7. Objektorientierte Programmierung

Klassen

Bisher haben wir mit einfachen Variablentypen (integer, string, boolean) und grundlegenden Datenstrukturen wie Listen und Dictionaries gearbeitet. Dabei haben wir bereits gesehen, dass viele dieser Objekte über sogenannte Methoden verfügen. So konnten wir beispielsweise mit der Methode .append() ein neues Element an eine Liste anhängen. Diese Methoden sind typisch für den jeweiligen Datentyp und ermöglichen es uns, bequem mit den enthaltenen Daten zu arbeiten.

In Python sind tatsächlich alle Variablen Objekte. Jedes Objekt besitzt bestimmte Eigenschaften (Attribute) und kann über Methoden manipuliert oder abgefragt werden.

Python erlaubt es uns jedoch nicht nur, bestehende Objekttypen zu verwenden, sondern auch eigene Datentypen zu definieren. Dies geschieht mithilfe von Klassen, einem zentralen Konzept des Programmierparadigmas der . Klassen dienen als Bauvorlage für komplexe Objekte, die sowohl Daten (Attribute) als auch Verhalten (Methoden) enthalten können. Auf diese Weise können wir reale oder abstrakte Dinge im Programm strukturiert und nachvollziehbar modellieren.

Definition

Eine Klasse ist eine Vorlage oder Schablone für Objekte. Sie fasst Daten (Attribute) und Funktionen (Methoden) zusammen und beschreibt damit die Eigenschaften und das Verhalten einer ganzen Gruppe von Objekten. Ein Objekt ist eine konkrete Instanz (\(=\) ein tatsächlich existierendes Exemplar) einer Klasse.

Die folgenden Analogien verdeutlichen die Beziehung zwischen einer Klasse und ihren Objekten:

• Eine Klasse ist wie ein Architektur-Bauplan eines Hauses. Der Bauplan legt fest, welche Eigenschaften ein Haus besitzt (z.B. Wandfarbe, Anzahl Zimmer als Attribute) und welche Aktionen möglich sind (z.B. tuer_oeffnen() als Methode). Der Bauplan selbst ist noch kein bewohnbares Haus, sondern lediglich die Vorlage. Erst wenn nach diesem Bauplan gebaut wird, entsteht ein konkretes Haus (Objekt). Nach demselben Bauplan (Klasse) können beliebig viele reale Häuser (Objekte) gebaut werden, die dieselbe Grundstruktur besitzen, sich aber in Wandfarbe oder Zimmeranzahl unterscheiden.

• Eine Klasse funktioniert auch wie ein Plätzchenausstecher (oder eine Backform). Die Metallform (Klasse) definiert die Kontur und Struktur aller Plätzchen. Jedes ausgestochene Plätzchen ist ein konkretes Objekt (eine Instanz). Alle Plätzchen teilen die gleiche Grundform, können aber individuell verziert werden (unterschiedliche Attributwerte).

• Eine Klasse kann man sich zusätzlich wie eine Charaktervorlage in einem Videospiel vorstellen. Die Vorlage Krieger oder Magier definiert allgemeine Eigenschaften (z.B. Lebenspunkte, Stärke, Intelligenz) und Fähigkeiten (z.B. angreifen, heilen, zaubern). Wenn Sie im Spiel einen neuen Charakter erstellen, z.B. Irelia die Kriegerin, dann ist das ein Objekt, welches auf der Vorlage Krieger (der Klasse) basiert. Alle Krieger haben ähnliche Fähigkeiten, aber individuelle Werte.

Objekte werden in Games ständig verwendet, beispielsweise um Spieler, Gegner, Tiere, Wolken oder andere Elemente zu “spawnen”, also um diese mit zufälligen Variationen zu erzeugen. Die Grundidee von Klassen ist in Abschnitt dargestellt.

Im Grunde genommen kennen wir Klassen in Python bereits: So erstellen wir beispielsweise jedes Mal eine Instanz der Klasse list, wenn wir eine Variable des Typs list (eine Liste) erstellen (siehe Abschnitt).

Klassen definieren

Eine Klasse wird mit dem Schlüsselwort class definiert. Im folgenden Beispiel erstellen wir eine Klasse Person mit den Attributen name und alter sowie zwei Methoden vorstellen und geburtstag_feiern.

