Apprendre à programmer avec Python

Les classes sont les principaux outils de la programmation orientée objet (Object Oriented Programming ou OOP). Ce type de programmation permet de structurer les logiciels complexes en les organisant comme des ensembles d'objets qui interagissent, entre eux et avec le monde extérieur.

Le premier bénéfice de cette approche de la programmation consiste dans le fait que les différents objets utilisés peuvent être construits indépendamment les uns des autres (par exemple par des programmeurs différents) sans qu'il n'y ait de risque d'interférence. Ce résultat est obtenu grâce au concept d'encapsulation : la fonctionnalité interne de l'objet et les variables qu'il utilise pour effectuer son travail, sont en quelque sorte « enfermés » dans l'objet. Les autres objets et le monde extérieur ne peuvent y avoir accès qu'à travers des procédures bien définies.

En particulier, l'utilisation de classes dans vos programmes vous permettra - entre autres choses - d'éviter au maximum l'emploi de variables globales. Vous devez savoir en effet que l'utilisation de variables globales comporte des risques, surtout dans les programmes volumineux, parce qu'il est toujours possible que de telles variables soient modifiées ou même redéfinies n'importe où dans le corps du programme (et ce risque s'aggrave particulièrement si plusieurs programmeurs différents travaillent sur un même logiciel).

Un second bénéfice résultant de l'utilisation des classes est la possibilité qu'elles offrent de construire de nouveaux objets à partir d'objets préexistants, et donc de réutiliser des pans entiers d'une programmation déjà écrite (sans toucher à celle-ci !), pour en tirer une fonctionnalité nouvelle. Cela est rendu possible grâce aux concepts de dérivation et de polymorphisme.

• La dérivation est le mécanisme qui permet de construire une classe « enfant » au départ d'une classe « parente ». L'enfant ainsi obtenu hérite toutes les propriétés et toute la fonctionnalité de son ancêtre, auxquelles on peut ajouter ce que l'on veut.
  
• Le polymorphisme permet d'attribuer des comportements différents à des objets dérivant les uns des autres, ou au même objet ou en fonction d'un certain contexte.

La programmation orientée objet est optionnelle sous Python. Vous pouvez donc mener à bien de nombreux projets sans l'utiliser, avec des outils plus simples tels que les fonctions. Sachez cependant que les classes constituent des outils pratiques et puissants. Une bonne compréhension des classes vous aidera notamment à maîtriser le domaine des interfaces graphiques (Tkinter, wxPython), et vous préparera efficacement à aborder d'autres langages modernes tels que C++ ou Java.

Pour créer une nouvelle classe d'objets Python, on utilise l'instruction class. Nous allons donc apprendre à utiliser cette instruction, en commençant par définir un type d'objet très rudimentaire, lequel sera simplement un nouveau type de donnée. Nous avons déjà utilisé différentes types de données jusqu'à présent, mais c'étaient à chaque fois des types intégrés dans le langage lui-même. Nous allons maintenant créer un nouveau type composite : le type Point.

Ce type correspondra au concept de point en Mathématique.
Dans un espace à deux dimensions, un point est caractérisé par deux nombres (ses coordonnées suivant x et y). En notation mathématique, on représente donc un point par ses deux coordonnées x et y enfermées dans une paire de parenthèses. On parlera par exemple du point (25,17). Une manière naturelle de représenter un point sous Python serait d'utiliser pour les coordonnées deux valeurs de type float. Nous voudrions cependant combiner ces deux valeurs dans une seule entité, ou un seul objet. Pour y arriver, nous allons définir une classe Point() :

>>> class Point:
        "Définition d'un point mathématique"

Les définitions de classes peuvent être situées n'importe où dans un programme, mais on les placera en général au début (ou bien dans un module à importer). L'exemple ci-dessus est probablement le plus simple qui se puisse concevoir. Une seule ligne nous a suffi pour définir le nouveau type d'objet Point(). Remarquons d'emblée que :

• L'instruction class est un nouvel exemple d'instruction composée. N'oubliez pas le double point obligatoire à la fin de la ligne, et l'indentation du bloc d'instructions qui suit. Ce bloc doit contenir au moins une ligne. Dans notre exemple ultra-simplifié, cette ligne n'est rien d'autre qu'un simple commentaire. (Par convention, si la première ligne suivant l'instruction class est une chaîne de caractères, celle-ci sera considérée comme un commentaire et incorporée automatiquement dans un dispositif de documentation des classes qui fait partie intégrante de Python. Prenez donc l'habitude de toujours placer une chaîne décrivant la classe à cet endroit).
  
