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eidp-2023/Tutorium/tut08/README.md
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2023-12-08 04:17:34 +01:00

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true true invert Tutorium 08 - 08.12.2023 - Nils Pukropp - https://s.narl.io/s/tutorium-08

Tutorium 08

Exercise 07 - Korrektur Objekt-orientierte Programmierung Exercise 08 - Hilfe und Fragen

Exercise 07 - Musterlösung

Aufgabe 7.1 a)

def ask(s: str) -> Optional[bool]:
    match input(f"{s}? [Yes / No]: "):
        case "Yes" | "yes":
            return True
        case "No" | "no":
            return False
        case _:
            return None
  • Default-Case case _: oder exhaustive pattern matching
  • Keinen unnötigen Code-Duplikat mit |

Aufgabe 7.1 b)

class Operator(Enum):
    ADD = auto()
    MUL = auto()


def eval[T: (int, str)](t: tuple[Operator, T, T]) -> Optional[T]:
    match t:
        case (Operator.ADD, x, y):
            return x + y
        case (Operator.MUL, int(i), int(j)):
            return i * j
        case _:
            return None
  • Default-Case case _: oder exhaustive pattern matching
  • Generic T mit der Einschränkung T: (int, str) (nicht int | str!)

Aufgabe 7.1 c)

@dataclass
class Cons[T]:
    head: T
    tail: Optional["Cons[T]"] = None


type LList[T] = Optional[Cons[T]]

Hierbei gab es einige Verwirrung, was wahrscheinlich unter anderem an der Benennung lag

Aufgabe 7.1 c)

@dataclass
class Node[T]:
    value: T
    next: Optional['Node[T]'] = None


type LinkedList[T] = Optional[Node[T]]

Wobei jede Node auch einen Wert vom Typ T hat und weiß was die nächste Node in der Liste ist. Also ist Node quasi ein Eintrag in der Liste, der sich merkt was als nächstes kommt und einem Wert zugeordnet wird.

Aufgabe 7.1 c)

def tail[T](xs: LList[T]) -> LList[T]:
    match xs:
        case None:
            return None
        case Cons(_, tail):
            return tail

def len(xs: LList[Any]) -> int:
    match xs:
        case None:
            return 0
        case Cons(_, tail):
            return 1 + len(tail)

das geht aber auch schöner:

def next[T](xs: LinkedList[T]) -> LinkedList[T]:
    return xs.next if xs else xs

def len(xs: LinkedList[Any]) -> int:
    return 1 + len(xs.next) if xs else 0

Aufgabe 7.2 - BTree Definition

@dataclass
class Node[T]:
    mark: T
    left: Optional["Node[T]"] = None
    right: Optional["Node[T]"] = None


type BTree[T] = Optional[Node[T]]
  • Binärbaum
  • generisch und rekursiv definiert wie unsere LList[T]

Aufgabe 7.2 a)

def contains[T](tree: BTree[T], val: T) -> bool:
    return tree and (tree.m == val or contains(tree.left, val) or contains(tree.right, val))
  • wir testen ob der aktuelle tree eben None ist
  • dann testen wir ob der aktuelle Wert unserem gesuchten entspricht
  • Wenn das nicht der Fall ist laufen wir den Baum rekursiv ab
  • Wichtig ist dass man Links und Rechts abläuft, und nicht einen Zweig vergisst

Aufgabe 7.2 b)

def leaves[T](tree: BTree[T]) -> list[T]:
    match tree:
        case None:
            return []
        case Node(mark, None, None):
            return [mark]
        case Node(_, left, right):
            return leaves(left) + leaves(right)
  • exhaustive matchen oder default-case!

Aufgabe 7.2 - AST Definition

type AST = BTree[int | str]
  • Schlechtes Design, weil str kann alles sein, wir gehen nur davon aus dass es "+" oder "*" ist.
  • Man hätte auch einfach den Enum aus Aufgabe 1 verwenden können...
class Op(Enum):
    ADD = "+"
    MUL = "*"

type AST = BTree[int | Op]

Aufgabe 7.2 c)

def evaluate(tree: AST) -> Optional[int]:
    match tree:
        case Node(int(i), None, None):
            return i
        case Node("*" | "+", left, right):
            left = evaluate(left)
            right = evaluate(right)
            if left is None or right is None:
                return None
            if tree.mark == "+":
                return left + right
            else:
                return left * right
        case _:
            return None

def evaluate(tree: AST) -> Optional[int]:
    match tree:
        case Node(int(i), None, None):
            return i
        case Node(Op.MUL | Op.ADD, left, right) if left and right:
            left = evaluate(left)
            right = evaluate(right)
            if tree.mark == Op.ADD:
                return left + right
            else:
                return left * right
        case _:
            return None

Aufgabe 7.2 d)

def infix_str(tree: AST) -> str:
    match tree:
        case Node(int(i), _, _):
            return str(i)
        case Node(str(s), left, right):
            return f"({infix_str(left)} {s} {infix_str(right)})"
        case _:
            return ""
  • Das wichtigste war die Reihenfolge der Rekursiven aufrufe.
  • Hier also infix_str(left) + s + infix_str(right)
def prefix_str(tree: AST) -> str:
    match tree:
        case Node(int(i), _, _):
            return str(i)
        case Node(str(s), left, right):
            return f"({s} {prefix_str(left)} {prefix_str(right)})"
        case _:
            return ""

def postfix_str(tree: AST) -> str:
    match tree:
        case Node(int(i), _, _):
            return str(i)
        case Node(str(s), left, right):
            return f"({postfix_str(left)} {postfix_str(right)} {s})"
        case _:
            return ""

Fragen?

