9.1. Objets et noms : préambule¶

Les objets possèdent une existence propre et plusieurs noms peuvent être utilisés (dans divers contextes) pour faire référence à un même objet. Ce concept est connu sous le nom d'alias dans d'autres langages. Il n'apparaît pas au premier coup d'œil en Python et il peut être ignoré tant qu'on travaille avec des types de base immuables (nombres, chaînes, n-uplets). Cependant, les alias peuvent produire des effets surprenants sur la sémantique d'un code Python mettant en jeu des objets mutables comme les listes, les dictionnaires et la plupart des autres types. En général, leur utilisation est bénéfique au programme car les alias se comportent, d'un certain point de vue, comme des pointeurs. Par exemple, transmettre un objet n'a aucun coût car c'est simplement un pointeur qui est transmis par l'implémentation ; et si une fonction modifie un objet passé en argument, le code à l'origine de l'appel voit le changement. Ceci élimine le besoin d'avoir deux mécanismes de transmission d'arguments comme en Pascal.

9.2. Portées et espaces de nommage en Python¶

Avant de présenter les classes, nous devons aborder la notion de portée en Python. Les définitions de classes font d'habiles manipulations avec les espaces de nommage, vous devez donc savoir comment les portées et les espaces de nommage fonctionnent. Soit dit en passant, la connaissance de ce sujet est aussi utile aux développeurs Python expérimentés.

Commençons par quelques définitions.

Un espace de nommage est une table de correspondance entre des noms et des objets. La plupart des espaces de nommage sont actuellement implémentés sous forme de dictionnaires Python, mais ceci n'est normalement pas visible (sauf pour les performances) et peut changer dans le futur. Comme exemples d'espaces de nommage, nous pouvons citer les primitives (fonctions comme abs() et les noms des exceptions de base) ; les noms globaux dans un module ; et les noms locaux lors d'un appel de fonction. D'une certaine manière, l'ensemble des attributs d'un objet forme lui-même un espace de nommage. L'important à retenir concernant les espaces de nommage est qu'il n'y a absolument aucun lien entre les noms de différents espaces de nommage ; par exemple, deux modules différents peuvent définir une fonction maximize sans qu'il n'y ait de confusion. Les utilisateurs des modules doivent préfixer le nom de la fonction avec celui du module.

À ce propos, nous utilisons le mot attribut pour tout nom suivant un point. Par exemple, dans l'expression z.real, real est un attribut de l'objet z. Rigoureusement parlant, les références à des noms dans des modules sont des références d'attributs : dans l'expression nommodule.nomfonction, nommodule est un objet module et nomfonction est un attribut de cet objet. Dans ces conditions, il existe une correspondance directe entre les attributs du module et les noms globaux définis dans le module : ils partagent le même espace de nommage [1] !

Les attributs peuvent être en lecture seule ou modifiables. S'ils sont modifiables, l'affectation à un attribut est possible. Les attributs de modules sont modifiables : vous pouvez écrire nommodule.la_reponse = 42. Les attributs modifiables peuvent aussi être effacés avec l'instruction del. Par exemple, del nommodule.la_reponse supprime l'attribut la_reponse de l'objet nommé nommodule.

Les espaces de nommage sont créés à différents moments et ont différentes durées de vie. L'espace de nommage contenant les primitives est créé au démarrage de l'interpréteur Python et n'est jamais effacé. L'espace de nommage globaux pour un module est créé lorsque la définition du module est lue. Habituellement, les espaces de nommage des modules durent aussi jusqu'à l'arrêt de l'interpréteur. Les instructions exécutées par la première invocation de l'interpréteur, qu'elles soient lues depuis un fichier de script ou de manière interactive, sont considérées comme faisant partie d'un module appelé __main__, de façon qu'elles possèdent leur propre espace de nommage (les primitives vivent elles-mêmes dans un module, appelé builtins).

L'espace des noms locaux d'une fonction est créé lors de son appel, puis effacé lorsqu'elle renvoie un résultat ou lève une exception non prise en charge (en fait, « oublié » serait une meilleure façon de décrire ce qui se passe réellement). Bien sûr, des invocations récursives ont chacune leur propre espace de nommage.