• Rappelez-vous aussi la convention qui consiste à toujours donner aux classes des noms qui commencent par une majuscule. Dans la suite de ce texte, nous respecterons encore une autre convention qui consiste à associer à chaque nom de classe une paire de parenthèses, comme nous le faisons déjà pour les noms de fonctions.

Nous venons de définir une classe Point(). Nous pouvons dès à présent nous en servir pour créer des objets de ce type, par instanciation. Créons par exemple un nouvel objet p9⁴⁷ :

>>> p9 = Point()

Après cette instruction, la variable p9 contient la référence d'un nouvel objet Point(). Nous pouvons dire également que p9 est une nouvelle instance de la classe Point().

Attention : comme les fonctions, les classes auxquelles on fait appel dans une instruction doivent toujours être accompagnées de parenthèses (même si aucun argument n'est transmis). Nous verrons un peu plus loin que les classes peuvent être appelées avec des arguments.

Remarquez bien cependant que la définition d'une classe ne nécessite pas de parenthèses (contrairement à ce qui de règle lors de la définition des fonctions), sauf si nous souhaitons que la classe en cours de définition dérive d'une autre classe préexistante (ceci sera expliqué plus loin).

Nous pouvons dès à présent effectuer quelques manipulations élémentaires avec notre nouvel objet p9. Exemple :

>>> print p9.__doc__
Définition d'un point mathématique

(Comme nous vous l'avons expliqué pour les fonctions (voir page 73), les chaînes de documentation de divers objets Python sont associées à l'attribut prédéfini __doc__)

>>> print p9
<__main__.Point instance at 0x403e1a8c>

Le message renvoyé par Python indique, comme vous l'aurez certainement bien compris tout de suite, que p9 est une instance de la classe Point(), qui est définie elle-même au niveau principal du programme. Elle est située dans un emplacement bien déterminé de la mémoire vive, dont l'adresse apparaît ici en notation hexadécimale (Veuillez consulter votre cours d'informatique générale si vous souhaitez des explications complémentaires à ce sujet).

47 Sous Python, on peut donc instancier un objet à l'aide d'une simple instruction d'affectation. D'autres langages imposent l'emploi d'une instruction spéciale, souvent appelée new pour bien montrer que l'on crée un nouvel objet à partir d'un moule. Exemple : p9 = new Point()

L'objet que nous venons de créer est une coquille vide. Nous pouvons ajouter des composants à cet objet par simple assignation, en utilisant le système de qualification des noms par points⁴⁸ :

>>> p9.x = 3.0
>>> p9.y = 4.0

Les variables ainsi définies sont des attributs de l'objet p9, ou encore des variables d'instance. Elles sont incorporées, ou plutôt encapsulées dans l'objet. Le diagramme d'état ci-contre montre le résultat de ces affectations : la variable p9 contient la référence indiquant l'emplacement mémoire du nouvel objet, qui contient luimême les deux attributs x et y.

On peut utiliser les attributs d'un objet dans n'importe quelle expression, comme toutes les variables ordinaires :

>>> print p9.x
3.0
>>> print p9.x**2 + p9.y**2
25.0

Du fait de leur encapsulation dans l'objet, les attributs sont des variables distinctes d'autres variables qui pourraient porter le même nom. Par exemple, l'instruction x = p9.x signifie : « extraire de l'objet référencé par p9 la valeur de son attribut x, et assigner cette valeur à la variable x ».
Il n'y a pas de conflit entre la variable x et l'attribut x de l'objet p9. L'objet p9 contient en effet son propre espace de noms, indépendant de l'espace de nom principal où se trouve la variable x.

Remarque importante :

Nous venons de voir qu'il est très aisé d'ajouter un attribut à un objet en utilisant une simple instruction d'assignation telle que p9.x = 3.0 On peut se permettre cela sous Python (c'est une conséquence de l'assignation dynamique des variables), mais cela n'est pas vraiment recommandable, comme vous le comprendrez plus loin. Nous n'utiliserons donc cette façon de faire que de manière occasionnelle, et uniquement dans le but de simplifier nos explications concernant les attributs d'instances.