Abschnitt führt bereits einige zentrale Konzepte einer Klasse ein:

• Der Konstruktor __init__: Diese spezielle Methode wird automatisch aufgerufen, sobald ein neues Objekt erzeugt wird (z.B. bei anna = Person("Anna", 16)). Ihre Hauptaufgabe besteht darin, das Objekt mit Anfangswerten zu initialisieren. Die Werte in den Klammern ("Anna" und 16) werden dabei als Parameter an die __init__-Methode übergeben.

• Die Instanzvariable self: Das Schlüsselwort self repräsentiert das konkrete Objekt (die Instanz), mit dem gerade gearbeitet wird. Wird beispielsweise anna.geburtstag_feiern() aufgerufen, verweist self innerhalb der Methode auf das Objekt anna. Dadurch wird sichergestellt, dass self.alter += 1 das Alter von anna und nicht das eines anderen Objekts verändert. self muss immer der erste Parameter jeder Methode innerhalb einer Klasse sein.

• Attribute definieren: Innerhalb der Klasse werden Attribute eines Objekts mit self.attributname = wert erstellt. Im obigen Beispiel weist self.name = name dem Attribut name des Objekts den übergebenen Wert zu.

• Auf Attribute zugreifen: Um den Wert eines Attributs innerhalb einer Methode zu lesen oder zu ändern, wird ebenfalls self.attributname verwendet.

• Methoden aufrufen: Nachdem ein Objekt erstellt wurde (z.B. anna = Person("Anna", 16)), können seine Methoden mit der Punkt-Notation aufgerufen werden. Der Aufruf anna.geburtstag_feiern() führt die Methode für das Objekt anna aus und erhöht dessen Alter.

Bankkonto-Klasse

Ein praktisches Beispiel ist eine Klasse für Bankkonten:

Aufgabe

Erstellen Sie eine Klasse Buch mit den Attributen titel, autor und seitenzahl. Implementieren Sie eine Methode info(), die eine Zusammenfassung der Buchinformationen ausgibt. Erstellen Sie zwei Buchobjekte und rufen Sie die info()-Methode auf.

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Aufgabe

Erweitern Sie die Bankkonto-Klasse um eine Methode ueberweisen(self, zielkonto, betrag). Diese Methode soll eine Geldüberweisung von einem Konto auf ein anderes ermöglichen.

Anforderungen an die Methode:

1. Guthaben prüfen: Stellen Sie sicher, dass das Guthaben auf dem Quellkonto (self) für den betrag ausreicht.
2. Überweisung durchführen: Falls das Guthaben ausreicht, ziehen Sie den Betrag vom aktuellen Konto ab und fügen Sie ihn dem zielkonto hinzu.
3. Feedback geben: Geben Sie eine Erfolgs- oder Fehlermeldung auf der Konsole aus, um den Benutzer über den Status der Überweisung zu informieren.

Tipp: Sie können die bereits existierenden Methoden abheben() und einzahlen() wiederverwenden, um Ihren Code sauber und kurz zu halten! %

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Vordefinierte Klassen in Python

Wie bereits erwähnt ist jegliche Variable in Python ein Objekt, das zu einer bestimmten Klasse gehört. Python bietet eine Vielzahl von vordefinierten Klassen, welche wir in den vorausgehenden Kapiteln bereits angeschaut haben, beispielsweise Datentypen wie int, float, str (String), list (Liste) oder dict (Dictionary), sowie weitere Klassen. Diese Klassen haben ihre eigenen Methoden, die spezifische Operationen auf den Objekten dieser Klassen ermöglichen.

Vordefinierte Klassen in Python

Eine Auflistung aller vordefinierten Klassen in Python finden Sie in der offiziellen Dokumentation unter https://docs.python.org/3/library/stdtypes.html. Dort sind alle Datentypen und deren Methoden beschrieben, die in Python verfügbar sind. Alternativ kann folgender Code ausgeführt werden, um die Namen aller vordefinierten Klassen in Python zu erhalten:

Weshalb kann man in Python eine Variable für gewisse vordefinierte Klassen erstellen, ohne explizit den Namen der Klasse anzugeben? Hier handelt es sich um etwas “Python-Magie”, bei der Python den Typ der Variable automatisch erkennt und die entsprechende Klasse verwendet. Wenn wir beispielsweise eine Variable x = 5 erstellen, wird x automatisch als Objekt der Klasse int erstellt. Python kümmert sich im Hintergrund um die Zuweisung der richtigen Klasse, sodass wir uns nicht explizit darum kümmern müssen. Wir könnten jedoch die Klasse explizit angeben, indem wir beispielsweise x = int(5) schreiben, was dasselbe Ergebnis liefert.