La portée est la zone textuelle d'un programme Python où un espace de nommage est directement accessible. « Directement accessible » signifie ici qu'une référence non qualifiée à un nom est cherchée dans l'espace de nommage.

Bien que les portées soient déterminées de manière statique, elles sont utilisées de manière dynamique. À n'importe quel moment de l'exécution, il y a au minimum trois ou quatre portées imbriquées dont les espaces de nommage sont directement accessibles :

• la portée la plus au centre, celle qui est consultée en premier, contient les noms locaux ;

• les portées des fonctions englobantes, qui sont consultées en commençant avec la portée englobante la plus proche, contiennent des noms non-locaux mais aussi non-globaux ;

• l'avant-dernière portée contient les noms globaux du module courant ;

• la portée englobante, consultée en dernier, est l'espace de nommage contenant les primitives.

Si un nom est déclaré comme global, alors toutes les références et affectations vont directement dans l'avant-dernière portée contenant les noms globaux du module. Pour pointer une variable qui se trouve en dehors de la portée la plus locale, vous pouvez utiliser l'instruction nonlocal. Si une telle variable n'est pas déclarée nonlocal, elle est en lecture seule (toute tentative de la modifier crée simplement une nouvelle variable dans la portée la plus locale, en laissant inchangée la variable du même nom dans sa portée d'origine).

Habituellement, la portée locale référence les noms locaux de la fonction courante. En dehors des fonctions, la portée locale référence le même espace de nommage que la portée globale : l'espace de nommage du module. Les définitions de classes créent un nouvel espace de nommage dans la portée locale.

Il est important de réaliser que les portées sont déterminées de manière textuelle : la portée globale d'une fonction définie dans un module est l'espace de nommage de ce module, quelle que soit la provenance de l'appel à la fonction. En revanche, la recherche réelle des noms est faite dynamiquement au moment de l'exécution. Cependant la définition du langage est en train d'évoluer vers une résolution statique des noms au moment de la « compilation », donc ne vous basez pas sur une résolution dynamique (en réalité, les variables locales sont déjà déterminées de manière statique) !

Une particularité de Python est que, si aucune instruction global ou nonlocal n'est active, les affectations de noms vont toujours dans la portée la plus proche. Les affectations ne copient aucune donnée : elles se contentent de lier des noms à des objets. Ceci est également vrai pour l'effacement : l'instruction del x supprime la liaison de x dans l'espace de nommage référencé par la portée locale. En réalité, toutes les opérations qui impliquent des nouveaux noms utilisent la portée locale : en particulier, les instructions import et les définitions de fonctions effectuent une liaison du module ou du nom de fonction dans la portée locale.

L'instruction global peut être utilisée pour indiquer que certaines variables existent dans la portée globale et doivent être reliées en local ; l'instruction nonlocal indique que certaines variables existent dans une portée supérieure et doivent être reliées en local.

def scope_test():
    def do_local():
        spam = "local spam"

    def do_nonlocal():
        nonlocal spam
        spam = "nonlocal spam"

    def do_global():
        global spam
        spam = "global spam"

    spam = "test spam"
    do_local()
    print("After local assignment:", spam)
    do_nonlocal()
    print("After nonlocal assignment:", spam)
    do_global()
    print("After global assignment:", spam)

scope_test()
print("In global scope:", spam)

After local assignment: test spam
After nonlocal assignment: nonlocal spam
After global assignment: nonlocal spam
In global scope: global spam

9.3. Une première approche des classes¶

Le concept de classe introduit un peu de syntaxe nouvelle, trois nouveaux types d'objets ainsi que quelques nouveaux éléments de sémantique.

class ClassName:
    <statement-1>
    .
    .
    .
    <statement-N>

class MyClass:
    """A simple example class"""
    i = 12345

    def f(self):
        return 'hello world'

x = MyClass()

def __init__(self):
    self.data = []

x = MyClass()

>>> class Complex:
...     def __init__(self, realpart, imagpart):
...         self.r = realpart
...         self.i = imagpart
...
>>> x = Complex(3.0, -4.5)
>>> x.r, x.i
(3.0, -4.5)

x.counter = 1
while x.counter < 10:
    x.counter = x.counter * 2
print(x.counter)
del x.counter

x.f()

xf = x.f
while True:
    print(xf())

class Dog:

    kind = 'canine'         # class variable shared by all instances

    def __init__(self, name):
        self.name = name    # instance variable unique to each instance

