Python Programlama Ders 13. Sınıflar ve nesneler

13.1 Nesne yönelimli programlama

Python nesne yönelimli programlama dilidir, bunun anlamı nesne yönelimli programlamanın (Object Oriented Programming - OOP) desteklediği özellikleri sağlar.

Nesne yönelimli programlama 1960larda ortaya çıkmasına rağmen 1980lerin ortasına kadar yeni yazılım üretmede ana programlama paradigması haline gelmedi. Hızlı bir şekilde büyüyen ve karmaşıklaşan yazılım sistemlerini kotarmak ve bu büyük ve karmaşık sistemleri zaman içerisinde daha kolay değiştirmek için geliştirilmiştir.

Şu ana kadar programları yordamsal (procedural) programlama paradigmasını kullanarak yazdık. Yordamsal programlamada fonksiyonları veya yordamları yazmaya odaklanma sözkonusudur. Fonksiyonlar/yordamlar veri üzerinde işlem yaparlar. Nesne yönelimli programlamada odak nesnelerin yaratılmasındadır, nesneler hem veriyi hem de işlevselliği birlikte barındırır.

13.2 Kullanıcı tanımlı bileşik tipler

Sınıf esas olarak yeni bir veri tipi tanımlar. Şu ana kadar kitapta Python’un içinde tanımlı tipleri kullandık, şimdi kendi kullanıcı tanımlı tiplerimizi yaratmaya başlayabiliriz: Nokta.

Matematiksel nokta kavramını düşünelim. İki boyutlu bir uzayda, nokta iki sayıdan (koordinatlar) oluşan ve birlikte tek bir nesne olarak ele alınır. Matematiksel gösterimde, noktalar genellikle parantez içerisinde virgül ile ayrılmış iki sayı şeklinde gösterilir. Örneğin (0,0) başlangıç (origin) noktasını, (x,y) ise başlangıçtan x birim kadar sağdaki ve y birim kadar yukarıdaki bir noktayı gösterir.

Python’da bir noktayı doğal olarak temsil etmenin bir yolu iki nümerik kullanmaktır. Soru, bu iki nümerik değeri nasıl gruplayacağız sorusudur. Hızlı ve kötü bir çözüm bir liste veya tuple kullanmaktır ve bazı uygulamalar için en iyi çözüm olabilir.

Bir alternatif yöntem ise kullanıcı tanımlı bileşik tip tanımlamaktır, bu bileşik tipe sınıf adı verilmektedir. Bu yaklaşım biraz çaba gerektirir, ancak avantajları ortaya çıkacaktır.

Bir sınıf tanımı aşağıdaki gibidir:

class Nokta:
    pass

Sınıf tanımları programın içerisinde herhangi bir yerde bulunabilir, ancak genellikle başlangıçta kullanılırlar (import cümlelerinden sonra). Sınıf tanımı için sözdizimi kuralları bileşik cümleler için olanlarla aynıdır. Bir başlık vardır, class anahtar kelimesiyle tanımlı, sonrasında sınıfın ismi bulunur ve cümle iki nokta üstüste ile bitirilir.

Yukarıdaki tanımlama Nokta olarak çağrılan bir yeni sınıf yaratır. pass cümlesi etkisizdir; sadece bileşik cümlenin gövdesinde bir şey olması gerektiği için yazılmıştır.

Noktasınıfını yaratarak, Nokta isminde yeni bir tip oluşturmuş olduk. Bu tipin üyeleri, tipin örnekleri veya nesneler adını almaktadır. Yeni bir örnek yaratma işlemine örnekleme (instantiation) denilir. Bir Nokta nesnesini örneklemek için Nokta isminde (tahmin ettiğiniz gibi) bir fonksiyon çağırırız:

>>> type(Nokta)
<type 'classobj'>
>>> p = Nokta()
>>> type(p)
<type 'instance'>

p değişkeni yeni Nokta nesnesine bir referans olarak atanmıştır. Yeni nesneler yaratan Nokta şeklindeki fonksiyon yapıcı (constructor)dır.

13.3 Özellikler

Gerçek dünya nesneleri gibi, nesne örnekleri de biçim ve işlevlere sahiptir. Biçim örnek içinde yer alan veri öğelerinden oluşur.