La bonne manière de procéder sera développée dans le chapitre suivant. 11.4 Passage d'objets comme arguments lors de l'appel d'une fonctio

48 Ce système de notation est similaire à celui que nous utilisons pour désigner les variables d'un module, comme par exemple math.pi ou string.uppercase. Nous aurons l'occasion d'y revenir plus tard, mais sachez dès à présent que les modules peuvent en effet contenir des fonctions, mais aussi des classes et des variables. Essayez par exemple :
>>> import string
>>> print string.uppercase
>>> print string.lowercase
>>> print string.hexdigits

Les fonctions peuvent utiliser des objets comme paramètres (elles peuvent également fournir un objet comme valeur de retour). Par exemple, vous pouvez définir une fonction telle que celle-ci :

>>> def affiche_point(p):
        print "coord. horizontale =", p.x, "coord. verticale =", p.y

Le paramètre p utilisé par cette fonction doit être un objet de type Point(), puisque l'instruction qui suit utilise les variables d'instance p.x et p.y. Lorsqu'on appelle cette fonction, il faut donc lui fournir un objet de type Point() comme argument. Essayons avec l'objet p9 :

>>> affiche_point(p9)
coord. horizontale = 3.0 coord. verticale = 4.0

Exercice :

(11) Ecrivez une fonction distance() qui permette de calculer la distance entre deux points. Cette fonction attendra évidemment deux objets Point() comme arguments.

Dans la langue parlée, les mêmes mots peuvent avoir des significations fort différentes suivant le contexte dans lequel on les utilise. La conséquence en est que certaines expressions utilisant ces mots peuvent être comprises de plusieurs manières différentes (expressions ambiguës).

Le mot « même », par exemple, a des significations différentes dans les phrases : « Charles et moi avons la même voiture » et « Charles et moi avons la même mère ». Dans la première, ce que je veux dire est que la voiture de Charles et la mienne sont du même modèle. Il s'agit pourtant de deux voitures distinctes. Dans la seconde, j'indique que la mère de Charles et la mienne constituent en fait une seule et unique personne.

Lorsque nous traitons d'objets logiciels, nous pouvons rencontrer la même ambiguïté. Par exemple, si nous parlons de l'égalité de deux objets Point(), cela signifie-t-il que ces deux objets contiennent les mêmes données (leurs attributs), ou bien cela signifie-t-il que nous parlons de deux références à un même et unique objet ? Considérez par exemple les instructions suivantes :

>>> p1 = Point()
>>> p1.x = 3
>>> p1.y = 4
>>> p2 = Point()
>>> p2.x = 3
>>> p2.y = 4
>>> print (p1 == p2)
0

Ces instructions créent deux objets p1 et p2 qui restent distincts, même s'ils ont des contenus similaires. La dernière instruction teste l'égalité de ces deux objets (double signe égale), et le résultat est zéro (ce qui signifie que l'expression entre parenthèses est fausse : il n'y a donc pas égalité).
On peut confirmer cela d'une autre manière encore :

>>> print p1
<__main__.Point instance at 00C2CBEC>
>>> print p2
<__main__.Point instance at 00C50F9C>

L'information est claire : les deux variables p1 et p2 référencent bien des objets différents.

Essayons autre chose, à présent :

>>> p2 = p1
>>> print (p1 == p2)
1

Par l'instruction p2 = p1, nous assignons le contenu de p1 à p2. Cela signifie que désormais ces deux variables référencent le même objet. Les variables p1 et p2 sont des alias⁴⁹ l'une de l'autre. Le test d'égalité dans l'instruction suivante renvoie cette fois la valeur 1, ce qui signifie que l'expression entre parenthèses est vraie : p1 et p2 désignent bien toutes deux un seul et unique objet, comme on peut s'en convaincre en essayant encore :

>>> p1.x = 7
>>> print p2.x
7
>>> print p1
<__main__.Point instance at 00C2CBEC>
>>> print p2
<__main__.Point instance at 00C2CBEC>

49 Concernant ce phénomène d'aliasing, voir également page 138 : copie d'une liste

Supposons maintenant que nous voulions définir une classe pour représenter des rectangles. Pour simplifier, nous allons considérer que ces rectangles seront toujours orientés horizontalement ou verticalement, et jamais en oblique.