Wie wir gesehen haben, beinhalten gewisse Klassen bereits Methoden, wie beispielsweise .append() für Listen oder .keys() für Dictionaries. Diese Methoden sind spezifisch für die jeweilige Klasse und ermöglichen es uns, auf einfache Weise mit den Objekten dieser Klassen zu interagieren. Falls wir wissen möchten, welche Methoden eine bestimmte Klasse hat, können wir die Funktion dir() verwenden, um eine Liste aller verfügbaren Methoden und Attribute zu erhalten. Zum Beispiel:

Verfügbare Methoden einer Klasse

Folgendes Beispiel zeigt, wie wir die verfügbaren Methoden für eine Liste und einen String abfragen können. Dies kann sowohl für eine konkrete Instanz wie auch für den Klassennamen selbst erfolgen:

Klassenattribute

Neben den Instanzattributen (die zu jedem einzelnen Objekt gehören) können Klassen auch Klassenattribute besitzen. Ein Klassenattribut existiert nur einmal für die gesamte Klasse und wird von allen Instanzen gemeinsam genutzt.

Klassenattribute

Folgendes Beispiel zeigt, wie Klassenattribute definiert und verwendet werden können, beispielsweise um SchülerInnen mit Attributen wie Name und Klasse zu erstellen:

Instanzzähler

Ein häufiger Anwendungsfall für Klassenattribute ist das Zählen von erzeugten Objekten:

Aufgabe

Erstellen Sie eine Klasse Auto mit den Instanzattributen marke, modell und baujahr. Fügen Sie ein Klassenattribut anzahl_autos hinzu, das bei jeder Neuerstellung eines Auto-Objekts im Konstruktor um 1 erhöht wird.

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Alternative Konstruktoren mit @classmethod

In Python kann eine Klasse nur einen einzigen __init__-Konstruktor besitzen. Möchte man Objekte aus unterschiedlichen Datenquellen erstellen (z.B. aus einem Geburtsjahr statt des Alters oder aus einer CSV-Textzeile "Anna;16"), verwendet man sogenannte Klassenmethoden mit dem Dekorator @classmethod.

Eine Klassenmethode erhält als ersten Parameter nicht das konkrete Objekt (self), sondern die Klasse selbst (cls).

Erweitern Sie eine Klasse Schueler um zwei alternative Konstruktoren:

1. @classmethod def aus_geburtsjahr(cls, name, geburtsjahr): berechnet das Alter (basierend auf dem aktuellen Jahr 2026) und gibt ein neues cls(name, alter)-Objekt zurück.
2. @classmethod def aus_csv_zeile(cls, csv_zeile): trennt den String "Name;Alter" am Strichpunkt auf und gibt ein neues cls(name, int(alter))-Objekt zurück.

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Vererbung und Polymorphismus

Vererbung

Ein mächtiges Konzept der Objektorientierung ist die Vererbung. Sie ermöglicht es, eine neue Klasse basierend auf einer vorhandenen Klasse zu erstellen und deren Eigenschaften und Methoden zu übernehmen.

Definition

Bei der Vererbung erbt eine Kindklasse (Subklasse) Attribute und Methoden von einer Elternklasse (Superklasse). Die Kindklasse kann zusätzliche Attribute und Methoden haben oder vorhandene überschreiben. Die Vererbung geschieht mithilfe des Schlüsselworts class Kindklasse(Elternklasse): sowie der Verwendung von super(), um auf die Elternklasse zuzugreifen. Dabei wird zuerst eine Instanz der Elternklasse erstellt, bevor die Kindklasse ihre eigenen Attribute und Methoden hinzufügt oder überschreibt.

Vererbung

In diesem Beispiel:

• ElektroAuto erbt von Fahrzeug und erhält alle seine Attribute und Methoden.
• Mit super().__init__(...) rufen wir den Konstruktor der Elternklasse auf.
• Die Methode fahren() wird in der Kindklasse überschrieben, um die spezifische Funktionalität eines Elektroautos zu implementieren.
• Mit super().info() greifen wir auf die Methode der Elternklasse zu.