>>> d = Dog('Fido')
>>> e = Dog('Buddy')
>>> d.kind                  # shared by all dogs
'canine'
>>> e.kind                  # shared by all dogs
'canine'
>>> d.name                  # unique to d
'Fido'
>>> e.name                  # unique to e
'Buddy'

class Dog:

    tricks = []             # mistaken use of a class variable

    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def add_trick(self, trick):
        self.tricks.append(trick)

>>> d = Dog('Fido')
>>> e = Dog('Buddy')
>>> d.add_trick('roll over')
>>> e.add_trick('play dead')
>>> d.tricks                # unexpectedly shared by all dogs
['roll over', 'play dead']

class Dog:

    def __init__(self, name):
        self.name = name
        self.tricks = []    # creates a new empty list for each dog

    def add_trick(self, trick):
        self.tricks.append(trick)

>>> d = Dog('Fido')
>>> e = Dog('Buddy')
>>> d.add_trick('roll over')
>>> e.add_trick('play dead')
>>> d.tricks
['roll over']
>>> e.tricks
['play dead']

9.4. Remarques diverses¶

Si le même nom d'attribut apparaît à la fois dans une instance et dans une classe, alors la recherche d'attribut donne la priorité à l'instance :

>>> class Warehouse:
...    purpose = 'storage'
...    region = 'west'
...
>>> w1 = Warehouse()
>>> print(w1.purpose, w1.region)
storage west
>>> w2 = Warehouse()
>>> w2.region = 'east'
>>> print(w2.purpose, w2.region)
storage east

Les attributs 'données' peuvent être référencés par des méthodes comme par des utilisateurs ordinaires ("clients") d'un objet. En d'autres termes, les classes ne sont pas utilisables pour implémenter des types de données purement abstraits. En fait, il n'est pas possible en Python d'imposer de masquer des données — tout est basé sur des conventions (d'un autre côté, l'implémentation de Python, écrite en C, peut complètement masquer les détails d'implémentation et contrôler l'accès à un objet si nécessaire ; ceci peut être utilisé par des extensions de Python écrites en C).

Les clients doivent utiliser les attributs 'données' avec précaution, ils pourraient mettre le désordre dans les invariants gérés par les méthodes avec leurs propres valeurs d'attributs. Remarquez que les clients peuvent ajouter leurs propres attributs 'données' à une instance d'objet sans altérer la validité des méthodes, pour autant que les noms n'entrent pas en conflit, là aussi adopter une convention de nommage peut éviter bien des problèmes.

Il n'y a pas de notation abrégée pour référencer des attributs 'données' (ou les autres méthodes !) depuis les méthodes. Nous pensons que ceci améliore en fait la lisibilité des méthodes : il n'y a aucune chance de confondre variables locales et variables d'instances quand on regarde le code d'une méthode.

Souvent, le premier argument d'une méthode est nommé self. Ce n'est qu'une convention : le nom self n'a aucune signification particulière en Python. Notez cependant que si vous ne suivez pas cette convention, votre code risque d'être moins lisible pour d'autres programmeurs Python et il est aussi possible qu'un programme qui fasse l'introspection de classes repose sur une telle convention.

Tout objet fonction qui est un attribut de classe définit une méthode pour des instances de cette classe. Il n'est pas nécessaire que le texte de définition de la fonction soit dans la définition de la classe : il est possible d'affecter un objet fonction à une variable locale de la classe. Par exemple :

# Function defined outside the class
def f1(self, x, y):
    return min(x, x+y)

class C:
    f = f1

    def g(self):
        return 'hello world'

    h = g

Maintenant, f, g et h sont toutes des attributs de la classe C et font référence à des fonctions objets. Par conséquent, ce sont toutes des méthodes des instances de C, h est exactement identique à g. Remarquez qu'en pratique, ceci ne sert qu'à embrouiller le lecteur d'un programme.