De quelles informations avons-nous besoin pour définir de tels rectangles ?
Il existe plusieurs possibilités. Nous pourrions par exemple spécifier la position du centre du rectangle (deux coordonnées) et préciser sa taille (largeur et hauteur). Nous pourrions aussi spécifier les positions du coin supérieur gauche et du coin inférieur droit. Ou encore la position du coin supérieur gauche et la taille. Admettons ce soit cette dernière méthode qui soit retenue.

Définissons donc notre nouvelle classe :

>>> class Rectangle:
        "définition d'une classe de rectangles"

... et servons nous-en tout de suite pour créer une instance :

>>> boite = Rectangle()
>>> boite.largeur = 50.0
>>> boite.hauteur = 35.0

Nous créons ainsi un nouvel objet Rectangle() et deux attributs. Pour spécifier le coin supérieur gauche, nous allons utiliser une instance de la classe Point() que nous avons définie précédemment. Ainsi nous allons créer un objet à l'intérieur d'un autre objet !

>>> boite.coin = Point()
>>> boite.coin.x = 12.0
>>> boite.coin.y = 27.0

Pour accéder à un objet qui se trouve à l'intérieur d'un autre objet, on utilise la qualification des noms hiérarchisée (à l'aide de points) que nous avons déjà rencontrée à plusieurs reprises. Ainsi l'expression boite.coin.y signifie « Aller à l'objet référencé dans la variable boite. Dans cet objet, repérer l'attribut coin, puis aller à l'objet référencé dans cet attribut. Une fois cet autre objet trouvé, sélectionner son attribut y. »

Vous pourrez peut-être mieux vous représenter à l'avenir les objets composites, à l'aide de diagrammes similaires à celui que nous reproduisons ci-dessous :

Le nom « boîte » se trouve dans l'espace de noms principal. Il référence un autre espace de noms réservé à l'objet correspondant, dans lequel sont mémorisés les noms « largeur », « hauteur » et « coin ». Ceux-ci référencent à leur tour, soit d'autres espaces de noms (cas du nom « coin »), soit des valeurs bien déterminées. Python réserve des espaces de noms différents pour chaque module, chaque classe, chaque instance, chaque fonction. Vous pouvez tirer parti de tous ces espaces bien compartimentés afin de réaliser des programmes robustes, c'est-à-dire des programmes dont les différents composants ne peuvent pas facilement interférer.

Nous avons vu plus haut que les fonctions peuvent utiliser des objets comme paramètres. Elles peuvent également transmettre une instance comme valeur de retour. Par exemple, la fonction trouveCentre() ci-dessous doit être appelée avec un argument de type Rectangle() et elle renvoie un objet Point(), lequel contiendra les coordonnées du centre du rectangle.

>>> def trouveCentre(box):
        p = Point()
        p.x = box.coin.x + box.largeur/2.0
        p.y = box.coin.y + box.hauteur/2.0
        return p

Pour appeler cette fonction, vous pouvez utiliser l'objet boite comme argument :

>>> centre = trouveCentre(boite)
>>> print centre.x, centre.y
37.0   44.5

Nous pouvons changer les propriétés d'un objet en assignant de nouvelles valeurs à ses attributs. Par exemple, nous pouvons modifier la taille d'un rectangle (sans modifier sa position), en réassignant ses attributs hauteur et largeur :

>>> boite.hauteur = boite.hauteur + 20
>>> boite.largeur = boite.largeur - 5

Nous pouvons faire cela sous Python, parce que dans ce langage les propriétés des objets sont toujours publiques (du moins dans la version actuelle 2.0). D'autres langages établissent une distinction nette entre attributs publics (accessibles de l'extérieur de l'objet) et attributs privés (qui sont accessibles seulement aux algorithmes inclus dans l'objet lui-même).

Comme nous l'avons déjà signalé plus haut (à propos de la définition des attributs par assignation simple, depuis l'extérieur de l'objet), modifier de cette façon les attributs d'une instance n'est pas une pratique recommandable, parce qu'elle contredit l'un des objectifs fondamentaux de la programmation orientée objet, qui vise à établir une séparation stricte entre la fonctionnalité d'un objet (telle qu'elle a été déclarée au monde extérieur) et la manière dont cette fonctionnalité est réellement implémentée dans l'objet (et que le monde extérieur n'a pas à connaître).

Plus concrètement, nous devrons veiller désormais à ce que les objets que nous créons ne soient modifiables en principe que par l'intermédiaire de méthodes mises en place spécifiquement dans ce but, comme nous allons l'expliquer dans le chapitre suivant.