Probleme bei Exercise 07

  • Generics T wurden unnötig verwendet
    • Ihr müsst keine Generics verwenden wenn nicht nötig
    • Sowas wie T: int ist unnötig, schreibt einfach direkt int
  • Rekursion als Konzept - dabei hilft nur Üben
    • begegnet einem aber auch unglaublich selten in der echten Welt
    • wenn es Verständnis-Fragen gibt einfach melden
  • @dataclass mit Enum verwendet (dabei geht alles kaputt)

Objekt orientiertes Programmieren - OOP

Definitionen in der OOP - Klassen

  • Eine Klasse ist wie ein Bauplan
  • Jede Klasse definiert die Eigenschaften und das Verhalten
  • Verhalten sind Methoden also def
  • Eigenschaften sind Attribute, int, float, str, list, ...
  • Die Eigenschaften definieren den Zustand
  • Eigenschaften können sich ändern

Beispiel - Cat

from dataclasses import dataclass

@dataclass
class Cat:
    age: int
    weight: float
    name: str

    def meow(self):
        print("Meow")

Beispiel - Dog

from dataclasses import dataclass

@dataclass
class Dog:
    age: int
    weight: float
    name: str

    def woof(self):
        print("Woof")

Objekte erzeugen

dog = Dog(age=3, weight=50.0, name="dog")
cat = Cat(age=7, weight=4.5, name="cat")
dog.woof() # Woof
cat.meow() # Meow

Objekte erzeugen

dog = Dog(3, 50.0, "dog")
cat = Cat(7, 4.5, "cat")
dog.woof() # Woof
cat.meow() # Meow

Zustand ändern

cat.age = 8
print(cat.age) # 8

Vererbung

  • Was haben Cat und Dog gemeinsam?
    • age
    • weight
    • name

=> Lösung ist eine Oberklasse Animal

Vererbung - Animal

@dataclass
class Animal:
    age: int
    weight: int
    name: str

@dataclass
class Cat(Animal):
    pass

@dataclass
class Dog(Animal):
    pass

Bisher in der Vorlesung

def make_noise(animal: Animal):
    match animal:
        case Dog():
            print("Woof")
        case Cat():
            print("Meow")
        case _:
            pass

Bisher in der Vorlesung

def make_noise(animal: Animal):
    match animal:
        case Dog():
            print("Woof")
        case Cat():
            print("Meow")
        case _:
            pass

das ist kein gutes Design, warum?

was ist wenn wir jetzt eine neue Klasse Mouse erstellen wollen.

@dataclass
class Mouse(Animal):
    pass

jetzt müssen wir Mouse zu make_noise hinzufügen

def make_noise(animal: Animal):
    match animal:
        case Dog():
            print("Woof")
        case Cat():
            print("Meow")
        case Mouse():
            print("Peep")
        case _:
            pass

das kann ziemlich nervig werden. Vor allem wenn wir größere Projekte haben

Polymorphism

Die Polymorphie der objektorientierten Programmierung ist eine Eigenschaft, die immer im Zusammenhang mit Vererbung und Schnittstellen (Interfaces) auftritt. Eine Methode ist polymorph, wenn sie in verschiedenen Klassen die gleiche Signatur hat, jedoch erneut implementiert ist.

@dataclass
class Animal:
    age: int
    weight: float
    name: str

    def make_noise(self) -> None:
        pass

@dataclass
class Cat(Animal):

    def make_noise(self) -> None:
        print("Meow")

@dataclass
class Dog(Animal):

    def make_noise(self) -> None:
        print("Woof")

Geht das schöner in Python 3.12?

Ja, mit override sagt sogar pylance bescheid wenn wir eine polymorphe Methode falsch überschrieben haben!

form dataclasses import dataclass
from typing import override

@dataclass
class Cat(Animal):

    @override
    def make_noise(self) -> None:
        print("Meow")

Unsere neue polymorphe Methode benutzen

@dataclass
class Zoo:
    animals: list[Animal] = []


zoo = Zoo(animals=[
            Cat(age=6, weight=4.5, name="Milow"), 
            Cat(age=7, weight=5.0, name="Blacky"), 
            Dog(age=12, weight=40.3, name="Bernd")
        ])

for animal in zoo.animals:
    animal.make_noise() # Meow
                        # Meow
                        # Woof

Oberklasse Animal

  • Was passiert wenn man Animal euzeugt?
    • Wir haben ein Objekt was eigentlich nicht erzeugt werden sollte
    • Es ist eine Art Schablone für alle Klassen von Typ Animal

Können wir die Instanziierung verhindern? Ja!

Abstrakte Klassen

  • abstrakte Klassen sind kein konkreter Bauplan für ein Objekt
  • stattdessen eine Schablone für weiter Baupläne
  • Animal ist so einen Schablone für alle Tiere

Abstrakte Klassen - in anderen Programmiersprachen

Beispiel Java mit abstract

abstract class Animal {
    private int age;
    private float weight;
    private String name;

    abstract void make_noise();
}

class Cat extends Animal {
    @override
    void make_noise() {
        System.out.println("Meow")
    }
}

Abstrakte Klassen - Python

  • ABC aus dem Modul abc.
  • Ja sie mussten abstract wirklich abkürzen mit ABC (Abstract Base Class)
  • für abstrakte Methoden gibt es die Annotation @abstractmethod im selben Modul
from abc import ABC, abstractmethod

class Animal(ABC):
    age: int
    weight: float
    name: str

    @abstractmethod
    def make_noise():
        pass

Fragen?

Exercise 08