Python 3: Deep Dive (Part 2 - Iterators, Generators): カスタム可変シーケンス (セクション2-6/14)
Pythonでカスタムミュータブルシーケンスを作成する方法を詳細に解説している。
演算子のオーバーロード、シーケンスプロトコルの実装、アイテムの代入や削除の処理方法を説明している。
具体例として`Point`クラスと`Polygon`クラスを実装し、カスタムシーケンスの実践的な使用方法を示している。
Pythonのシーケンス型は、その基本的なデータ構造の一部であり、アイテムのコレクションを格納し操作する多目的な方法を提供します。リストやタプルなどの組み込みシーケンス型は強力ですが、カスタムシーケンス型を作成することが有益な場合もあります。この詳細な解説では、Pythonでカスタムミュータブルシーケンスを実装する方法を探ります。演算子のオーバーロード、スライシングの処理、適切なシーケンス動作の確保に焦点を当てます。
はじめに
Pythonでは、シーケンスは各アイテムがインデックスに関連付けられたアイテムのコレクションです。リストやタプルなどの組み込みシーケンス型は多くの機能を提供しますが、これらの型で提供されていないカスタム動作が必要な場合があります。カスタムシーケンス型を作成することで、連結、繰り返し、アイテムの代入などの標準操作とオブジェクトがどのように相互作用するかを定義できます。
このガイドでは、カスタムミュータブルシーケンスを作成するプロセスに深く踏み込み、以下に焦点を当てます：
カスタム動作のための演算子のオーバーロード
アイテムとスライスの代入の実装
削除の処理
Pythonのシーケンスプロトコルとの互換性の確保
シーケンスの演算子のオーバーロード
演算子のオーバーロードにより、カスタムオブジェクトが`+`、`*`、`in`などの演算子に応答できるようになります。特殊メソッドを実装することで、これらの演算子に対するカスタムシーケンスの動作を定義できます。
`+`演算子と`+=`演算子
`+`演算子：シーケンスの連結に使用されます。
`+=`演算子：インプレース連結を実行し、元のオブジェクトを変更します。
これらの演算子をオーバーロードするには、`__add__`と`__iadd__`特殊メソッドを実装します。
例：
class MyClass:
def __init__(self, name):
self.name = name
def __repr__(self):
return f'MyClass(name={self.name})'
def __add__(self, other):
return MyClass(self.name + ' ' + other.name)
def __iadd__(self, other):
self.name += ' ' + other.name
return self使用法：
c1 = MyClass('Hello')
c2 = MyClass('World')
# 連結
c3 = c1 + c2
print(c3) # 出力: MyClass(name=Hello World)
# インプレース連結
c1 += c2
print(c1) # 出力: MyClass(name=Hello World)``演算子と`=`演算子
`*`演算子：シーケンスの繰り返しに使用されます。
`*=`演算子：インプレース繰り返しを実行します。
乗算を処理し、整数が演算子の左側にある場合の互換性を確保するために、`__mul__`、`__imul__`、`__rmul__`を実装します。
例：
class MyClass:
# ... （前述のメソッド）
def __mul__(self, n):
return MyClass(self.name * n)
def __imul__(self, n):
self.name *= n
return self
def __rmul__(self, n):
return self.__mul__(n)使用法：
c1 = MyClass('Repeat')
# 繰り返し
c2 = c1 * 3
print(c2) # 出力: MyClass(name=RepeatRepeatRepeat)
# インプレース繰り返し
c1 *= 2
print(c1) # 出力: MyClass(name=RepeatRepeat)
# 左側の乗算
c3 = 3 * c1
print(c3) # 出力: MyClass(name=RepeatRepeatRepeatRepeatRepeatRepeat)`in`演算子の実装
`in`演算子はメンバーシップをチェックします。カスタム動作を定義するために`__contains__`を実装します。
例：
class MyClass:
# ... （前述のメソッド）
def __contains__(self, value):
return value in self.name使用法：
c1 = MyClass('Python')
print('Py' in c1) # 出力: True
print('Java' in c1) # 出力: Falseシーケンスの代入
ミュータブルシーケンスは、インデックスとスライスによるアイテムの代入をサポートします。`__setitem__`を実装することで、カスタムシーケンスでこれらの代入を処理できます。
`__setitem__`の実装
`__setitem__`メソッドはアイテムの代入を処理します。インデックス代入とスライス代入を区別する必要があります。
