10日で覚えるPythonDay 6: オブジェクト指向プログラミング
第 610日で覚えるPython

Day 6: オブジェクト指向プログラミング

今日学ぶこと

  • クラスとオブジェクトの基本
  • 属性とメソッド
  • コンストラクタ（__init__）
  • 継承
  • カプセル化
  • 特殊メソッド（マジックメソッド）

オブジェクト指向とは？

オブジェクト指向プログラミング（OOP）は、データと処理を「オブジェクト」としてまとめるプログラミング手法です。

flowchart TB
    subgraph OOP["オブジェクト指向の4つの柱"]
        A["カプセル化"]
        B["継承"]
        C["ポリモーフィズム"]
        D["抽象化"]
    end

    A --> A1["データと処理をまとめる"]
    B --> B1["既存クラスの機能を引き継ぐ"]
    C --> C1["同じ操作で異なる動作"]
    D --> D1["複雑さを隠蔽する"]

    style OOP fill:#3b82f6,color:#fff

クラスとオブジェクトの関係

概念 説明 例
クラス オブジェクトの設計図 「犬」という概念
オブジェクト クラスから作られた実体 「ポチ」という具体的な犬
属性 オブジェクトが持つデータ 名前、年齢、品種
メソッド オブジェクトが持つ動作 吠える、走る、食べる

クラスの定義

基本構文

class クラス名:
    def __init__(self, 引数):
        self.属性 = 引数

    def メソッド名(self):
        処理

シンプルな例

class Dog:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age

    def bark(self):
        print(f"{self.name}がワンワン吠えています！")

    def introduce(self):
        print(f"私は{self.name}、{self.age}歳です。")

# オブジェクトの作成（インスタンス化）
my_dog = Dog("ポチ", 3)

# メソッドの呼び出し
my_dog.bark()       # ポチがワンワン吠えています！
my_dog.introduce()  # 私はポチ、3歳です。

# 属性へのアクセス
print(my_dog.name)  # ポチ
print(my_dog.age)   # 3

self について

self は、オブジェクト自身を参照する特別な引数です。メソッド定義では必ず最初の引数にします。

class Counter:
    def __init__(self):
        self.count = 0

    def increment(self):
        self.count += 1

    def get_count(self):
        return self.count

counter = Counter()
counter.increment()
counter.increment()
print(counter.get_count())  # 2

属性の種類

インスタンス属性

各オブジェクト固有の属性です：

class Person:
    def __init__(self, name):
        self.name = name  # インスタンス属性

person1 = Person("Taro")
person2 = Person("Hanako")

print(person1.name)  # Taro
print(person2.name)  # Hanako

クラス属性

全オブジェクトで共有される属性です：

class Person:
    species = "Homo sapiens"  # クラス属性

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

person1 = Person("Taro")
person2 = Person("Hanako")

print(person1.species)  # Homo sapiens
print(person2.species)  # Homo sapiens
print(Person.species)   # Homo sapiens

コンストラクタとデストラクタ

__init__ コンストラクタ

オブジェクト作成時に自動的に呼ばれます：

class Book:
    def __init__(self, title, author, pages=100):
        self.title = title
        self.author = author
        self.pages = pages
        print(f"'{self.title}'が作成されました")

book = Book("Python入門", "山田太郎", 300)
# 'Python入門'が作成されました

__del__ デストラクタ

オブジェクトが削除される時に呼ばれます：

class Book:
    def __init__(self, title):
        self.title = title
        print(f"'{self.title}'が作成されました")

    def __del__(self):
        print(f"'{self.title}'が削除されました")

book = Book("Python入門")  # 'Python入門'が作成されました
del book                    # 'Python入門'が削除されました

継承

既存のクラスの機能を引き継いで、新しいクラスを作成できます。

flowchart TB
    A["Animal（親クラス）"] --> B["Dog（子クラス）"]
    A --> C["Cat（子クラス）"]

    style A fill:#3b82f6,color:#fff
    style B fill:#22c55e,color:#fff
    style C fill:#22c55e,color:#fff

基本的な継承

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

    def speak(self):
        print("何か音を出す")

class Dog(Animal):
    def speak(self):
        print(f"{self.name}がワンワン！")

class Cat(Animal):
    def speak(self):
        print(f"{self.name}がニャー！")

dog = Dog("ポチ")
cat = Cat("タマ")

dog.speak()  # ポチがワンワン！
cat.speak()  # タマがニャー！

super() を使った親クラスの呼び出し

class Animal:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age

class Dog(Animal):
    def __init__(self, name, age, breed):
        super().__init__(name, age)  # 親クラスの__init__を呼び出す
        self.breed = breed

    def introduce(self):
        print(f"私は{self.breed}の{self.name}、{self.age}歳です。")

dog = Dog("ポチ", 3, "柴犬")
dog.introduce()  # 私は柴犬のポチ、3歳です。

メソッドのオーバーライド

子クラスで親クラスのメソッドを上書きできます：

class Vehicle:
    def move(self):
        print("移動します")

class Car(Vehicle):
    def move(self):
        print("道路を走ります")

class Airplane(Vehicle):
    def move(self):
        print("空を飛びます")