Les méthodes peuvent appeler d'autres méthodes en utilisant des méthodes qui sont des attributs de l'argument self :

class Bag:
    def __init__(self):
        self.data = []

    def add(self, x):
        self.data.append(x)

    def addtwice(self, x):
        self.add(x)
        self.add(x)

Les méthodes peuvent faire référence à des noms globaux de la même manière que les fonctions. La portée globale associée à une méthode est le module contenant la définition de la classe (la classe elle-même n'est jamais utilisée en tant que portée globale). Alors qu'il est rare d'avoir une bonne raison d'utiliser des données globales dans une méthode, il y a de nombreuses utilisations légitimes de la portée globale : par exemple, les fonctions et modules importés dans une portée globale peuvent être utilisés par des méthodes, de même que les fonctions et classes définies dans cette même portée. Habituellement, la classe contenant la méthode est elle-même définie dans cette portée globale et, dans la section suivante, nous verrons de bonnes raisons pour qu'une méthode référence sa propre classe.

Toute valeur est un objet et a donc une classe (appelée aussi son type). Elle est stockée dans objet.__class__.

9.5. Héritage¶

Bien sûr, ce terme de "classe" ne serait pas utilisé s'il n'y avait pas d'héritage. La syntaxe pour définir une sous-classe est de cette forme :

class DerivedClassName(BaseClassName):
    <statement-1>
    .
    .
    .
    <statement-N>

Le nom BaseClassName doit être défini dans une portée contenant la définition de la classe dérivée. À la place du nom d'une classe mère, une expression est aussi autorisée. Ceci peut être utile, par exemple, lorsque la classe mère est définie dans un autre module :

class DerivedClassName(modname.BaseClassName):

L'exécution d'une définition de classe dérivée se déroule comme pour une classe mère. Quand l'objet de la classe est construit, la classe mère est mémorisée. Elle est utilisée pour la résolution des références d'attributs : si un attribut n'est pas trouvé dans la classe, la recherche se poursuit en regardant dans la classe mère. Cette règle est appliquée récursivement si la classe mère est elle-même dérivée d'une autre classe.

Il n'y a rien de particulier dans l'instanciation des classes dérivées : DerivedClassName() crée une nouvelle instance de la classe. Les références aux méthodes sont résolues comme suit : l'attribut correspondant de la classe est recherché, en remontant la hiérarchie des classes mères si nécessaire, et la référence de méthode est valide si cela conduit à une fonction.

Les classes dérivées peuvent surcharger des méthodes de leurs classes mères. Comme les méthodes n'ont aucun privilège particulier quand elles appellent d'autres méthodes d'un même objet, une méthode d'une classe mère qui appelle une autre méthode définie dans la même classe peut en fait appeler une méthode d'une classe dérivée qui la surcharge (pour les programmeurs C++ : toutes les méthodes de Python sont en effet "virtuelles").

Une méthode dans une classe dérivée peut aussi, en fait, vouloir étendre plutôt que simplement remplacer la méthode du même nom de sa classe mère. L'appel direct à la méthode de la classe mère s'écrit simplement BaseClassName.nomMethode(self, arguments). C'est parfois utile également aux clients (notez bien que ceci ne fonctionne que si la classe mère est accessible en tant que BaseClassName dans la portée globale).

Python définit deux fonctions primitives pour gérer l'héritage :

• utilisez isinstance() pour tester le type d'une instance : isinstance(obj, int) renvoie True seulement si obj.__class__ est égal à int ou à une autre classe dérivée de int ;

• utilisez issubclass() pour tester l'héritage d'une classe : issubclass(bool, int) renvoie True car la classe bool est une sous-classe de int. Cependant, issubclass(float, int) renvoie False car float n'est pas une sous-classe de int.

class DerivedClassName(Base1, Base2, Base3):
    <statement-1>
    .
    .
    .
    <statement-N>

9.6. Variables privées¶

Les membres "privés", qui ne peuvent être accédés que depuis l'intérieur d'un objet, n'existent pas en Python. Toutefois, il existe une convention respectée par la majorité du code Python : un nom préfixé par un tiret bas (comme _spam) doit être considéré comme une partie non publique de l'API (qu'il s'agisse d'une fonction, d'une méthode ou d'un attribut 'données'). Il doit être vu comme un détail d'implémentation pouvant faire l'objet de modifications futures sans préavis.

