IB111 Úvod do programování skrze Python
Přednáška 9
Složené datové typy, objekty
Nikola Beneš
16. listopad 2016
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 1 / 34
Motivace
Udržování dat pohromadě
příklad: chceme uchovávat záznamy o knihách
název knihy, autor, ISBN, apod.
Jak reprezentovat?
ntice (tuples)
neměnné, nepojmenované
seznamy
měnitelné, nepojmenované (je název první nebo autor první?)
slovníky
Jde to i jinak?
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 2 / 34
Motivace
Schovávání škaredých detailů
příklad: vzpomeňte si na dvojrozměrné matice z přednášky o
datových typech
reprezentovány pomocí seznamu seznamů
nepěkný způsob zjišťování velikosti matice
Co bychom chtěli?
spolu s maticí si udržovat informace o její velikosti
mít něco, co kontroluje přístupy do matice
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 3 / 34
Motivace
Vlastní datové struktury
co kdybychom chtěli mít nějakou vlastní datovou strukturu?
např. zřetězený seznam (viz přednášku 26. 10.)
Operátor „tečka“
už jsme viděli u seznamů, slovníků apod.
s = [7, 14, 42, 0]
s.sort()
s.append(9)
d = {"a": 1, "b": 2}
s = d.items()
co to znamená, jak se to liší od volání funkcí?
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 4 / 34
Složené datové typy
Záznamy, struktury
datový typ složený z více položek
typicky fixní počet, deklarované typy
C: struct
Pascal: record
Objekty
často rozšíření struktur
kombinují data a funkce (metody)
C++, Java: class
mnohem komplikovanější
dědičnost, polymorfismus
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 5 / 34
Objekty v Pythonu
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 6 / 34
Varování
Pozor!
toto není objektově orientované programování (OOP)
OOP je podstatně složitější
zde používáme objekty jen velmi jednoduchým způsobem
náhrada za záznamy (struktury)
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 7 / 34
Objekty v Pythonu
Objekty
atributy
typ objektu: třída (class)
definuje metody – funkce, které pracují s objekty
Třídy
class MyObject:
# definice metod
Metody
def do_something(self, some_parameter):
# nějaký kód
self je povinný první parametr
odkaz na aktuální objekt
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 8 / 34
Objekty v Pythonu
Inicializace objektu – speciální metoda __init__
pomocí ní inicializujeme atributy objektů
k atributům přistupujeme pomocí tečkové notace
class Person:
def __init__(self, name, age):
self.name = name
self.age = age
Vytvoření objektu
homer = Person("Homer Simpson", 34);
print(homer.name) # Homer Simpson
print(homer.age) # 34
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 9 / 34
Objekty v Pythonu
Použití metod
opět tečková notace
objekt před tečkou se předá jako první parametr self
class Person:
# ...
def say_hello(self):
print(self.name + " says hello.")
homer.say_hello() # Homer Simpson says hello.
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 10 / 34
Objekty v Pythonu
Použití metod
metody mohou mít i další parametry
metody mohou modifikovat objekt
class Person:
# ...
def rename_to(self, new_name):
print(self.name + " renamed to " + new_name + ".")
self.name = new_name
homer.rename_to("Homer Jay Simpson")
# Homer Simpson renamed to Homer Jay Simpson
print(homer.name) # Homer Jay Simpson
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 11 / 34
Objekty v Pythonu
Přístup k atributům
přímý: homer.name
atributy tak můžeme i měnit
nepřímý: pomocí metod
Který zvolit?
