. Тогда удобно ввести некоторый объект `system`  класса `System`, который хранит эту информацию, и передавать его как параметр в методы расчета чего-либо (никакой конкретной логики тут не заложено, не пытайтесь понять, за что отвечает `alpha` и прочие переменные - пример абстрактный):
+
+```{code-cell} ipython3
+# класс системы, с ее параметрами и состоянием
+class System:
+    def __init__(self, param_vector, alpha, gamma, multiplier = 2.0, energy = 0.0):
+        self.param_vector = param_vector
+        self.alpha = alpha
+        self.gamma = gamma
+        self.multiplier = multiplier
+        self.energy = energy
+
+        # начальное состояние
+        self.system_state = [
+            (alpha - gamma) * multiplier * param
+            for param
+            in self.param_vector
+        ]
+
+    def first_action(self, object):
+        # взаимодействие с одним объектом: увеличение энергии, изменение состояния системы
+        self.gamma -= object.energy
+        self.energy += object.energy
+        self.system_state = [param - self.alpha * self.energy for param in self.system_state]
+
+    def second_action(self, list_of_object):
+        # взаимодействие с несколькими объектами - увеличение их энергии
+        for obj in list_of_object:
+            obj.energy += self.gamma * self.multiplier
+
+class Object:
+    def __init__(self, energy = 10.0):
+        # объект хранит только один атрибут
+        self.energy = energy
+
+# симуляция одного цикла в системе
+def one_system_cycle(system: System, objects = None):
+    if objects is not None:
+        system.second_action(objects)
+        # убираем один последний объект
+        objects = objects[:-1]
+    else:
+        objects = [Object(val) for val in range(5)]
+        for obj in objects:
+            system.first_action(obj)
+    return objects
+
+params = [1.0, 3.0, 4.15, 0.0]
+alpha = 5
+gamma = 0.18
+system = System(params, alpha, gamma, energy = 10)
+
+# изначально объектов нет, они появятся после первого цикла
+objects = None
+
+for cycle_num in range(1, 4):
+    print(f"Состояние системы на итерации {cycle_num}: {system.system_state}.", end="\t")
+    objects = one_system_cycle(system, objects)
+    print(f"Всего объектов: {len(objects)}", end="\t")
+
+    total_object_energy = sum([obj.energy for obj in objects])
+    print(f"Суммарная энергия объектов: {total_object_energy}")
+```
+Обратите внимание на то, что функция `one_system_cycle` не возвращает `system` - ведь мы прямо во время итераций меняем ее состояние, и в последующие моменты времени эти изменения сохраняются, то есть состояние остается. Таким образом, эту систему (среду) - а именно объект, экземпляр класса `System` - как параметр **можно передавать в десятки функций, и каждая из них будет видеть актуальное состояние**.
+
+
+
+## Что мы узнали из лекции
+- Объекты одного класса отличаются между собой атрибутами, которые придают уникальности;
+- Методы классов позволяют описывать логику взаимодействия, **обновлять состояние**;
+- Для объявления класса нужно определить **как минимум один метод** `__init__`;
+- Классы без методов можно использовать как **удобное хранилище разнородной информации** о схожих объектах (описать разных студентов и их оценки).
+
+Это далеко не все, что можно написать по теме классов и объектов, однако это тот необходимый минимум, что потребуется для прохождения курса. Больше примеров и деталей можно найти, например, по ссылкам: [пример с несколькими взаимодействующими объектами](https://younglinux.info/oopython/ooprogramm), [что такое наследование и зачем оно нужно](https://younglinux.info/oopython/inheritance).