Dès lors qu'il y a un cas d'utilisation valable pour avoir des attributs privés aux classes (notamment pour éviter des conflits avec des noms définis dans des sous-classes), il existe un support (certes limité) pour un tel mécanisme, appelé name mangling. Tout identifiant de la forme __spam (avec au moins deux tirets bas en tête et au plus un à la fin) est remplacé textuellement par _classname__spam, où classname est le nom de la classe sans le ou les premiers tirets-bas. Ce "découpage" est effectué sans tenir compte de la position syntaxique de l'identifiant, tant qu'il est présent dans la définition d'une classe.

Ce changement de nom est utile pour permettre à des sous-classes de surcharger des méthodes sans casser les appels de méthodes à l'intérieur d'une classe. Par exemple :

class Mapping:
    def __init__(self, iterable):
        self.items_list = []
        self.__update(iterable)

    def update(self, iterable):
        for item in iterable:
            self.items_list.append(item)

    __update = update   # private copy of original update() method

class MappingSubclass(Mapping):

    def update(self, keys, values):
        # provides new signature for update()
        # but does not break __init__()
        for item in zip(keys, values):
            self.items_list.append(item)

L'exemple si dessus fonctionnerait même si MappingSubclass introduisait un identifieur __update puisqu'il a été remplacé avec _Mapping__update dans la classe Mapping et _MappingSubclass__update dans la classe MappingSubclass respectivement.

Notez que ces règles sont conçues avant tout pour éviter les accidents ; il reste possible d'accéder ou de modifier une variable considérée comme privée. Ceci peut même être utile dans certaines circonstances, comme au sein du débogueur.

Remarquez que le code que vous passez à exec(), eval() ne considère pas le nom de la classe appelante comme étant la classe courante ; le même effet s'applique à la directive global dont l'effet est, de la même façon, restreint au code compilé dans le même ensemble de byte-code. Les mêmes restrictions s'appliquent à getattr(), setattr() et delattr(), ainsi qu'aux références directes à __dict__.

9.7. Trucs et astuces¶

Il est parfois utile d'avoir un type de donnée similaire au record du Pascal ou au struct du C, qui regroupent ensemble quelques attributs « données » nommés. L'approche idiomatique correspondante en Python est d'utiliser des dataclasses :

from dataclasses import dataclass

@dataclass
class Employee:
    name: str
    dept: str
    salary: int

>>> john = Employee('john', 'computer lab', 1000)
>>> john.dept
'computer lab'
>>> john.salary
1000

À du code Python qui s'attend à recevoir un type de donnée abstrait spécifique, on peut souvent fournir une classe qui simule les méthodes de ce type. Par exemple, à une fonction qui formate des données extraites d'un objet fichier, vous pouvez lui passer comme argument une instance d'une classe qui implémente les méthodes read() et readline() en puisant ses données à partir d'un tampon de chaînes de caractères.

Les objets méthode d'instance ont aussi des attributs : m.__self__ est l'instance de l’objet ayant la méthode m() et m.__func__ est l'objet fonction correspondant à la méthode.

9.8. Itérateurs¶

Vous avez maintenant certainement remarqué que l'on peut itérer sur la plupart des objets conteneurs en utilisant une instruction for :

for element in [1, 2, 3]:
    print(element)
for element in (1, 2, 3):
    print(element)
for key in {'one':1, 'two':2}:
    print(key)
for char in "123":
    print(char)
for line in open("myfile.txt"):
    print(line, end='')

Ce style est simple, concis et pratique. L'utilisation d'itérateurs imprègne et unifie Python. En arrière plan, l'instruction for appelle la fonction iter() sur l'objet conteneur. Cette fonction renvoie un objet itérateur qui définit la méthode __next__(), laquelle accède aux éléments du conteneur un par un. Lorsqu'il n'y a plus d'élément, __next__() lève une exception StopIteration qui indique à la boucle de l'instruction for de se terminer. Vous pouvez appeler la méthode __next__() en utilisant la fonction native next(). Cet exemple montre comment tout cela fonctionne :

