Objektorientierung / Visualisierung mit Python

Parameter	Kursinformationen
Veranstaltung:	@config.lecture
Semester	@config.semester
Hochschule:	`Technische Universität Freiberg`
Inhalte:	`Visualisierung mit Python`
Link auf Repository:	https://github.com/TUBAF-IfI-LiaScript/VL_EAVD/blob/master/11_DatenAnalyse.md
Autoren	@author

Fragen an die heutige Veranstaltung ...

Wie lassen sich die Konzepte der OOP in Python ausdrücken?
Welche spezifischen Einschränkungen gibt es dabei?
Welche Grundkonzepte stehen hinter der Programmierung von Grafiken?
Wie geht man bei der Erschließung von unbekannten Methoden sinnvoll vor?

Organisatorisches

Wer von Ihnen ist Hörerinnen und Hörer der Vorlesung Einführung in die Informatik?
Bitte bringen Sie sofern möglich Ihre Notebooks zu den Übungen mit. Installieren Sie darauf bereits Python mittels Anaconda.
In der letzten Übung wird eine Zusammenfassung der behandelten Inhalte angeboten. Dabei wird insbesondere auf die Objektorientierung unter C++ eingegangen.

Objektorientierung in Python

Klassen werden verwendet, um benutzerdefinierte Datenstrukturen zu erstellen und definieren Funktionen, sogenannte Methoden, die das Verhalten und die Aktionen identifizieren, die ein aus der Klasse erstelltes Objekt mit seinen Daten ausführen kann.

Eine kurze Auffrischung Ihrer Erinnerungen zur objektorientierter Programmierung in C++ ...

#include <iostream>

class Rectangle {
  private:
    float width, height;
  public:
    Rectangle(int w, int h){
        if ((w > 0) & (h > 0)) {
                this->width = w;
                this->height = h;
        }else{
                this->width = w;
                this->height = h;
        }
    }
    float area() {return width*height;}
    Rectangle operator+=(Rectangle offset) {
       float ratio = (offset.area() + this->area()) / this->area();
       this->width = ratio *  this->width;
       return *this;
    }
};

int main () {
  Rectangle rect_a(3,4);
  Rectangle rect_b(1,3);
  std::cout << "Fläche a : " << rect_a.area() << "\n";
  std::cout << "Fläche b : " << rect_b.area() << "\n";
  rect_a += rect_b;
  std::cout << "Summe    : " << rect_a.area();

  return 0;
}

@LIA.eval(["main.cpp"], g++ -Wall main.cpp -o a.out, ./a.out)

Zeile	Bedeutung
3-22	Definition der Klasse `Rectangle` (Schablone für Daten, Methoden, Operatoren)
5	Gekapselte Daten der Klasse, diese sind "von Außen" nicht sichtbar
7	Konstruktor mit Evaluation der übergebenen Parameter
16	Methode über den Daten der Klasse
17	Individueller Operator `+` mit einer spezifischen Bedeutung
25-28	Generierung von Objekten mittels Konstruktoraufruf und Parameterübergabe

Objektorientierte Programmierung (OOP) ist ein Paradigma, das über die Ideen der Prozeduralen Programmierung hinaus geht. Es definiert Objekte und deren Verhalten. Dabei baut es auf 3 zentralen Grundprinzipien auf:

Kapselung Objekte kapseln ihre Daten, Operatoren, Methoden usw. sofern diese nicht als "öffentlich" deklariert sind.

Was intern passiert bleibt intern!

Vererbung Objekte können "Fähigkeiten" an andere, speziellere Objekte weitergeben.

Von wem hat er das denn wohl?

Polymorphismus Objekte werden durch Kapselung und Vererbung austauschbar!

Was bist denn Du für einer?

Vorteile der objektorientierten Programmierung

höhere Wartbarkeit durch Abstraktion
Wiederverwendbarkeit von Code (je mehr desto kleiner und allgemeiner die Objekte gehalten sind)
schlanker und übersichtlicher Code durch Vererbung

Warum also nicht immer objektorientiert entwickeln?

