Tässä moduulissa opit olio-ohjelmoinnin lähtökohdat. Opit kirjoittamaan luokkia, jotka määrittävät yhteiset ominaisuudet ja operaatiot luokan ilmentymille eli olioille. Opit olioiden luonnin, alustamisen ja käytön periaatteet.
Olio-ohjelmoinnissa luokalla tarkoitetaan yleiskäsitettä, joka määrittää yleiset ja yhteiset piirteet, joita sen jäsenillä on.
Esimerkiksi koira on tällainen yleiskäsite. Jokaisella koiralla on joukko ominaisuuksia kuten nimi ja syntymävuosi. Lisäksi koiralla on toimintoja (eli Python-termein metodeja) kuten haukkuminen.
Voimme nyt kirjoittaa pienimmän mahdollisen Koira-luokan seuraavasti:
class Koira:
pass
Edellä pass-lause on tyhjä lause, joka ei tee mitään. Se tarvitaan paikkamerkiksi, sillä luokan määrityksen rungossa on oltava ainakin yksi lause.
Tämä luokan määritys vain kertoo, että on olemassa Koira-luokka. Se ei toistaiseksi ota kantaa koirien ominaisuuksiin eikä niiden metodeihin.
Voimme käyttää Koira-luokkaa siten, että luomme tuosta luokasta olion. Olio tarkoittaa luokan ajonaikaista ilmentymää eli realisaatiota. Luomme näin Koira-olion, joka on nimeltään Rekku ja jonka syntymävuosi on 2022:
class Koira:
pass
koira = Koira()
koira.nimi = "Rekku"
koira.syntymävuosi = 2022
print (f"{koira.nimi:s} on syntynyt vuonna {koira.syntymävuosi:d}." )
Pääohjelman ensimmäinen lause luo Koira-olion, johon viitataan muuttujalla koira. Luodulle koiralle annetaan nimeksi Rekku ja syntymävuodeksi 2022. Nämä ovat luodun olion ominaisuuksia, ja ne ovat oliokohtaisia. Voisimme siis luoda monta koiraa, joista jokaisella olisi oma yksilöllinen nimensä ja syntymävuotensa. Jollekin koirista voisimme lisäksi määrittää rodun ja jollekin lempinimen. Olioiden ominaisuudet voivat siis poiketa toisistaan.
Kuten esimerkistä näkyy, olion ominaisuuteen viitataan kirjoittamalla ensin olion nimi, sitten piste ja lopuksi ominaisuuden nimi. Esimerkki tällaisesta viittauksesta on koira.nimi.
Esimerkkiohjelman viimeinen lause tulostaa pääohjelman luoman koiraolion nimen ja syntymävuoden:
Rekku on syntynyt vuonna 2022.
Huomaa Python-kielen vakiintunut kirjoitustapa luokkien nimille: ne kirjoitetaan isoin alkukirjaimin. Jos luokan nimi koostuu useammasta sanasta, sanat kirjoitetaan yhteen ilman alaviivamerkkiä siten, että kukin sana aloitetaan isolla alkukirjaimella. Tästä kirjoitustyylistä käytetään nimitystä CamelCase. Esimerkki tällaisesta luokan nimestä on NäytönSuorakulmio.
Edellä Koira-olio luotiin siten, että ensin tehtiin olio ilman ominaisuuksia, ja sen jälkeen oliolle määritettiin ominaisuudet yksi kerrallaan. Tämä on ohjelmoijalle melko työläs tapa luoda olioita.
Olioiden luonnin helpottamiseksi luokan sisälle kirjoitetaan usein alustaja eli konstruktori, joka automaattisesti asettaa halutut arvot luotavan olion ominaisuuksiksi. Seuraavan esimerkin luokassa on nimen ja syntymävuoden asettava alustaja. Pääohjelma käyttää olion luonnissa juuri laadittua alustajaa:
class Koira:
def __init__(self, nimi, syntymävuosi):
self.nimi = nimi
self.syntymävuosi = syntymävuosi
koira = Koira("Rekku", 2022)
print (f"{koira.nimi:s} on syntynyt vuonna {koira.syntymävuosi:d}." )
Python-kielen alustaja määritetään luokan sisällä kirjoittamalla funktio, jonka nimenä on __init__. Funktion ensimmäiseksi parametriksi määritetään aina self. Tämän jälkeen määritellään muut parametrit, jotka alustajalle halutaan antaa. Tässä tapauksessa ne ovat nimi ja syntymävuosi. Näin kirjoitettu ja nimetty funktio tulkitaan ohjelmaa ajettaessa automaattisesti alustajaksi, ja se suoritetaan aina, kun uusi olio luodaan. Alustajan loppuun ei kirjoiteta return-lausetta.