例：
class MySequence:
# ... （初期化と他のメソッド）
def __setitem__(self, index, value):
if isinstance(index, int):
# インデックス代入の処理
self.data[index] = value
elif isinstance(index, slice):
# スライス代入の処理
self.data[index] = value
else:
raise TypeError('Invalid index type')スライシングと拡張スライシングの処理
スライシングを実装する際：
標準スライシング：スライスにイテラブルを代入します。
拡張スライシング：ステップを含み、代入されるイテラブルがスライスと同じ長さである必要があります。
ルール：
標準スライスの場合、代入されるイテラブルは異なる長さでも構いません。
拡張スライスの場合、代入されるイテラブルはスライスと同じ長さでなければなりません。
`__delitem__`による削除の実装
`del`文をサポートするために`delitem`を実装します。
例：
class MySequence:
# ... （初期化と他のメソッド）
def __delitem__(self, index):
del self.data[index]カスタムPolygonクラスの構築
これらの概念を適用して、`Point`オブジェクトのシーケンスを表すカスタム`Polygon`クラスを構築しましょう。
カスタム`Point`クラスの作成
以下の特性を持つ`Point`クラスが必要です：
座標が実数であることを強制します。
アンパッキングを可能にするシーケンス動作をサポートします（例：`x, y = point`）。
実装：
import numbers
class Point:
def __init__(self, x, y):
if isinstance(x, numbers.Real) and isinstance(y, numbers.Real):
self._pt = (x, y)
else:
raise TypeError('Point coordinates must be real numbers.')
def __repr__(self):
return f'Point(x={self._pt[0]}, y={self._pt[1]})'
def __len__(self):
return 2
def __getitem__(self, s):
return self._pt[s]使用法：
p = Point(1, 2)
x, y = p
print(x, y) # 出力: 1 2`Polygon`クラスの実装
`Polygon`クラスは`Point`オブジェクトのミュータブルシーケンスを表します。
初期化と表現
class Polygon:
def __init__(self, *pts):
if pts:
self._pts = [Point(*pt) for pt in pts]
else:
self._pts = []
def __repr__(self):
pts_str = ', '.join([str(pt) for pt in self._pts])
return f'Polygon({pts_str})'使用法：
p = Polygon((0, 0), (1, 1), (2, 2))
print(p) # 出力: Polygon(Point(x=0, y=0), Point(x=1, y=1), Point(x=2, y=2))シーケンスプロトコルメソッド
シーケンス動作をサポートするために`__len__`と`__getitem__`を実装します。
class Polygon:
# ... （前述のメソッド）
def __len__(self):
return len(self._pts)
def __getitem__(self, s):
return self._pts[s]使用法：
print(len(p)) # 出力: 3
print(p[0]) # 出力: Point(x=0, y=0)
print(p[::-1]) # 出力: [Point(x=2, y=2), Point(x=1, y=1), Point(x=0, y=0)]連結とインプレース連結
連結を処理するために`__add__`と`__iadd__`を実装します。
class Polygon:
# ... （前述のメソッド）
def __add__(self, other):
if isinstance(other, Polygon):
new_pts = self._pts + other._pts
return Polygon(*new_pts)
else:
raise TypeError('Can only concatenate with another Polygon')
def __iadd__(self, pts):
self.extend(pts)
return self使用法：
p1 = Polygon((0, 0), (1, 1))
p2 = Polygon((2, 2), (3, 3))
# 連結
p3 = p1 + p2
print(p3) # 出力: Polygon(Point(x=0, y=0), Point(x=1, y=1), Point(x=2, y=2), Point(x=3, y=3))
# インプレース連結
p1 += p2