Aufgabe

Erstellen Sie eine Elternklasse Person mit den Attributen name und alter sowie einer Methode geburtstag_feiern(). Erstellen Sie dann eine Kindklasse Schueler mit einem zusätzlichen Attribut schulklasse und einer überschriebenen Methode vorstellen(), die auch die besuchte Schulklasse ausgibt. Implementieren Sie eine zusätzliche Methode, welche es erlaubt, dem Schüler eine neue Schulklasse zuzuweisen.

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Aufgabe

Erstellen Sie eine Basisklasse Bankkonto wie im vorherigen Beispiel. Dann erstellen Sie eine Unterklasse Sparkonto, die eine zusätzliche Methode zinsen_gutschreiben(zinssatz) hat, die Zinsen basierend auf dem aktuellen Kontostand gutschreibt.

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Polymorphismus

Unterschiedliche Klassen können Methoden mit denselben Namen haben, aber jede Klasse hat ihre eigene Implementierung. Dies wird als Polymorphismus bezeichnet. Das Wort Polymorphismus stammt aus dem Griechischen und bedeutet so viel wie “viele Formen”, von griechisch poly = viel und morphos = Form. Polymorphismus ermöglicht, dass verschiedene Klassen auf die gleiche Weise angesprochen werden können, obwohl sich die Methoden unterscheiden. Dies ist insbesondere bei Kindklassen von Bedeutung, die die Methoden der Elternklasse überschreiben oder auf unterschiedliche Weise implementieren können.

Polymorphismus

Folgendes Beispiel zeigt, wie verschiedene Klassen die gleiche Methode geraeusch() implementieren können:

Praktisches Beispiel: Bibliothekssystem

Als umfassenderes Beispiel implementieren wir ein einfaches Bibliothekssystem mit mehreren Klassen, die verschiedene Aspekte einer Bibliothek modellieren.

Bibliothekssystem

Folgendes Beispiel zeigt, wie wir Klassen für Bücher, Autoren usw. für eine Bibliothek erstellen können:

Aufgabe

Erweitern Sie das Bibliothekssystem um eine neue Klasse Zeitschrift, die von Buch erbt, aber zusätzlich eine ausgabe (z.B. “Mai 2024”) hat. Überschreiben Sie die info()-Methode entsprechend, und fügen Sie mindestens eine Zeitschrift zur Bibliothek hinzu.

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Challenge

Entwickeln Sie ein vollständiges Lagerverwaltungssystem mit folgenden Klassen:

• Produkt (Basisklasse mit Name, Artikelnummer, Preis)
• Elektronikprodukt (erbt von Produkt, zusätzlich mit Garantiedauer)
• Lebensmittel (erbt von Produkt, zusätzlich mit Haltbarkeitsdatum)
• Lager (verwaltet Produkte, mit Methoden zum Hinzufügen, Entfernen, Suchen und Bestandsanzeige)
• Bestellung (enthält Produkte und Mengen, berechnet Gesamtpreis)

Implementieren Sie auch eine Methode, die abgelaufene Lebensmittel identifiziert und aus dem Lager entfernt.

Zusammenfassung

Die objektorientierte Programmierung mit Klassen ist ein mächtiges Werkzeug zur Strukturierung von Code und Modellierung realer Objekte. Wichtige Konzepte sind:

• Klassen definieren Vorlagen für Objekte mit Attributen und Methoden
• Objekte sind konkrete Instanzen von Klassen
• Methoden ermöglichen es, auf Attribute zuzugreifen und diese zu verändern.
• Vererbung ermöglicht die Wiederverwendung und Erweiterung von Code in Form von Kindklassen, die ihre Attribute und Methoden von Elternklassen erben und gegebenenfalls überschreiben.
• Polymorphismus ermöglicht es, Methoden mit denselben Namen in verschiedenen Klassen zu verwenden, wobei jede Klasse ihre eigene, unabhängige Implementierung hat.

Durch die Verwendung von Klassen können komplexe Systeme modelliert und implementiert werden, wodurch der Code besser strukturiert, lesbarer und wartbarer wird. Insbesondere in Games sind Klassen ein zentrales Konzept, um verschiedene Spielobjekte (wie Spieler, Gegner, Items) zu modellieren und deren Verhalten zu steuern. In der Praxis werden Klassen häufig in Kombination mit anderen Konzepten wie Vererbung und Polymorphismus verwendet, um flexible und erweiterbare Softwarearchitekturen zu schaffen.