Alustajan sisällä on kaksi sijoituslausetta, joilla annetaan arvot luotavan olion ominaisuuksille. Uuden olion ominaisuuksiin viitataan kirjoittamalla varattu sana self, minkä jälkeen tulee piste ja halutun ominaisuuden nimi. Uuden olion ominaisuuden arvoksi annetaan tyypillisesti alustajan parametrina saatu arvo. Esimerkiksi lause self.nimi = nimi antaa uuden olion nimi-ominaisuuden arvoksi nimi-parametrimuuttujan arvon.
Huomaa, että oliota luotaessa alustajan ensimmäinen parametri self ohitetaan kokonaan. Ei siis kirjoiteta:
# Virheellinen luontilause
koira = Koira(self, "Rekku", 2022)
vaan kirjoitetaan:
koira = Koira("Rekku", 2022)
Edellä opittiin määrittämään oliolle ominaisuuksia. Tämän lisäksi olioille halutaan usein määrittää toimintoja, joita kutsutaan metodeiksi. Kirjoitetaan alla Koira-luokkaan hauku-metodi, jota voidaan kutsua Koira-luokan ilmentymille eli olioille. Esimerkin ohjelma luo kaksi Koira-oliota ja käskee niitä haukkumaan kyseiselle oliolle tyypilliseen tapaan:
class Koira:
def __init__(self, nimi, syntymävuosi, haukahdus="Vuh-vuh"):
self.nimi = nimi
self.syntymävuosi = syntymävuosi
self.haukahdus = haukahdus
def hauku(self, kerrat):
for i in range(kerrat):
print(self.haukahdus)
return
koira1 = Koira("Muro", 2018)
koira2 = Koira("Rekku", 2022, "Viu viu viu")
koira1.hauku(2)
koira2.hauku(5)
Alustajan parametreja on nyt kolme. Viimeiselle parametrille (haukahdus) on annettu oletusarvo, joka asetetaan silloin, kun parametria ei oliota luetaessa anneta. Esimerkissä Muro-koira saa siis oletushaukahduksen.
Luokan sisään kirjoitettiin hauku-niminen metodi, jota voidaan kutsua mille tahansa olemassa olevalle Koira-luokan ilmentymälle. Metodin ensimmäiseksi parametriksi asetetaan aina self. Tämän jälkeen luetellaan muut parametrit, joiden arvo annetaan metodia kutsuttaessa.
Metodin kutsu tehdään siten, että kirjoitetaan olion nimi, sen jälkeen piste ja lopuksi metodin nimi kaarisulkeineen ja mahdollisine parametreineen. Esimerkiksi kutsu koira1.hauku(2) kutsuu koira1-olion hauku-metodia. Metodikutsun parametrina välitetään haukahdusten määrä (2). Metodin sisällä voidaan viitata olion omiin ominaisuuksiin siten, että kirjoitetaan self, jota seuraa piste ja ominaisuuden nimi. Esimerkiksi ilmaisu self.haukahdus viittaa kulloisenkin olion haukahdus-ominaisuuden arvoon.
Aiemmassa esimerkissä koiran ominaisuuksina olivat nimi, syntymävuosi ja haukahdus. Olion ominaisuudet ovat tietenkin oliokohtaisia, eli yhdellä koiralla voi olla eri nimi kuin toisella koiralla.
Toisinaan on tarve tallentaa jokin koko luokkaa koskeva tieto, joka ei liity mihinkään yksittäiseen luokan olioon. Esimerkiksi Koira-luokan tapauksessa tällainen ominaisuus voisi olla tieto siitä, montako koiraa (eli Koira-luokan ilmentymää) kaiken kaikkiaan on luotu. Tällainen tieto voidaan tallentaa luokkamuuttujaan eli staattiseen muuttujaan.
Seuraavassa esimerkissä on laadittu tehty-niminen luokkamuuttuja lukumäärän tallentamiseksi. Huomaa muuttujan sijoittaminen alustajan ulkopuolelle. Luokkamuuttujan määrityslauseeseen ei lisätä self.-etuliitettä. (Esimerkistä on jätetty pois aiempi haukkumistoiminnon toteutus.)
class Koira:
tehty = 0
def __init__(self, nimi, syntymävuosi, haukahdus="Vuh-vuh"):
self.nimi = nimi
self.syntymävuosi = syntymävuosi
self.haukahdus = haukahdus
Koira.tehty = Koira.tehty + 1
koira1 = Koira("Muro", 2018)
koira2 = Koira("Rekku", 2022, "Viu viu viu")
print (f"Koiria on nyt {Koira.tehty}.")