Bir örneğe nokta işaretini kullanarak yeni veri öğeleri ekleyebiliriz:

>>> p.x = 3
>>> p.y = 4

Bu sözdizimi, bir modülden değişken seçme işine yarayan, örneğin math.pi veya string.uppercase gibi, sözdizimi ile benzerdir. Hem modüller hem de örnekler kendi isim alanlarını (namespace) oluştururlar, ve bu içerdikleri isimlere, bunlara özellik adı verilmektedir, erişmek için kullanılan sözdizimleri aynıdır. Sınıflar için geçerli olan durumda, özellik bir örnekten seçtiğimiz veriyi kastetmektedir.

Aşağıdaki durum diyagramları yukarıdaki atamaların sonuçlarını göstermektedir:

p değişkeni bir Nokta nesnesini referans etmekte, bu nesnede iki özellik içermektedir. Her özellik bir sayıya işaret etmektedir.

Bir özelliğin değerini aynı sözdizimini kullanarak okuyabiliriz:

>>> print(p.y)
4
>>> x = p.x
>>> print(x)
3

p.x ifadesinin anlamı, p‘nin referans ettiği nesneye git ve x‘in değerini getirdir. x=p.x ifadesinde, x isimli değişkene p.x değerini atıyoruz. x değişkeni ve x özelliği arasında herhangi bir çakışma yoktur. Nokta gösteriminin amacı hangi değişkeni kullandığımızı belirsizlik yaratmadan tanımlamaktır.

Nokta gösterimini herhangi bir deyimin parçası olarak kullanabilirsiniz, bu yüzden aşağıdaki cümlelerin hepsi geçerlidir:

print('(%d, %d)' % (p.x, p.y))
uzaklıkKare = p.x * p.x + p.y * p.y

İlk satır (3, 4) çıktısını gösterir; ikinci satır 25 değerini hesaplar.

13.4 İlkleme (initialization) metotu ve self

Nokta sınıfımız iki boyutlu bir matematiksel noktayı temsil edeceğine göre, tüm nokta örnekleri x ve y özelliklerine sahip olmalıdır, ancak bu henüz bizim Nokta nesneleri için geçerli değildir.

>>> p2 = Nokta()
>>> p2.x
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in ?
AttributeError: Nokta instance has no attribute 'x'
>>>

Bu sorunu çözmek için sınıfımıza bir ilkleme metotu ekleriz

class Nokta:
    def __init__(self, x=0, y=0):
        self.x = x
        self.y = y

13.5 Parametreler şeklinde örnekler

Bir örneği (burada kastedilen sınıf örneğidir-instance) olağan şekilde parametre olarak geçirebilirsiniz. Örneğin:

def noktayi_yaz(p):
    print('(%s, %s)' % (str(p.x), str(p.y)))

noktayi_yaz bir noktayı argüman olarak alır ve standart bir biçimde ekranda değerini görüntüler. Eğer noktayi_yaz(blank) şeklinde çağrılırsa, çıktı (3, 4) olacaktır.

13.6 Aynılık

Aynı kelimesinin anlamı, üzerinde biraz düşünene kadar yeterince açıktır. Ancak bir süre sonra daha fazlasının olması gerektiğini düşünmeye başlamanız gerekiyor.

Örneğin, Mustafa ve ben aynı arabaya sahibiz dediğinizde, bunun anlamı sizin ve Mustafa’nın arabasının aynı model ve üretim olduğu, ancak farklı iki araç olduğudur. Eğer Mustafa ve ben aynı anneye sahibiz dediğinizde, bunun anlamı ikinizin annesinin aynı kişi olduğudur.

Nesneler hakkında konuşurken, benzer bir belirsizlik sözkonusudur. Örneğin, eğer iki Nokta aynı ise, bunun anlamı aynı veriye (koordinatlar) sahip olmaları mı yoksa ikisinin gerçekten aynı nesne olması mıdır?

İki referansın aynı nesneyi gösterip göstermediğini anlamak için, == işleci kullanılır. Örneğin:

>>> p1 = Nokta()
>>> p1.x = 3
>>> p1.y = 4
>>> p2 = Nokta()
>>> p2.x = 3
>>> p2.y = 4
>>> p1 == p2
False

p1 ve p2 her ne kadar aynı koordinatlara sahip olsa da, ikisi aynı nesne değildir. Eğer p1‘i p2‘ye atarsak, o zaman iki değişken aynı nesneyi gösterecektir:

>>> p2 = p1
>>> p1 == p2
True

Bu tip eşitliğe yüzeysel eşitlik (shallow equality) denir, çünkü sadece referansları karşılaştırır, içeriği değil.