# ポリモーフィズム: 同じメソッド呼び出しで異なる動作
vehicles = [Car(), Airplane()]
for v in vehicles:
    v.move()
# 道路を走ります
# 空を飛びます

カプセル化

データを外部から直接アクセスできないようにし、メソッドを通してのみ操作できるようにします。

プライベート属性

アンダースコアで始まる属性は「プライベート」として扱います：

class BankAccount:
    def __init__(self, initial_balance):
        self._balance = initial_balance  # 慣例的なプライベート

    def deposit(self, amount):
        if amount > 0:
            self._balance += amount

    def withdraw(self, amount):
        if 0 < amount <= self._balance:
            self._balance -= amount
            return True
        return False

    def get_balance(self):
        return self._balance

account = BankAccount(1000)
account.deposit(500)
print(account.get_balance())  # 1500

名前マングリング

ダブルアンダースコアで始まる属性は、名前が変更されます：

class Secret:
    def __init__(self):
        self.__hidden = "秘密"

    def reveal(self):
        return self.__hidden

s = Secret()
print(s.reveal())       # 秘密
# print(s.__hidden)     # AttributeError
print(s._Secret__hidden)  # 秘密（アクセス可能だが非推奨）

プロパティ

属性へのアクセスをカスタマイズできます：

class Circle:
    def __init__(self, radius):
        self._radius = radius

    @property
    def radius(self):
        return self._radius

    @radius.setter
    def radius(self, value):
        if value <= 0:
            raise ValueError("半径は正の値でなければなりません")
        self._radius = value

    @property
    def area(self):
        return 3.14159 * self._radius ** 2

circle = Circle(5)
print(circle.radius)  # 5
print(circle.area)    # 78.53975

circle.radius = 10
print(circle.area)    # 314.159

# circle.radius = -1  # ValueError

特殊メソッド（マジックメソッド）

ダブルアンダースコアで囲まれたメソッドで、特別な動作を定義できます。

よく使う特殊メソッド

メソッド 説明 使用例
__init__ コンストラクタ obj = Class()
__str__ 文字列表現 print(obj)
__repr__ 開発者向け表現 repr(obj)
__len__ 長さ len(obj)
__eq__ 等価比較 obj1 == obj2
__lt__ 小なり比較 obj1 < obj2
__add__ 加算 obj1 + obj2

実装例

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

    def __str__(self):
        return f"Vector({self.x}, {self.y})"

    def __repr__(self):
        return f"Vector({self.x!r}, {self.y!r})"

    def __add__(self, other):
        return Vector(self.x + other.x, self.y + other.y)

    def __eq__(self, other):
        return self.x == other.x and self.y == other.y

    def __len__(self):
        return int((self.x ** 2 + self.y ** 2) ** 0.5)

v1 = Vector(3, 4)
v2 = Vector(1, 2)

print(v1)           # Vector(3, 4)
print(v1 + v2)      # Vector(4, 6)
print(v1 == v2)     # False
print(len(v1))      # 5

データクラス（Python 3.7+）

シンプルなクラスを簡潔に定義できます：

from dataclasses import dataclass

@dataclass
class Person:
    name: str
    age: int
    city: str = "Tokyo"

# 自動的に__init__, __repr__, __eq__が生成される
person = Person("Taro", 25)
print(person)  # Person(name='Taro', age=25, city='Tokyo')

person2 = Person("Taro", 25)
print(person == person2)  # True

クラスメソッドと静的メソッド

クラスメソッド

クラス自体を操作するメソッド：

class Person:
    population = 0

    def __init__(self, name):
        self.name = name
        Person.population += 1

    @classmethod
    def get_population(cls):
        return cls.population

    @classmethod
    def from_dict(cls, data):
        return cls(data["name"])

p1 = Person("Taro")
p2 = Person("Hanako")
print(Person.get_population())  # 2

data = {"name": "Jiro"}
p3 = Person.from_dict(data)
print(p3.name)  # Jiro

静的メソッド

クラスやインスタンスに依存しないメソッド：

class Math:
    @staticmethod
    def add(a, b):
        return a + b

    @staticmethod
    def multiply(a, b):
        return a * b

print(Math.add(3, 5))       # 8
print(Math.multiply(3, 5))  # 15

まとめ

概念 説明 キーワード
クラス オブジェクトの設計図 class
インスタンス クラスから作られた実体 ClassName()
属性 オブジェクトのデータ self.name
メソッド オブジェクトの動作 def method(self):
継承 親クラスの機能を引き継ぐ class Child(Parent):
カプセル化 データを隠蔽する _private, __mangled
ポリモーフィズム 同じ操作で異なる動作 メソッドオーバーライド

重要ポイント

  1. クラスはオブジェクトの設計図、オブジェクトはその実体
  2. self はインスタンス自身を参照する
  3. __init__ はオブジェクト作成時に自動で呼ばれる
  4. 継承で既存クラスの機能を拡張できる
  5. カプセル化でデータを保護する

練習問題

問題1: 基本

Rectangle クラスを作成してください。幅と高さを属性として持ち、面積を計算する area() メソッドと周囲の長さを計算する perimeter() メソッドを実装してください。

問題2: 継承

Shape という親クラスを作り、Rectangle と Circle の子クラスを作成してください。それぞれに area() メソッドを実装してください。

チャレンジ問題

銀行口座を表す BankAccount クラスを作成してください。以下の機能を実装してください：

  • 残高の初期化
  • 入金（deposit）
  • 出金（withdraw）：残高不足の場合はエラーメッセージを表示
  • 残高照会（get_balance）
  • 取引履歴の記録と表示

参考リンク

次回予告: Day 7では「モジュールとパッケージ」について学びます。コードを整理し、再利用可能にしましょう！