závisí na použití
objekt jen pro držení dat: přímý přístup je nejspíše OK
schováváme v objektu složitější vnitřnosti: pište metody
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 12 / 34
Příklady použití objektů v Pythonu knihovna
Příklad 1 – knihovna
chceme si pamatovat seznam knih
kniha má
název
autora
ISBN
chceme seznam načítat/ukládat do souborů
class Book:
def __init__(self, author, title, isbn):
self.author = author
self.title = title
self.isbn = isbn
dune = Book("Frank Herbert", "Dune", "978-0441172719")
temno = Book("Bohuslav Balcar & Petr Štěpánek",
"Teorie množin", "80-200-0470-X")
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 13 / 34
Příklady použití objektů v Pythonu knihovna
def load_library(filename):
book_list = []
with open(filename, "r") as f:
for line in f:
a, t, i = line.split(";")
book_list.append(Book(a, t, i))
return book_list
def save_library(filename, book_list):
with open(filename, "w") as f:
for book in book_list:
f.write(book.author + ";" +
book.title + ";" + book.isbn + "\n")
save_library("library.csv", [dune, temno])
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 14 / 34
Příklady použití objektů v Pythonu studenti
Příklad 2 – databáze studentů a předmětů
chceme jednoduchou databázi předmětů a studentů
student má
UČO
jméno
předmět má
kód
seznam studentů
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 15 / 34
Příklady použití objektů v Pythonu studenti
class Student:
def __init__(self, uco, name):
self.uco = uco
self.name = name
class Course:
def __init__(self, code):
self.code = code
self.students = []
def add_student(self, student):
self.students.append(student)
def print_students(self):
i = 1
for s in self.students:
print(str(i) + ".",
str(s.uco) + "\t" + s.name)
i += 1
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 16 / 34
Příklady použití objektů v Pythonu studenti
jimmy = Student(555007, "James Bond")
ib111 = Course("IB111")
ib111.add_student(Student(555000, "Jan Novák"))
ib111.add_student(jimmy)
ib111.add_student(Student(555555, "Kryštof Harant"))
ib111.print_students()
# 1. 555000 Jan Novák
# 2. 555007 James Bond
# 3. 555555 Kryštof Harant
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 17 / 34
Příklady použití objektů v Pythonu čas
Příklad 3 – práce s časem
class Time:
def __init__(self, h, m, s):
# zde by mohla být kontrola vstupů
self.hours = h
self.minutes = m
self.seconds = s
self.validate()
def validate(self):
if self.seconds >= 60:
self.minutes += self.seconds // 60
self.seconds = self.seconds % 60
if self.minutes >= 60:
self.hours += self.minutes // 60
self.minutes = self.minutes % 60
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 18 / 34
Příklady použití objektů v Pythonu čas
class Time:
# ... pokračování ...
def pretty_print(self):
print("{}:{:02}:{:02}".format(
self.hours, self.minutes, self.seconds))
def add_seconds(self, sec):
self.seconds += sec
self.validate()
t = Time(1,30,72)
t.pretty_print() # 1:31:12
t.add_seconds(107)
t.pretty_print() # 1:32:59
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 19 / 34
Příklady použití objektů v Pythonu matice
Příklad 4 – matice
chceme uchovávat i jejich velikost
chceme bezpečný přístup k prvkům
class Matrix:
def __init__(self, rows, cols):
self.rows = rows
self.cols = cols
self.matrix = [[0 for i in range(self.cols)]
for i in range(self.rows)]
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 20 / 34
Příklady použití objektů v Pythonu matice
class Matrix:
# ... pokračování ...
def check(self, row, col):
if row < 0 or row >= self.rows:
print("Bad row index.")
return False
if col < 0 or col >= self.cols:
print("Bad column index.")
return False
return True
def get(self, row, col):
if self.check(row, col):
return self.matrix[row][col]
def set(self, row, col, value):
if self.check(row, col):
self.matrix[row][col] = value
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 21 / 34
Příklady použití objektů v Pythonu matice
def matrix_mult(matL, matR):
if matL.cols != matR.rows:
print("Incompatible matrices.")
return
result = Matrix(matL.rows, matR.cols)
for i in range(matL.rows):
for j in range(matR.cols):
for k in range(matL.cols):
result.set(i, j, result.get(i, j) +
matL.get(i,k) * matR.get(k, j))
return result
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 22 / 34
Příklady použití objektů v Pythonu zřetězený seznam
Příklad 5 – jednosměrně zřetězený seznam
class Node:
def __init__(self, data):
self.data = data
self.next = None
class List:
def __init__(self):
self.first = None
def insert_at_start(self, data):
node = Node(data)
node.next = self.first
self.first = node
def delete_first(self):
if self.first != None:
self.first = self.first.next
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 23 / 34
Příklady použití objektů v Pythonu zřetězený seznam
def output(self):
node = self.first
while node != None:
print(node.data)
node = node.next
s = List()
s.insert_at_start("Hello")
s.insert_at_start("Ahoj")
s.output()
# Ahoj
# Hello
s.delete_first()
s.output()
# Hello
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 24 / 34
Příklady použití objektů v Pythonu rodokmen
Příklad 6 – rodokmen
chceme vytvořit rodokmen
každý objekt bude reprezentovat člena rodiny
každý člen rodiny má
jméno
seznam dětí
rodiče
pro zjednodušení:
každý má v rodokmenu jen jednoho rodiče
typické pro rodokmeny s jedním prapředkem
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 25 / 34
Příklady použití objektů v Pythonu rodokmen
class Person:
def __init__(self, name):
self.name = name
self.parent = None
self.children = []
def add_child(self, child):
self.children.append(child)
child.parent = self
chceme rodokmen vykreslit (např. textově) - jak? rekurzí!