Nesnelerin içeriğini karşılaştırmak için – derin eşitlik – ayni_nokta isminde bir fonksiyon yazabiliriz:

def ayni_nokta(p1, p2):
    return (p1.x == p2.x) and (p1.y == p2.y)

Eğer şimdi içeriği aynı olan iki farklı nesne yaratırsak, ayni_nokta metotunu kullanarak aynı noktayı temsil edip etmediklerini kontrol edebiliriz.

>>> p1 = Nokta()
>>> p1.x = 3
>>> p1.y = 4
>>> p2 = Nokta()
>>> p2.x = 3
>>> p2.y = 4
>>> ayni_nokta(p1, p2)
True

Elbette, iki değişken de aynı nesneyi gösteriyorsa, her ikisi de hem yüzeysel hem de derin eşitliğe sahiptir.

13.7 Dikdörtgenler

Varsayalım ki dikdörtgeni temsil eden bir sınıf istiyoruz. Soru, bir dikdörtgeni temsil etmek için ne tür bilgiye ihtiyacımız vardır? İşi kolay tutmak için, farzedelim ki dikdörtgen sadece dikey veya yatay, açısız bir şekilde olsun.

Birkaç olasılık mevcuttur: dikdörtgenin merkezini (iki koordinat) ve boyutlarını (genişlik, yükseklik) belirtebiliriz; veya köşelerden birini ve boyutlarını belirtebiliriz; veya iki çapraz köşeyi belirtebiliriz. Geleneksel yöntem sol üst köşeyi ve boyutları belirtmektir.

Tekrar, yeni bir sınıf tanımlarız:

class Dikdortgen:
    pass

Ve örnekleriz:

box = Dikdortgen()
box.genislik = 100.0
box.yukseklik = 200.0

Yukarıdaki kod, iki kayan noktalı özelliğe sahip yeni bir Dikdortgen nesnesi yaratır. Sol üst köşeyi tanımlamak için nesne içerisine nesne gömebiliriz!

box.kose = Nokta()
box.kose.x = 0.0;
box.kose.y = 0.0;

Nokta işareti düzeni sağlar. box.kose.x ifadesi box değişkeninin gösterdiği nesnenin kose isimli özelliğiyle tanımlı nesnenin x isimli özelliğinin değerini seç anlamına gelir.

Aşağıdaki şekilde bu nesnenin durumunu görebilirsiniz:

13.8 Dönüş değeri olarak örnekler

Fonksiyonlar örnekleri döndürebilir. Örneğin, merkezi_bul bir Dikdortgen argümanı alır ve bu argümanın tanımladığı dikdörtgenin merkezinin koordinatlarını Nokta örneği olarak döndürür:

def merkezi_bul(box):
    p = Nokta()
    p.x = box.kose.x + box.genislik/2.0
    p.y = box.kose.y - box.yukseklik/2.0
    return p

Bu fonksiyonu çağırmak için box değişkenini argüman olarak geçirip, sonucu bir değişkene atarız::

>>> merkez = merkezi_bul(box)
>>> noktayi_yaz(merkez)
(50.0, 100.0)

13.9 Nesneler değiştirilebilir

Bir nesnenin durumunu özelliklerinden birine atama yaparak değiştirebiliriz. Örneğin bir dikdörtgenin konumunu değiştirmeden boyutlarını değiştirmek istersek, genislik ve yukseklik özelliklerini değiştirebiliriz. :

box.genislik = box.genislik + 50
box.yukseklik = box.yukseklik + 100

13.10 Kopyalama

İsim takma (aliasing) programın okunabilirliğini zorlaştırabilir, çünkü bir yerde yapılan bir değişiklik başka bir yeri etkileyebilir. Bir nesneye referans veren tüm değişkenleri takip etmek zordur.

Kopyalama işlemi isim takmanın bir alternatifidir. copy modülü copy isminde bir fonksiyon içerir ve bu fonksiyon herhangi bir nesnenin kopyasını oluşturur:

>>> import copy
>>> p1 = Nokta()
>>> p1.x = 3
>>> p1.y = 4
>>> p2 = copy.copy(p1)
>>> p1 == p2
False
>>> ayni_nokta(p1, p2)
True

copy modülünü içeri aktardıktan sonra, copy fonksiyonunu yeni Noktalar üretmek için kullanabiliriz. p1 ve p2 aynı noktalar değildir, ancak aynı veriyi içerirler.