print(p1) # 出力: Polygon(Point(x=0, y=0), Point(x=1, y=1), Point(x=2, y=2), Point(x=3, y=3))ミュータブルシーケンスメソッド
`append`、`extend`、`insert`などのメソッドを実装します。
class Polygon:
# ... （前述のメソッド）
def append(self, pt):
self._pts.append(Point(*pt))
def extend(self, pts):
if isinstance(pts, Polygon):
self._pts += pts._pts
else:
points = [Point(*pt) for pt in pts]
self._pts += points
def insert(self, i, pt):
self._pts.insert(i, Point(*pt))使用法：
p = Polygon((0, 0), (1, 1))
# 追加
p.append((2, 2))
print(p) # 出力: Polygon(Point(x=0, y=0), Point(x=1, y=1), Point(x=2, y=2))
# イテラブルで拡張
p.extend([(3, 3), (4, 4)])
print(p) # 出力: Polygon(Point(x=0, y=0), ..., Point(x=4, y=4))
# 挿入
p.insert(1, (0.5, 0.5))
print(p) # 出力: Polygon(Point(x=0, y=0), Point(x=0.5, y=0.5), ...)インデックスとスライスの代入
アイテムとスライスの代入を処理するために`__setitem__`を実装します。
class Polygon:
# ... （前述のメソッド）
def __setitem__(self, s, value):
if isinstance(s, int):
self._pts[s] = Point(*value)
elif isinstance(s, slice):
self._pts[s] = [Point(*pt) for pt in value]
else:
raise TypeError('Invalid index type')使用法：
p = Polygon((0, 0), (1, 1), (2, 2))
# インデックス代入
p[0] = (10, 10)
print(p) # 出力: Polygon(Point(x=10, y=10), Point(x=1, y=1), Point(x=2, y=2))
# スライス代入
p[1:3] = [(20, 20), (30, 30)]
print(p) # 出力: Polygon(Point(x=10, y=10), Point(x=20, y=20), Point(x=30, y=30))削除とポップ
削除とアイテムのポップをサポートするために`__delitem__`と`pop`を実装します。
class Polygon:
# ... （前述のメソッド）
def __delitem__(self, s):
del self._pts[s]
def pop(self, i=-1):
return self._pts.pop(i)使用法：
# 削除
del p[0]
print(p) # 出力: Polygon(Point(x=20, y=20), Point(x=30, y=30))
# ポップ
pt = p.pop()
print(pt) # 出力: Point(x=30, y=30)
print(p) # 出力: Polygon(Point(x=20, y=20))結論
Pythonでカスタムミュータブルシーケンスを作成するには、Pythonのシーケンス操作とシームレスに相互作用できるようにする特定の特殊メソッドを実装する必要があります。`+`、`+=`、``、`=`などの演算子をオーバーロードし、`__getitem__`、`__setitem__`、`__delitem__`などのメソッドを実装することで、インデックス付け、スライシング、その他のシーケンス動作に対するオブジェクトの応答を制御できます。
`Polygon`クラスの例では、以下をサポートする堅牢なシーケンス型を構築しました：
他の`Polygon`インスタンスとの連結とインプレース連結
インデックスとスライスの代入
点の追加、拡張、挿入
点の削除とポップ
Pythonのシーケンスプロトコルに準拠することで、カスタムシーケンス型は言語の機能と自然に統合される強力なツールとなり、特定のニーズに合わせたデータ構造に柔軟性と制御を提供します。
主要なポイント：
演算子のオーバーロード：`__add__`、`__iadd__`、`__mul__`、`__imul__`などの特殊メソッドを実装して、演算子のカスタム動作を定義します。
シーケンスプロトコル：`__len__`、`__getitem__`、`__setitem__`を実装して、クラスをシーケンスのように動作させます。
ミュータブルシーケンス：ミュータブルシーケンスの場合、`append`、`extend`、`insert`、`__delitem__`、`pop`などのメソッドを実装します。
エラー処理：無効な操作が試みられた場合に適切な例外を発生させるようにメソッドを確保します。
これらの概念をマスターすることで、強力で直感的に使用できるカスタムデータ構造を作成し、Pythonプログラミングツールキットを強化することができます。