def draw_family_tree(person, level = 0):
print((" " * level) + person.name)
for child in person.children:
draw_family_tree(child, level + 1)
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 26 / 34
Příklady použití objektů v Pythonu rodokmen
abe = Person("Abraham Simpson")
homer = Person("Homer Simpson")
abe.add_child(homer)
homer.add_child(Person("Bart Simpson"))
homer.add_child(Person("Lisa Simpson"))
homer.add_child(Person("Maggie Simpson"))
draw_family_tree(abe)
# Abraham Simpson
# Homer Simpson
# Bart Simpson
# Lisa Simpson
# Maggie Simpson
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 27 / 34
Příklady použití objektů v Pythonu rodokmen
bart, lisa, maggie = homer.children
print(bart.name) # Bart Simpson
print(bart.parent.name) # Homer Simpson
chceme funkci siblings(a,b), která zjistí, jestli jsou a, b sourozenci
def siblings(a, b):
return a.parent != None and a.parent == b.parent
print(siblings(bart, lisa)) # True
print(siblings(homer, bart)) # False
print(siblings(maggie, abe)) # False
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 28 / 34
Příklady použití objektů v Pythonu rodokmen
chceme najít nejstaršího předka v rodokmenu: oldest_ancestor
jak na to? rekurzí!
def oldest_ancestor(person):
if person.parent == None:
return person
return oldest_ancestor(person.parent)
šlo by to samozřejmě i iterativně:
def oldest_ancestor2(person):
while person.parent != None:
person = person.parent
return person
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 29 / 34
Příklady použití objektů v Pythonu rodokmen
chceme spočítat celkový počet všech (přímých i nepřímých) potomků
zadané osoby
jak na to? rekurzí!
def count_offspring(person):
count = 0
for child in person.children:
count += 1 + count_offspring(child)
return count
print(count_offspring(abe)) # 4
zde by iterativní řešení bylo komplikovanější
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 30 / 34
Příklady použití objektů v Pythonu rodokmen
vykreslení graficky
formát GraphViz
webová verze na http://www.webgraphviz.com
def add_transitions(person):
for child in person.children:
print('"' + person.name + '" -> "' + child.name + '"')
add_transitions(child)
def create_family_tree_graph(person):
print("digraph {")
add_transitions(person)
print("}")
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 31 / 34
Na co si dát pozor
Statické atributy
definovány přímo ve třídě
patří samotné třídě, ne objektům
v tomto předmětu: raději nepoužívejte
class MyClass:
x = 0
def __init__(self, n):
self.y = n
print(MyClass.x) # 0
my_object = MyClass(17)
print(my_object.y) # 17
print(my_object.x) # 0 (ve skutečnosti je to MyClass.x)
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 32 / 34
Na co si dát pozor
V čem je problém?
class Student:
hobbies = []
def __init__(self, name):
self.name = name
def add_hobby(self, hobby):
self.hobbies.append(hobby)
mirek = Student("Mirek Dušín")
mirek.add_hobby("pomáhání slabším")
mirek.add_hobby("světový mír")
bidlo = Student("Dlouhé Bidlo")
bidlo.add_hobby("alkohol")
print(mirek.hobbies) # ???
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 33 / 34
Shrnutí
Záznamy/struktury
používáme pro seskupení souvisejících dat
v Pythonu přímo nejsou
Objekty
složitější než záznamy
mají metody
v tomto předmětu je používáme jen jako záznamy
více se o nich dozvíte v jiných předmětech
IB111 přednáška 9: složené datové typy, objekty 16. listopad 2016 34 / 34