Objektorientierung in Python
https://oer-informatik.de/python_oop
tl/dr; (ca. 10 min Lesezeit): In der realen Welt trifft man häufig auf Dinge, die ein identisches Verhalten aber unterschiedliche Eigenschaften haben. Objektorientierte Programmierung hilft dabei, Einheiten zu modellieren, die über ein gemeinsames Verhalten bei unterschiedlichen Zuständen verfügen.
Was kennzeichnet Objekte, was kennzeichnet Klassen?
Wenn wir Objekte in der realen Welt beschreiben, nennen wir oft zwei unterschiedliche Aspekte: die Eigenschaften (den Zustand) sowie das Verhalten dieser Objekte. Auch abstrakte, nicht greifbare Dinge wie ein Bankkonto lassen sich so beschreiben:
Unterschiedliche Bankkonten teilen sich beispielsweise das Verhalten, dass man Geld einzahlen und abheben kann, das Guthaben (oder die Schulden) verzinst werden. Dieses Verhalten ist für alle Bankkonten gleich. Jedoch verfügt jedes einzelne Konto über individuelle Eigenschaften: Kontostand, Zinssatz, Gebühr oder Dispolimit können für jedes Konto variieren.
In der objektorientierten Programmierung (OOP) wird ein vereinfachter (abstrahierter) Bauplan aller Objekte geschaffen, der Verhalten und Zustand vereint: eine Klasse.
Eine Klasse beschreibt zum einen die Struktur, in der die individuellen Eigenschaften eines jeden Objekts gespeichert werden (Kontostand, Inhaber-Name usw.). Dieser Zustand jedes einzelnen Objekts wird in Variablen gespeichert, die an das jeweilige Objekt geknüpft sind. Diese Variablen heißen in der OOP Attribute.
Zum anderen beschreibt eine Klasse das gemeinsame Verhalten aller Objekte in Funktionen. Diese Funktionen werden in der OOP Methoden genannt. In der Regel ändern oder nutzen sie den Zustand des individuellen Objekts.
Nach dem Bauplan einer Klasse werden Objekte gebaut, die als konkrete Instanz über einen eigenen Zustand verfügen. Objekte sind identifizierbare Ausprägungen eines Objekts. Mein Konto bei der Sparkasse ist ein konkretes Objekt der Klasse Konto: es verfügt über einen individuellen Kontostand usw. Objekte stellen eine Struktur dar, in der Verhalten und ein konkreter Zustand zusammengeführt werden.
Eine Klasse entwerfen
Ein einfacher Bauplan für ein Konto könnte etwa so strukturiert sein:
Der Bauplan trägt den Namen Konto (oberes Kästchen). Ein konkretes benutzbares Konto umfasst seine individuellen Eigenschaften inhaber_name, konto_stand und zinssatz (Attribute, zweites Kästchen). Jedes Konto hat das selbe Verhalten einzahlen, auszahlen, kontoausszug und verzinsen.
Eine Klasse mit Python implementieren
In Python wird eine Klasse implementiert, in dem eine neue Suite mit der folgenden Zeile eingeleitet wird:
An der Stelle von Klassenname kann jeder beliebige Name stehen, dieser sollte in Python mit einem Großbuchstaben beginnen.
Methoden
Die Methoden werden als Python-Funktionen in der Suite der Klasse implementiert. Eine Besonderheit bei Python ist, dass Methoden in der Implementierung immer self als ersten Parameter entgegen nehmen:
Die Referenz self weist auf das eigene Objekt, also die konkrete Instanz der Klasse. Über diese Referenz können die einzelnen Attribute angesprochen werden, bspw. self.konto_stand. Die Variable self kann in etwa so genutzt werden, wie in anderen Programmiersprachen (Java, C#, C++, PHP) die Referenz this bzw. $this.
Beim Aufruf der Methoden ist die Nennung des Arguments für self nicht erforderlich. Soll beispielsweise auf das konkrete Konto mein_konto etwas eingezahlt werden, so wäre der Aufruf:
Warum self nur bei Implementierung genannt werden muss, jedoch nicht beim Aufruf lässt sich mit den internen Vorgängen erklären: Einen Aufruf von mein_konto.einzahlen(100) wandelt der Interpreter um in Konto.einzahlen(mein_konto, 100).
Attribute (Instanzvariablen)
Alle Variablen, die Zustände des Objekts speichern sollen, müssen vor der ersten Benutzung initialisiert werden - also mit einem Startwert belegt sein. Damit nicht jede Programmiererin selbst dafür Sorge tragen muss, dass eine Methode mit der Initialisierung vor der ersten Nutzung der Attribute aufgerufen wird, gibt es in Python die Methode __init__, die immer bei Objekterzeugung aufgerufen wird. Diese Methode kann die benötigten Werte auch als Parameter übergeben bekommen.
def __init__(self, inhaber: str, zinssatz: float) -> None:
self.konto_stand = 0
self.inhaber = inhaber
self.zinssatz = zinssatz
self.kontoauszug_nr = 0Objekterzeugung
Objekte werden erzeugt, in dem der Klassenname als Funktion aufgerufen wird. Die Anzahl und Art der benötigten Parameter wird in __init__ (dem Kontstruktor) festgelegt:
In unserem Beispiel erwartet die Klasse Konto einen Inhabernamen und einen Zinssatz, weil wir dies in der __init__-Methode so implementiert hatten.
Eine Klasse, die das oben beschriebene Verhalten und die Zustände beschreibt, könnte in etwa so aussehen:
class Konto:
def __init__(self, inhaber: str, zinssatz: float) -> None:
self.konto_stand = 0
self.inhaber = inhaber
self.zinssatz = zinssatz
self.kontoauszug_nr = 0
def einzahlen(self, betrag: float) -> None:
self.konto_stand += betrag
def auszahlen(self, betrag: float) -> None:
self.konto_stand -= betrag
def kontoauszug(self) -> str:
self.kontoauszug_nr += 1
return "Konto von " + self.inhaber + ", Auszug " + str(self.kontoauszug_nr) + ", Betrag: " + str(self.konto_stand)
def verzinsen(self) -> None:
self.konto_stand += self.konto_stand * self.zinssatzAus dieser Klasse können Objekte instanziiert werden, die dann beispielsweise wie folgt benutzt werden können:
mein_konto = Konto("Manu", 0.03)
mein_konto.einzahlen(100)
print(mein_konto.kontoauszug())
mein_konto.einzahlen(200)
print(mein_konto.kontoauszug())
mein_konto.verzinsen()
print(mein_konto.kontoauszug())
mein_konto.auszahlen(300)
print(mein_konto.kontoauszug())Die Ausgabe wäre in diesem Fall:
Konto von Manu, Auszug 1, Betrag: 100
Konto von Manu, Auszug 2, Betrag: 300
Konto von Manu, Auszug 3, Betrag: 309.0
Konto von Manu, Auszug 4, Betrag: 9.0Weitere Literatur zu OOP/Klassen
Quellen und offene Ressourcen (OER)
Die Ursprungstexte (als Markdown), Grafiken und zugrunde liegende Diagrammquelltexte finden sich (soweit möglich in weiterbearbeitbarer Form) in folgendem git-Repository:
https://gitlab.com/oer-informatik/python-basics/erste-schritte-mit-python.
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