Python Class

프로그래밍을 하다 보면 어떤 변수를 함수 내부에서 한 번 쓰고 버려도 되는 게 있고 어떤 변수는 지속적으로 사용되거나 업데이트 된다. 함수가 끝나도 어떤 변수가 사라지지 않고 유지가 되게 하려면 클래스(class)를 써야 한다. 객체지향프로그래밍(OOP, Object Oriented Programming) 언어에서 클래스는 데이터(=변수)와 그 데이터를 처리하는 메소드(=함수)를 합쳐 객체(instance)를 만든다.

클래스는 프로그래밍에서 데이터를 객체화(instantiate)하고 비슷한 데이터와 함수의 조합을 다양하게 재사용할 수 있도록 돕는다. 일반적으로 객체지향적인 방식으로 클래스를 사용하면 코드의 가독성이 좋아지고 코드의 수정/변경이 쉬워진다. 여기서는 객체지향 프로그래밍까지는 다루지 않고 파이썬의 클래스 문법만 살펴본다.

1. 클래스 사용법

파이썬에서 클래스는 class라는 키워드로 시작하며 함수와 마찬가지로 들여쓰기로 클래스 정의의 범위를 지정한다. 간단한 예시를 통해 클래스 정의 방법을 알아보자. 예를 들어 어떤 게임에서 강아지 캐릭터가 있다면 이름과 위치에 대한 데이터가 있을거고 짖거나 이동하는 동작이 있을 것이다. 이를 객체로 구현하면 다음과 같다.

class Dog:
    def __init__(self, name):
        self.name = name	# declare member variables
        self.position = 0
    def bark(self):
        print(f"{self.name}: Wal! Wal!")
    def move(self, distance):
        self.position += distance
        print(f"{self.name} is at {self.position}")

puppy = Dog("dangdang")
puppy.bark()	# => dangdang: Wal! Wal!
puppy.move(10)	# => dangdang is at 10
print("current position:", puppy.position)	# => current position: 10

생성자 함수 __init__

파이썬은 특정 기능을 특정 이름에 지정해 놓은 경우가 많은데 클래스 안에 __init__은 생성자 역할을 하여 객체가 생성될 때 자동으로 실행된다. 입력인자를 받을 수 있으나 출력(return)을 할 순 없다. 주로 멤버 변수를 선언하고 초기화 하는데 사용한다. __init__외에 다른 함수에서도 멤버 변수를 추가할 순 있으나 파이썬에서는 가급적 __init__에서 모든 멤버 변수를 미리 선언할 것을 권장한다.

Self는 무엇?

클래스의 모든 함수에 공통적인 입력 인자가 보이는데 self라는 변수다. static 함수를 제외하고 모든 클래스 멤버 함수에 첫 번째 인자로 self를 넣어야 한다. 이것은 C++ 클래스의 this와 비슷하다고 보면 된다. self는 객체 자신을 의미하는 것이며 객체의 함수나 변수는 self를 통해서만 접근할 수 있다. move라는 함수에서 position 변수에 접근하기 위해 self.position이라고 썼다. 함수 안에서 다른 함수를 부를 때도 self를 쓴다.

self라는 입력 인자는 함수를 호출할 때 직접 객체를 입력하는 것이 아니고 호출한 객체가 자동으로 들어간다. 예를 들면 puppy.bark()를 호출했을 때 첫 번째 인자인 self에 puppy가 들어가고 puppy.move(10)를 호출했을 때는 self, distance에 puppy, 10이 각각 들어간다.

사용법

self가 들어갈 뿐 함수를 쓰는 방법은 일반적인 함수를 정의하는 것과 크게 다르지 않다. 클래스를 사용하는 방법은 다른 언어와 비슷하다. 객체를 생성할 때는 ()를 써야하며 생성자의 입력인자가 있다면 입력 값을 넣어준다. 생성된 객체 뒤에 .을 통해 내부 함수를 실행하거나 내부 변수에 접근할 수 있다. 파이썬은 포인터가 없으므로 (사실 모두 포인터이므로) ->는 쓰지 않는다.

클래스와 객체

클래스와 객체(instance)의 관계는 붕어빵에 비유할 수 있다. 붕어빵을 찍어낼 수 있는 빵틀은 클래스라 할 수 있고 이를 통해 생성된 실체인 붕어빵은 객체에 해당한다. 위 예시에서 Dog는 클래스고 puppy는 객체이다. 클래스는 형식이고 객체는 구현이다.