OOP verführt ggf. dazu, das eigentliche Problem durch eine aufwändigen Entwurf unnötig zu verkomplizieren. Dabei ist die Entwicklung der Gesamtstruktur eines komplexen Softwareprojektes aus n Objekten eine Kunst und braucht viel Übung! Erst, wenn man entsprechende Regeln kennt und sinnvoll anwendet, zeigen sich die Vorteile des Paradigmas.

... und in Python?

In Python ist alles ein Objekt!

import inspect

i=5

for name, data in inspect.getmembers(i):
    if name == '__builtins__':
        continue
    print(f'{name} - {repr(data)}')

@LIA.eval(["main.py"], none, python3 main.py)

Klassen in Python

Alle Klassendefinitionen beginnen mit dem Schlüsselwort class, gefolgt vom Namen der Klasse und einem Doppelpunkt. Jeder Code, der unterhalb der Klassendefinition eingerückt ist, wird als Teil des Klassenhauptteils betrachtet.

Analog zu C++ nutzt Python für die Interaktion mit den Klassenelementen ein dot notation.

import inspect

class Dog:    # Schlüsselwort "class"
    family = "Canidae"
    name = "Bello"
    age = 5

i = Dog()
print(i.species)
i.name = "Russel"
print(i.name)

for name, data in inspect.getmembers(i):
    if name == '__builtins__':
        continue
    print(f'{name} - {repr(data)}')

@LIA.eval(["main.py"], none, python3 main.py)

Aufgabe: Erläutern Sie die Ausgabe folgenden Codes. Wie müssen wir das Ergebnis interpretieren?

import inspect

class Dog:  
    family = "Canidae"
    name = "Bello"
    age = 5

i = Dog()
j = Dog()

print(i == j)

@LIA.eval(["main.py"], none, python3 main.py)

OOP Grundelemente in Python

Frage: Für welche Aufgaben ist der Konstruktor in einer Klasse verantwortlich?

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

i = Dog("Rex", 5)
print(i.name, i.family, i.age)

@LIA.eval(["main.py"], none, python3 main.py)

Instanzmethoden sind Funktionen, die innerhalb einer Klasse definiert sind und nur von einer Instanz dieser Klasse aufgerufen werden können. Genau wie bei __init__() ist der erste Parameter einer Instanzmethode immer self.

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

    def makeSound(self):     # : nicht vergessen!
        print(f"{self.name} says Wuff")

i = Dog("Rex", 5)
i.makeSound()

@LIA.eval(["main.py"], none, python3 main.py)

Aufgabe: Schreiben Sie eine Methode, so dass eine Instanz von Dog in Abhängigkeit von ihrem Alter schläft. Recherchieren Sie dazu unter python delay die notwendigen Methoden der time Klasse.

Wie Sie bereits bei der Inspektion der list, int aber auch der Dog Klassen gesehen haben, existiert eine Zahl von vordefinierten Funktionen - die sogenannten dunder Methods. Das Wort dunder leitet sich von double underscore ab.

Methode	Typ	implementiert
`__init__()`	Konstruktor
`__str__()`	Methode	Generiert einen String aus den Objektdaten
...
`__add__()`	Operator Obj + Obj	Arithmetische Operation
...
`__eq__()`	Operator Obj == Obj	Logische Operation
`__lt__()`	Operator Obj <= Obj
...

Eine gute Einführung und detailierte Erklärung liefert Link

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

i = Dog("Rex", 5)
print(i)

@LIA.eval(["main.py"], none, python3 main.py)

Kapselung

Python nutzt zwei führende Unterstriche, um Methoden und Variablen als private zu markieren.

class A:
	def method_public(self):
		print("This is a public method")

	def __method_private(self):
		print("This is a private method")

obj = A()
obj.method_public()

@LIA.eval(["main.py"], none, python3 main.py)

Auf private Methoden einer Klasse kann weder außerhalb der Klasse noch von irgendeiner Basisklasse aus zugegriffen werden kann.

Wie können wir die private Methode überhaupt aufrufen?