Luokkamuuttujan arvoon viitataan kirjoittamalla sekä luokan että luokkamuuttujan nimi, esimerkissä siis Koira.tehty.
Ohjelma tuottaa seuraavan tulosteen:
Koiria on nyt 2.
Edellä esitelty luokka voidaa esitään luokkakaaviona seuraavasti:
classDiagram
class Koira {
+nimi: str
+syntymävuosi: int
+haukahdus: str
static tehty: int
+__init__(nimi, syntymävuosi, haukahdus="Vuh-vuh")
+hauku(kerrat)
}
Ensimmäisessä osassa on luokan nimi, toisessa osassa on luokan ominaisuudet ja kolmannessa osassa on luokan metodit. Ominaisuuksien ja metodien eteen on merkitty näkyvyys: + tarkoittaa julkista (public) näkyvyyttä. Muuttujien näkyvyyttä emme tässä moduulissa käsittele enempää, mutta mainittakoon, että Pythonissa kaikki luokan jäsenet ovat oletuksena julkisia. Luokkamuuttuja tehty on merkitty sanalla static, joka tarkoittaa, että kyseessä on staattinen eli luokkamuuttuja.
Seuraavassa kaaviossa on esitetty, miten edellisen koodiesimerkin muuttujat, luokat ja oliot liittyvät toisiinsa:
flowchart LR
%%classDef luokka fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px;
%%classDef olio fill:#bbf,stroke:#333,stroke-width:1px;
subgraph Muuttujat
V1[koira1]
V2[koira2]
end
L["Koira (luokka)" <br> tehty=2]:::luokka
subgraph Oliot_ajonaikana
O1((nimi='Muro' syntymävuosi=2018 haukahdus='Vuh-vuh')):::olio
O2((nimi='Rekku' syntymävuosi=2022 haukahdus='Viu viu viu')):::olio
end
O1 -. instanssi .-> L
O2 -. instanssi .-> L
V1 --> O1
V2 --> O2
Muuttujat koira1 ja koira2 viittaavat ajonaikaisiin olioihin, jotka on luotu Koira-luokasta. Nuo oliot puolestaan ovat Koira-luokan ilmentymiä eli instansseja. Luokkamuuttuja tehty kuuluu luokkaan, ei yksittäisiin olioihin.
Olioita ei siis tallenneta suoraan muuttujien “sisään”, vaan muuttujat viittaavat olioihin (vrt. lista ja muut tietorakenteet). Muuttujat voivat siis olla erilaisia, mutta ne voivat viitata samaan olioon. Esimerkiksi voisimme kirjoittaa pääohjelmaan lauseen koira3 = koira1, jolloin muuttuja koira3 viittaisi samaan olioon kuin koira1:
flowchart LR
subgraph Muuttujat
V1[koira1]
V2[koira2]
V3[koira3]
end
L["Koira (luokka)" <br> tehty=2]:::luokka
subgraph Oliot_ajonaikana
O1((nimi='Muro' syntymävuosi=2018 haukahdus='Vuh-vuh')):::olio
O2((nimi='Rekku' syntymävuosi=2022 haukahdus='Viu viu viu')):::olio
end
O1 -. instanssi .-> L
O2 -. instanssi .-> L
V1 --> O1
V3 --> O1
V2 --> O2
Tällöin esimerkiksi lause koira3.nimi palauttaisi arvon 'Muro', koska koira3 viittaa samaan olioon kuin koira1. Ja jos kirjoitetaan lause koira3.nimi = "Musti", muuttuu koira1-olion nimi-ominaisuuden arvoksi 'Musti'.
Jos kirjoitamme lauseen koira2 = koira1, kaikki muuttujat koira1, koira2 ja koira3 viittaavat samaan olioon, jolloin koiraan, jonka nimi on “Rekku”, ei ole enää mitään viittausta. Tällöin tuo olio poistuu muistista, kun Pythonin roskienkeruu (garbage collection) siivoaa muistista olioita, joita ei enää ole käytössä:
flowchart LR
classDef deleted fill:#aa0000,stroke:#333,stroke-width:2px;
subgraph Muuttujat
V1[koira1]
V2[koira2]
V3[koira3]
end
L["Koira (luokka)" <br> tehty=2]
subgraph Oliot_ajonaikana
O1((nimi='Musti' syntymävuosi=2018 haukahdus='Vuh-vuh'))
O2((nimi='Rekku' syntymävuosi=2022 haukahdus='Viu viu viu')):::deleted
end
O1 -. instanssi .-> L
O2 -. instanssi .-> L
V1 --> O1
V2 --> O1
V3 --> O1
Seuraavassa moduulissa käsitellään olioiden välisiä yhteyksiä ja keskinäistä vuorovaikutusta.