2. 상속과 다형성

OOP를 하는데 있어서 핵심적인 문법이 상속(inheritance)과 다형성(polymorphism)이다. 상속이란 클래스 사이에 부모와 자식 혹은 상위와 하위 관계가 있어서 자식 클래스는 부모 클래스의 함수와 변수를 물려받는다. 다형성이란 형태는 같은데 다른 일을 하는 함수가 여러개 있을 수 있다는 것이다. 상속을 통해 부모 클래스에서 받은 메소드들을 오버라이딩(overriding)을 통해 바꿔쓸 수 있다는 것이다. OOP는 상속과 다형성을 통해 코드를 절약하고 기능을 한 곳으로 응집시켜서 버그를 줄이고 변화에 강인한 코드를 만든다. 예제를 통해 알아보자.

print("===== object oriented programming")
class Animal:
    def __init__(self, name):
        self.name = name
    def introduce(self):
        print("my name is", self.name)
    def sound(self):
        print("...")
class Cow(Animal):
    def __init__(self, name):
        super().__init__(name)
    def sound(self):
        print("ummer~~~")
class Cat(Animal):
    def __init__(self, name):
        super().__init__(name)
    def sound(self):
        print("nyaong~~")

cow = Cow("cow1")
cow.introduce()
cow.sound()
animals = [Animal("ani"), Cow("cow2"), Cat("cat")]
for ani in animals:
    ani.introduce()
    ani.sound()

• Animal은 부모클래스고 Cat, Cow는 자식클래스다. 상속을 받을 때는 class 자식클래스(부모클래스) 형식으로 선언한다.
• 자식의 생성자에서 super().__init__(name)는 부모클래스의 생성자를 호출한다는 것이다. 이를통해 굳이 자식에서 self.name=name 라는 똑같은 코드를 쓰지 않아도 부모클래스의 생성자를 실행해 같은 기능을 수행할 수 있다.
• Cat, Cow는 Animal로부터 introduce()라는 메소드를 물려받아 그대로 사용하기 때문에 자식클래스에 introduce()를 다시 정의하지 않아도 introduce()를 쓸 수 있다.
• Cat, Cow는 Animal로부터 sound()라는 메소드를 물려받아 이를 오버라이딩(overriding)하여 함수의 기능을 수정하였다. 셋 다 sound()라는 똑같은 함수를 실행해도 다른 기능을 한다.
• for loop을 돌때 함수의 형식이 같기 때문에 어떤 클래스의 객체든 상관없이 introduce(), sound()가 실행된다.

연습문제

위의 Animal, Cow, Cat 클래스 예시처럼 각자에게 친숙하면서도 개성적인 객체를 클래스로 구현하고 이를 사용해보시오. 상속구조를 가진 계층화된 클래스를 구현하고 함수 오버라이딩을 활용하여 같은 함수로 다른 기능을 하는 객체들을 구현하시오.

파일 입출력

파이썬의 파일 입출력은 매우 간편하다. 간단한 예시를 통해 파일 입출력을 경험해보자.

fout = open("testfile.txt", "w")
fout.write("I think Microsoft named .Net so it wouldn’t show up in a Unix directory listing.")
fout.close()
print("file was written")

fin = open("testfile.txt", "r")
contents = fin.read()
fin.close()
print(contents)

파일을 열고(open) 쓰고(write) 닫고(close), 파일을 열고(open) 읽고(read) 닫고(close) 이게 거의 전부다. 맨 아래 print를 통해 출력되는 문장은 파일 내용을 읽어서 출력한 것이다.

1. 파일 열기

프로그래밍에서 파일을 연다는 것은 파일을 읽거나 쓸수 있는 객체를 생성한다는 것이다. 파이썬에서는 open()이라는 함수로 파일 객체를 만들수 있다. open()의 프로토타입은 다음과 같다.

open(file, mode='r', buffering=-1, encoding=None, errors=None, newline=None, closefd=True, opener=None)

• file: 파일 이름을 입력한다. 파일의 경로명과 확장자까지 모두 들어가야 하며 절대경로와 상대경로 모두 지원한다.
• mode: 파일을 다룰 모드를 지정한다.
  • r: 읽기 모드로서 file이 존재해야만 한다. 존재하지 않을 시 FileNotFoundError가 난다.
  • w: 쓰기 모드로서 파일이 없으면 새 파일을 만들고 있으면 기존 내용을 지우고 빈 파일을 만든다.
  • a: 추가 모드로서 기존 내용을 보존하고 기존 내용 끝에 새 내용을 추가한다.
• encoding: 문자열은 결국 바이트 코드로 저장이 되는데 문자열을 바이트 코드로 변환하는 과정을 인코딩, 반대 과정을 디코딩이라 한다. 인코딩 방식이 매우 다양한데 방식을 지정하지 않으면 운영체제 기본 값이 들어간다. 윈도우에서는 cp949라는 인코딩이 기본인데 이는 윈도우에만 주로 쓰는 것이고 가장 보편적인 인코딩은 utf-8이다. 플랫폼 독립적인 코드를 만들기 위해서는 인코딩에도 신경을 써야한다.