Vererbung

Was stört Sie an folgendem Codebeispiel?

class Student:
  def __init__(self, fname, lname):
    self.firstname = fname
    self.lastname = lname

  def printname(self):
    print("Student -", self.firstname, self.lastname)


class StaffMember:
  def __init__(self, fname, lname):
    self.firstname = fname
    self.lastname = lname

  def printname(self):
    print(self.firstname, self.lastname)

Humboldt = Student("Alexander", "Humboldt")
Cotta = StaffMember("Bernhard", "von-Cotta")

Humboldt.printname()
Cotta.printname()

@LIA.eval(["main.py"], none, python3 main.py)

Vererbung überträgt das Verhalten einer Basisklasse auf eine abgeleitete Klasse. Dadurch wird redundanter Code gespart.

class Person:
  def __init__(self, fname, lname):
    self.firstname = fname
    self.lastname = lname
  
  def printname(self):
    print(self.firstname, self.lastname)

class Student(Person):
   pass

class StaffMember(Person):
   pass

Humboldt = Student("Alexander", "Humboldt")
Cotta = StaffMember("Prof. - " "Bernhard", "von-Cotta")

Humboldt.printname()
Cotta.printname()

@LIA.eval(["main.py"], none, python3 main.py)

Python und C++ mit Blick auf OOP Konzepte

Das Konzept der Überladung wird in Python nicht nativ unterstützt!

class Dog:  
  family = "Canidae"
  def __init__(self, *args):
    if len(args)>0:
      if isinstance(args[0], str):
        self.name = args[0]
      else:
        print("Der Datentyp passt nicht für die Variable Name!")
    else:
      self.name = "-"

i = Dog()
print(i.name, i.family)
j = Dog("Fido")
print(j.name, j.family)

@LIA.eval(["main.py"], none, python3 main.py)

Private ist nicht wirklich private

class A:
	def fun(self):
		print("This is a public method")

	def __fun(self):
		print("This is a private method")

obj = A()
obj.fun()
obj._A__fun()   # <- Name Mangling  "_classname__function"

@LIA.eval(["main.py"], none, python3 main.py)

OOP Beispiel

Nehmen wir an, dass wir eine Liste von Vorname erzeugen wollen. Dabei soll sichergestellt werden, dass diese unabhängig von den Eingaben der Bediener vergleichbar sind. Zudem sollen fehlerhafte Eingaben, die zum Beispiel Zahlen enthalten erkannt und gefiltert werden.

class NameList(list):
  def __init__(self):
    super().__init__()

  def append(self, item):
    if isinstance(item, str):
      if item.isalpha():
        super().append(item.lower())
      else:
        print("Wrong data type!")

  def uniques(self):
    return set(self)

A = NameList()
A.append("Jannes")
A.append("linda")
A.append("Moritz")
A.append("MORITZ")
print(A)
print(A.uniques())

@LIA.eval(["main.py"], none, python3 main.py)

Dafür schreiben wir eine abgeleitet Listenklasse mit einer eigenen Implementierung von append().

Aufgabe Erweitern Sie die Implementierung auf die extend() Methode der Listen.

Datenvisualisierung

In der vergangenen Woche haben wir Ihre Zugehörigkeit zu verschiedenen Studiengängen eingelesen und analysiert Link L09.

Auf die Frage hin, welche Häufigkeiten dabei auftraten, beantwortete unser Skript mit einem Dictonary:

{'S-UWE': 1, 'S-WIW': 18, 'S-GÖ': 9, 'S-VT': 2, 'S-BAF': 3, 'S-WWT': 8, 'S-NT': 4, 
 'S-ET': 3, 'S-MB': 1, 'S-FWK': 3, 'F1-INF': 2, 'S-BWL': 2, 'S-MAG': 4, 'F2-ANCH': 3, 
 'S-ACW': 4, 'S-GTB': 4, 'S-GBG': 5, 'S-GM': 2, 'S-ERW': 1, 'S-INA': 1, 'S-MORE': 1,
  'S-CH': 1}

Studiengang	Anzahl
'S-UWE'	1
'S-WIW'	18
'S-GÖ'	9
'S-VT'	2
'S-BAF'	3
'S-WWT'	8
'S-NT'	4
'S-ET'	3
'S-MB'	1
'S-FWK'	3
'F1-INF'	2
'S-BWL'	2
'S-MAG'	4
'F2-ANCH'	3
'S-ACW'	4
'S-GTB'	4
'S-GBG'	5
'S-GM'	2
'S-ERW'	1
'S-INA'	1
'S-MORE'	1
'S-CH'	1

Die textbasierte Ausgabe ist nur gering geeignet, um einen raschen Überblick zu erlangen. Entsprechend suchen wir nach einer grafischen Ausgabemöglichkeit für unsere Python Skripte.