>>> s = 'abc'
>>> it = iter(s)
>>> it
<str_iterator object at 0x10c90e650>
>>> next(it)
'a'
>>> next(it)
'b'
>>> next(it)
'c'
>>> next(it)
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
    next(it)
StopIteration

Une fois compris les mécanismes de gestion des itérateurs, il est simple d'ajouter ce comportement à vos classes. Définissez une méthode __iter__() qui renvoie un objet disposant d'une méthode !__next__(). Si la classe définit elle-même la méthode __next__(), alors __iter__() peut simplement renvoyer self :

class Reverse:
    """Iterator for looping over a sequence backwards."""
    def __init__(self, data):
        self.data = data
        self.index = len(data)

    def __iter__(self):
        return self

    def __next__(self):
        if self.index == 0:
            raise StopIteration
        self.index = self.index - 1
        return self.data[self.index]

>>> rev = Reverse('spam')
>>> iter(rev)
<__main__.Reverse object at 0x00A1DB50>
>>> for char in rev:
...     print(char)
...
m
a
p
s

9.9. Générateurs¶

Les générateurs sont des outils simples et puissants pour créer des itérateurs. Ils sont écrits comme des fonctions classiques mais utilisent l'instruction yield lorsqu'ils veulent renvoyer des données. À chaque fois qu'il est appelé par next(), le générateur reprend son exécution là où il s'était arrêté (en conservant tout son contexte d'exécution). Un exemple montre très bien combien les générateurs sont simples à créer :

def reverse(data):
    for index in range(len(data)-1, -1, -1):
        yield data[index]

>>> for char in reverse('golf'):
...     print(char)
...
f
l
o
g

Tout ce qui peut être fait avec des générateurs peut également être fait avec des itérateurs basés sur des classes, comme décrit dans le paragraphe précédent. Ce qui rend les générateurs si compacts, c'est que les méthodes __iter__() et __next__() sont créées automatiquement.

Une autre fonctionnalité clé est que les variables locales ainsi que le contexte d'exécution sont sauvegardés automatiquement entre les appels. Cela simplifie d'autant plus l'écriture de ces fonctions et rend leur code beaucoup plus lisible qu'avec une approche utilisant des variables d'instance telles que self.index et self.data.

En plus de la création automatique de méthodes et de la sauvegarde du contexte d'exécution, les générateurs lèvent automatiquement une exception StopIteration lorsqu'ils terminent leur exécution. La combinaison de ces fonctionnalités rend très simple la création d'itérateurs, sans plus d'effort que l'écriture d'une fonction classique.

9.10. Expressions et générateurs¶

Des générateurs simples peuvent être codés très rapidement avec des expressions utilisant la même syntaxe que les compréhensions de listes, mais en utilisant des parenthèses à la place des crochets. Ces expressions sont conçues pour des situations où le générateur est utilisé tout de suite dans une fonction. Ces expressions sont plus compactes mais moins souples que des définitions complètes de générateurs et ont tendance à être plus économes en mémoire que leur équivalent en compréhension de listes.

Exemples :

>>> sum(i*i for i in range(10))                 # sum of squares
285

>>> xvec = [10, 20, 30]
>>> yvec = [7, 5, 3]
>>> sum(x*y for x,y in zip(xvec, yvec))         # dot product
260

>>> unique_words = set(word for line in page  for word in line.split())

>>> valedictorian = max((student.gpa, student.name) for student in graduates)

>>> data = 'golf'
>>> list(data[i] for i in range(len(data)-1, -1, -1))
['f', 'l', 'o', 'g']

>>> x = [[1,2,3], [], [4, 5]]
>>> g = (*i for i in x)
>>> list(g)
[1, 2, 3, 4, 5]

In most cases, generator expressions must be wrapped in parentheses. As a special case, however, when provided as the sole argument to a function (as in the examples involving sum, set, max, and list above), the generator expression does not need to be wrapped in an additional set of parentheses. That is to say, the following two pieces of code are semantically equivalent:

>>> f(x for x in y)
>>> f((x for x in y))

as are the following:

>>> f(*x for x in y)
>>> f((*x for x in y))

Notes de bas de page