더 자세한 내용은 open()에 대한 파이썬 공식문서를 참고하자.

만약 없는 파일을 열려고 하면 어떻게 될까? 쓰기 모드는 새 파일을 만들지만 읽기 모드에서는 에러가 난다. 실제 개발을 할때는 아래 예시처럼 예외처리를 하기보다는 파일이 있는지를 내장 패키지 함수를 통해 확인 후 열게 된다.

try:
    f = open("nofile.txt", "r")
except FileNotFoundError as fe:
    print(fe)

파일을 열 때 위 예시처럼 fp = open(filename, mode) 이렇게 열어도 되지만 이 경우 반드시 fp.close()를 실행해야 한다. 코딩을 하다보면 이걸 깜빡하기 쉬운데 이렇게 열고 닫아야 하는 코드가 있을 경우 파이썬에서는 context manager라는 기능을 쓴다. with라는 키워드로 파일 객체를 생성하고 그 아래 들여쓰기 블록에서 파일 객체를 사용하고 그 블록을 빠져나가면 자동으로 파일 객체가 파괴(close)된다. 아래 예시를 보면 쉽게 이해할 수 있다. 열린 객체를 fr로 받고 아래 블록에서 객체를 사용하고 블록을 나가면 자연스럽게 객체가 닫힌다.

with open("testfile.txt", "r") as fr:
    data = fr.read()
    print("check closed under 'with':", fr.closed)
    print(data)

print("check closed outside 'with':", fr.closed)

2. 파일 쓰기

파이썬 파일 입출력 객체는 단순하게 write()라는 함수에 문자열을 입력하면 파일에 문자열이 출력된다. 파이썬이 워낙 문자열을 잘 다루다 보니 굳이 숫자를 직접 출력하는 함수는 만들지 않은 듯 하다. 문자열의 리스트를 갖고 있다면 writelines()를 쓸 수도 있다. 로이킴의 봄봄봄 가사를 파일에 써보자. 여러 줄을 하나의 문자열로 한번에 넣을 수도 있지만 문자열의 리스트로 먼저 가사를 쓴 후 파일에 출력해보자. 하는 김에 줄 번호도 같이 출력해보자.

springx3 = ["봄 봄 봄 봄이 왔네요",
            "우리가 처음 만났던 그때의 향기 그대로",
            "그대가 앉아 있었던 그 벤치 옆에 나무도 아직도 남아있네요",
            "살아가다 보면 잊혀질 거라 했지만",
            "그 말을 하면 안될거란걸 알고 있었소",
            "그대여 너를 처음 본 순간 나는 바로 알았지",
            "그대여 나와 함께 해주오 이 봄이 가기 전에"]

print("\nwrite lyrics into file")
with open("springx3.txt", "w") as f:
    for i, line in enumerate(springx3):
        f.write(f"{i:2}:" + line + "\n")

3. 파일 읽기

파이썬 파일 입출력 객체는 세 가지 읽기 함수를 제공한다.

1. read(size=-1): size에 해당하는 byte만큼 파일을 읽어 하나의 str 객체로 리턴한다. 기본 값 -1로 두면 파일 끝까지 읽는다.
2. readline(): 파일을 한 줄씩 str 객체로 읽는다. 다 읽으면 None을 출력한다.
3. readlines(): 전체 파일을 한 줄씩 str 객체로 읽어서 list of str을 출력한다.

위 세 가지 함수를 이용해 봄봄봄 가사를 파일로부터 읽어와 출력하는 함수를 만들어보자.

1) read()

print("use read")
with open("springx3.txt", "r") as f:
    lyrics = f.read()
    print(lyrics)

2) readline()

print("use readline")
with open("springx3.txt", "r") as f:
    lyrics = []
    line = f.readline()
    while line:
        line = line.rstrip("\n")
        lyrics.append(line)
        line = f.readline()
print("\n".join(lyrics))

3) readlines()

print("use readlines")
with open("springx3.txt", "r") as f:
    lyrics = f.readlines()
    lyrics = [line.rstrip("\n") for line in lyrics]
    print("\n".join(lyrics))

연습문제

다음 코드에서 matrix_str은 2x2 행렬을 나타내는 문자열이다. 이를 파일로 출력 후 다시 파일을 읽어서 2중 리스트에 저장한 후 행렬의 determinant를 구하시오. 파일을 읽고 쓸때 with 키워드를 이용하시오.

matrix_str = "4 2\n5 3"
# matrix.txt 에 저장

# 파일 읽어서 matrix에 2중 리스트로 저장

print("read matrix:", matrix)
# => read matrix: [[4, 2], [5, 3]]
# determinant 계산