Python Visualisierungstools

Python stellt eine Vielzahl von Paketen für die Visualisierung von Dateninhalten bereit. Diese zielen auf unterschiedliche Visionen oder Features:

einfache Verwendbarkeit
große Bandbreite von Diagrammarten und Adaptionsmöglichkeiten
interaktive Diagramme
Vielzahl von Exportschnittstellen

Package	Link	Besonderheiten
plotly	Link	Fokus auf interaktive Diagramme eingebettetet in Webseiten
seaborn	Link	Leistungsfähige Darstellung von statistischen Daten
matplotlib	Link
...

Matplotlib Grundlagen

import matplotlib.pyplot as plt

a = [5,6,7,9,12]
b =[x**2 for x in a]   # List Comprehension
plt.plot(a, b)

#plt.show()  
plt.savefig('foo.png') # notwendig für die Ausgabe in LiaScript

@LIA.eval(["main.py"], none, python3 main.py)

Anpassung	API
Linientyp der Datendarstellung	pyplot.plot	`plt.plot(a, b, 'ro:')`
Achsenlabel hinzufügen	pyplot.xlabel	`plt.xlabel('my data', fontsize=14, color='red')`
Titel einfügen	pyplot.title	`plt.title(r'$\sigma_i=15$')`
Gitter einfügen	pyplot.grid	`plt.grid()`
Legende	pyplot.legend	`plt.plot(a, b, 'ro:', label="Data")`
		`plt.legend()`
Speichern	pyplot.savefig	`plt.savefig('foo.png')`

Weiter Tutorials sind zum Beispiel unter

!?MatplotlibTutorial

Matplotlib Beispiele

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

N = 21
x = np.linspace(0, 10, 11)
y = [3.9, 4.4, 10.8, 10.3, 11.2, 13.1, 14.1,  9.9, 13.9, 15.1, 12.5]

# fit a linear curve an estimate its y-values and their error.
a, b = np.polyfit(x, y, deg=1)
y_est = a * x + b
y_err = x.std() * np.sqrt(1/len(x) +
                          (x - x.mean())**2 / np.sum((x - x.mean())**2))

fig, ax = plt.subplots()
ax.plot(x, y_est, '-')
ax.fill_between(x, y_est - y_err, y_est + y_err, alpha=0.2)
ax.plot(x, y, 'o', color='tab:brown')

#plt.show()  
plt.savefig('foo.png') # notwendig für die Ausgabe in LiaScript

@LIA.eval(["main.py"], none, python3 main.py)

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

def f(t):
    return np.exp(-t) * np.cos(2*np.pi*t)

t1 = np.arange(0.0, 5.0, 0.1)
t2 = np.arange(0.0, 5.0, 0.02)

plt.figure()
plt.subplot(211)
plt.plot(t1, f(t1), 'bo', t2, f(t2), 'k')

plt.subplot(212)
plt.plot(t2, np.cos(2*np.pi*t2), 'r--')
#plt.show()  
plt.savefig('foo.png') # notwendig für die Ausgabe in LiaScript

@LIA.eval(["main.py"], none, python3 main.py)

Beispiel der Woche

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# Fixing random state for reproducibility
np.random.seed(19680801)

dt = 0.01
t = np.arange(0, 30, dt)
nse1 = np.random.randn(len(t))                 # white noise 1
nse2 = np.random.randn(len(t))                 # white noise 2

