Классы

До этого программа хранила значения в отдельных переменных, а действия — в отдельных функциях. Для маленького скрипта этого достаточно. Но в проекте робота рядом появляются состояние левого мотора, правого мотора, режим движения, заряд, ошибки и методы управления. Класс помогает собрать данные и действия одного объекта в одну понятную модель.

Коротко

Класс — описание будущих объектов. Объект — конкретный экземпляр класса во время работы программы. Данные объекта обычно называют атрибутами, а функции внутри класса — методами. Первый параметр метода по соглашению называется self и указывает на тот объект, с которым сейчас работает метод.

Зачем это нужно

Представим учебную модель мобильного робота. Без класса состояние можно хранить так:

left_speed = 0
right_speed = 0
mode = "stop"

Затем появляются функции stop_robot, move_forward, turn_left, и каждой нужно передавать или возвращать несколько связанных значений. Легко перепутать левую и правую скорость, забыть обновить режим или изменить одну часть состояния отдельно от другой.

Класс даёт имя целому объекту:

RobotState = скорости + режим + действия над ними

Это не делает программу автоматически правильной, но помогает держать связанные данные рядом с командами, которые их меняют.

Главная идея

Класс похож на чертёж, по которому можно создать объект:

class RobotState -> объект robot -> robot.stop(), robot.forward()

Минимальный пример:

class RobotState:
    def __init__(self):
        self.left_speed = 0
        self.right_speed = 0
        self.mode = "stop"

    def stop(self):
        self.left_speed = 0
        self.right_speed = 0
        self.mode = "stop"


robot = RobotState()
robot.stop()

print(robot.mode)
print(robot.left_speed, robot.right_speed)

Строка robot = RobotState() создаёт объект. Метод __init__ выполняется при создании и задаёт начальные значения. Запись self.left_speed означает атрибут текущего объекта, а не обычную локальную переменную функции.

Атрибуты объекта

Атрибут хранит состояние конкретного объекта. У двух объектов одного класса значения могут отличаться:

class Motor:
    def __init__(self, name):
        self.name = name
        self.speed = 0


left_motor = Motor("left")
right_motor = Motor("right")

left_motor.speed = 30
right_motor.speed = 45

print(left_motor.name, left_motor.speed)
print(right_motor.name, right_motor.speed)

Здесь left_motor и right_motor созданы по одному описанию, но хранят разные скорости. Это удобно, когда в программе есть несколько похожих устройств.

Методы объекта

Метод — функция внутри класса. Он получает self, поэтому может читать и менять атрибуты объекта:

class Motor:
    def __init__(self, name):
        self.name = name
        self.speed = 0

    def set_speed(self, speed):
        if speed < 0:
            speed = 0
        if speed > 100:
            speed = 100
        self.speed = speed


motor = Motor("left")
motor.set_speed(120)
print(motor.speed)

Вызов motor.set_speed(120) выглядит так, будто передан один аргумент. Python сам подставляет объект motor в параметр self. Поэтому в определении метода self есть, а при обычном вызове его не пишут.

Простая модель робота

Соберём состояние двух моторов в один объект:

class SimpleRobot:
    def __init__(self):
        self.left_speed = 0
        self.right_speed = 0
        self.mode = "stop"

    def forward(self, speed):
        self.left_speed = speed
        self.right_speed = speed
        self.mode = "forward"

    def turn_left(self, speed):
        self.left_speed = 0
        self.right_speed = speed
        self.mode = "left"

    def stop(self):
        self.left_speed = 0
        self.right_speed = 0
        self.mode = "stop"


robot = SimpleRobot()
robot.forward(40)
print(robot.mode, robot.left_speed, robot.right_speed)

robot.turn_left(30)
print(robot.mode, robot.left_speed, robot.right_speed)

robot.stop()
print(robot.mode, robot.left_speed, robot.right_speed)

Это всё ещё учебная модель. Она не отправляет сигнал на настоящие моторы, а только показывает, какие команды были бы выбраны. Такой объект можно проверить на обычном компьютере до подключения драйвера.

Когда класс пока не нужен

Класс полезен, когда есть объект с состоянием и несколькими действиями. Если нужна одна формула, обычная функция проще:

def centimeters_to_millimeters(distance_cm):
    return distance_cm * 10

Не стоит создавать класс только ради красивого слова. Сначала спросите: «У этого объекта есть состояние, которое меняется между вызовами?» Если нет, функция обычно понятнее.

Что запомнить о классах

• Класс описывает, какие атрибуты и методы будут у объекта.
• Объект создаётся вызовом имени класса с круглыми скобками.
• __init__ задаёт начальное состояние объекта.
• self указывает на текущий объект внутри метода.
• Атрибуты вида self.name принадлежат объекту.
• Метод может читать и менять состояние объекта.
• Для простой независимой формулы класс обычно не нужен.

Практика

Задание 1. Состояние мотора

Создайте класс Motor с атрибутами name и speed. Добавьте метод set_speed, который ограничивает скорость диапазоном от 0 до 100.

Задание 2. Два мотора

Создайте два объекта Motor: левый и правый. Задайте им разные скорости и выведите состояние каждого объекта.

Задание 3. Модель робота

Создайте класс SimpleRobot с методами forward, turn_left и stop. Проверьте, как меняются скорости и режим после каждого вызова.

Задание 4. Функция или класс

Для трёх задач решите, нужен ли класс: перевод сантиметров в миллиметры, состояние двух моторов, проверка расстояния по порогу. Объясните выбор.

Проверьте себя

• Чем класс отличается от объекта?
• Для чего нужен метод __init__?
• Почему внутри метода пишут self.speed, а не просто speed?
• Почему self есть в определении метода, но не передаётся вручную при вызове motor.set_speed(50)?
• В каком случае обычная функция проще класса?

Ориентиры для самопроверки

Сначала ответьте без подсказки. Ответ можно считать полным, если вы:

• формулируете основную мысль своими словами;
• называете важные условия, ограничения или меры безопасности;
• для схемы, кода или расчёта показываете ход решения и ожидаемый результат.

Если один из пунктов объяснить не получается, найдите соответствующую главу статьи, перечитайте её и повторите ответ.

Словарь статьи

• Класс — описание объектов с их атрибутами и методами.
• Объект — конкретный экземпляр класса во время выполнения программы.
• Атрибут — значение, связанное с объектом.
• Метод — функция, определённая внутри класса.
• self — параметр метода, указывающий на текущий объект.
• __init__ — специальный метод начальной настройки объекта.
• Экземпляр — объект, созданный по классу.

Связанные темы

• Функции — методы классов строятся на той же идее вызываемого блока кода.
• Условия — проверки помогают методам выбирать допустимые значения.
• Работа с файлами — состояние объекта можно сохранять и загружать.
• Библиотеки и виртуальные окружения — многие библиотеки дают готовые классы для работы с устройствами.

Источники

• Python Tutorial. Classes: https://docs.python.org/3/tutorial/classes.html
• Python Language Reference. Class definitions: https://docs.python.org/3/reference/compound_stmts.html#class-definitions
• Python Language Reference. Special method names: https://docs.python.org/3/reference/datamodel.html#special-method-names