Nokta gibi basit bir nesneyi, herhangi bir gömülü nesneye sahip olmayan, kopyalamak için copy fonksiyonu yeterlidir. Bu yüzeysel kopyalamadır.

Dikdortgen benzeri, içerisinde Nokta nesnesine referans içermektedir, sınıfları kopyalamak için copy bekleneni yapmayacaktır. Sadece Point nesnesinin referansını kopyalayacaktır, böylece eski ve yeni Dikdortgen nesneleri aynı Nokta nesnesini gösterecektir.

Eğer olağan şekilde bir b1 kutu nesnesi oluşturup, copy fonksiyonu ile kopyasını oluşturursak, oluşan durum diyagramı aşağıdaki gibi olacaktır:

Bu kesinlikle bizim istediğimiz sonuç değil. Bu durumda, herhangi bir dikdörtgen nesnesinde çağırdığımız kareyi_genislet fonksiyonu diğer nesneyi etkileyemeyecek, ancak konum_degistir fonksiyonu her iki nesneyi de etkileyecektir! Bu davranış kafa karıştırıcı ve hatalara müsaittir.

Şanslıyız ki, copy modülü deepcopy isminde bir fonksiyon içermektedir. Bu fonksiyon sadece nesneyi değil, ayrıca gömülü tüm nesneleri de kopyalayacaktır. Bu işleme derin kopyalama denmesi sizi şaşırtmayacaktır.

>>> b2 = copy.deepcopy(b1)

Şimdi b1 ve b2 tamamen farklı nesnelerdir.

deepcopy fonksiyonunu kareyi_genislet ve konum_degistir fonksiyonlarını değiştirmek için kullanabiliriz. Böylece bu fonksiyonlar varolan bir Dikdortgeni değiştirmek yerine, aynı konuma sahip fakat yeni boyutlarda yeni bir Dikdortgen oluşturacaktır:

def kareyi_genislet(box, dwidth, dheight):
    import copy
    new_box = copy.deepcopy(box)
    new_box.width = new_box.width + dwidth
    new_box.height = new_box.height + dheight
    return new_box

13.11 Sözlük

sınıf:

Kullanıcı tanımlı bileşik tiptir. Bir sınıf ayrıca, kendisinden oluşturulan örnekler için nesnelerin bir şablonu gibi de düşünülebilir.

örnekleme:

Bir sınıfın bir örneğini yaratma.

örnek:

Bir sınıfa ait olan bir nesne.

nesne:

Gerçek dünyadaki bir şeyi veya kavramı modellemek için kullanılan bileşik veri tipidir.

yapıcı:

Yeni nesneler yaratmak için kullanılan bir metot.

özellik:

Bir örneği oluşturan isimlendirilmiş veri öğelerinden biri.

yüzeysel eşitlik:

Referansların eşitliği, veya iki referansın aynı nesneyi işaret etmesidir.

derin eşitlik:

Değerlerin eşitliği, veya iki referansın aynı değerlere sahip nesneleri işaret etmesidir.

yüzeysel kopyalama:

Bir nesnenin içeriklerini, içerdiği gömülü nesne referansları da dahil olmak üzere, kopyalamak. copy modülündeki copy fonksiyonunda gerçekleştirilmiştir.

derin kopyalama:

Bir nesnenin içeriklerini, içeridği gömülü nesnelerin içerikleri de olmak üzere, kopyalanmasıdır. copy modülündeki deepcopy fonksiyonunda gerçekleştirilmiştir.

13.12 Alıştırmalar

• Bir Nokta nesnesi yaratıp ekrana yazdırın, daha sonra id kullanarak nesnenin tekil belirtecini ekranda gösterin. Onaltılık biçimi onluk biçime çevirip ikisinin uyuştuğunu doğrulayın.

• 1. bölümdeki uzaklik fonksiyonunu dört sayı yerine iki Nokta parametresi alacak şekilde tekrar yazın.

• kareyi_yurut isminde ve dx ile dy isminde iki parametre alan fonksiyon yazınız. Bu fonksiyon konum değiştirmeyi, dikdörtgenin köşesinin ilgili özelliğine bu aldığı parametreleri (x’e dx, y’e dy) ekleyerek gerçekleştirmelidir.

• konum_degistir fonksiyonunu varolan dikdörtgeni değiştirmek yerine yeni bir Rectangle nesnesi oluşturup döndürecek şekilde tekrar yazın.