# Two signals with a coherent part at 10 Hz and a random part
s1 = np.sin(2 * np.pi * 10 * t) + nse1
s2 = np.sin(2 * np.pi * 10 * t) + nse2

fig, axs = plt.subplots(2, 1)
axs[0].plot(t, s1, t, s2)
axs[0].set_xlim(0, 2)
axs[0].set_xlabel('Time')
axs[0].set_ylabel('s1 and s2')
axs[0].grid(True)

cxy, f = axs[1].cohere(s1, s2, 256, 1. / dt)
axs[1].set_ylabel('Coherence')

fig.tight_layout()

#plt.show()
plt.savefig('foo.png')

@LIA.eval(["main.py"], none, python3 main.py)

Quiz

Objektorientierung in Python

Für welche der genannten Grundprinzipien der objektorientierten Programmierung treffen folgende Aussagen zu:

[[Kapselung] [Vererbung] [Polymorphie] ] [( ) ( ) (X) ] Welche konkrete Implementierung der Methode aufgerufen wird, hängt davon ab mit welchem konkreten Objekt sie aufrufen wird. [(X) ( ) ( ) ] Objekte schützen ihre Daten und Methoden sofern diese nicht als "öffentlich" deklariert sind. [( ) (X) ( ) ] Objekte können ihre Daten und Methoden an andere, spezielle Objekte weitergeben.

Klassen in Python

Mit welchem Schlüsselwort beginnen Klassendefinitionen in Python? [[class]]

Wodurch muss [_____] ersetzt werden, um den Nachnamen von Student neuer auszugeben?

class Student:
    lastName = "Neuer"
    firstName = "Markus"
    age = 20

neuer = Student()
print([_____])

[[neuer.lastName]]

OOP Grundelemente in Python

Wie lauten die Ausgaben foldender Programme?

class Player:
    health = 100
    exp = 10

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


p1 = Player("Peter", 2)
p2 = Player("Frank", 6)
print(p2.level, p2.exp)

[[6 10]]

class Player:
    health = 100
    exp = 10

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

    def level_up(self):
        self.level += 1
        self.exp = 0


p1 = Player("Peter", 2)
p2 = Player("Frank", 6)
p2.level_up()
print(p2.level, p2.exp)

[[7 0]]

Welche dieser Methoden ist eine dunder Method?

[(X)] __sum__ [( )] sum [( )] _sum [( )] _sum_

Kapselung

Welche der im folgenden Code aufgeführten Methoden und Variablen sind öffentlich und welche privat?

class Dog:
  def bark(self):
      print("woof")

  def __bark_loud(self):
    print("WOOF!")

Fifi = Dog()
Fifi.bark_loud()

[[bark()] [__bark_loud()] ] [(X) ( ) ] öffentlich [( ) (X) ] privat

Was ist die Ausgabe des oben gezeigten Codes? [( )] woof [( )] WOOF! [(X)] Das Programm wird mit einem Error abgebrochen

Ist es in Python grundsätzlich möglich auch private Methoden auszuführen? [(X)] Ja [( )] Nein

Wordurch muss [_____] ersetzt werden, um die Methode __bark_loud() auszuführen?

class Dog:
  def bark(self):
      print("woof")

  def __bark_loud(self):
    print("WOOF!")

Fifi = Dog()
Fifi.[_____]

[[_Dog__bark_loud()]]

Vererbung

Wodurch muss [_____] ersetzt werden, um eine neue Klasse Auto zu erstellen, die das Verhalten der Klasse Fahrzeug erbt?

class Fahrzeug:
  def __init__(self, ps):
    self.ps = ps

class [_____]:
   pass

a1 = Auto(70)

[[Auto(Fahrzeug)]]

Datenvisualisierung

Matplotlib Grundlagen

Wodurch muss [_____] ersetzt werden, um einen plot mit dem Jahr auf der X-Achse und der Anzahl der Tassen Tee auf der Y-Achse zu erstellen?

import matplotlib.pyplot as plt

year = [2000, 2001, 2002, 2003, 2004]
ttg =[232, 533, 433, 410, 450] # Tassen Tee getrunken
plt.[_____]

plt.show()

[[plot(year, ttg)]]

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