初学者のためのPython講座 オブジェクト指向編7 カプセル化

カプセル化

オブジェクト指向の重要概念の一つがカプセル化です。カプセル化とは、プログラムの外部からの操作を制御し、プログラムの独立性を保つための仕組みです。

テレビのリモコンに例えると、ユーザーはリモコンの単純なボタン操作によって、チャンネルを変える、ボリュームを下げるなどの操作ができます。ユーザーは内部の複雑なプログラムや回路を意識する必要はなく、誤った操作も起こしにくくなります。また、ユーザーが好き勝手にプログラムを書き換えたり、内部の回路に触れて改造したり、といった故障の原因を未然に防ぎます。

このようにオブジェクトの内部構造を隠蔽し、公開されたインターフェースによって外部からの操作を制御する仕組みがカプセル化です。使える機能を制限することで、ユーザーはどの機能を使えばいいかが分かりやすく、内部のプログラムに干渉しない・させないことで、大規模なプログラムでも複雑にならず、安定性が担保されます。

アクセス制御　プライベートとパブリック

オブジェクト指向プログラミングにおけるカプセル化は、オブジェクトの内部をプライベート（非公開）とパブリック（公開）に分けて設定することです。プライベートなデータやメソッドに外部から直接アクセスすることはできず、公開された専用のメソッドによってのみアクセス可能となります。

ただし、Pythonでは公式ドキュメントに「データ隠蔽を補強するための機構はなにもありません」と記述されている通り、基本的にすべてのデータやメソッドは外部に公開されており、プライベートなデータやメソッドは存在しません。

そのかわり、慣習的な命名規則として、"_"（アンダーバー）から始まる変数名やメソッド名はプライベートとみなします。

【書式】慣習的な命名規則としてのプライベート化

_要素名  # 要素名の前にアンダーバーを1つつける

例えば、クラスの中で_fooのような名前の変数やメソッドがあった場合、それは「クラスの設計側だけが使うものであり、外部からはそれを利用しない」という決まりです。あくまでもそうみなす、というだけなのでアクセス自体は可能です。

しかし、それでは困る場合があります。そこで、ネームマングリング（難号化）という機能を利用します。

マングリングは要素名の前に"__"（アンダーバー2つ）をつけます。

【書式】ネームマングリングによるプライベート化

__要素名  # 要素名の前にアンダーバーを2つつける

これによってクラスの外部から隠蔽し、プライベート化することができます。（実際には、非推奨の方法でアクセスすることもできます。）

プログラムで確認してみましょう。

次のプログラムでは、クラス変数を参照して戻り値を返すhello()メソッドと、その戻り値をprint()関数で表示するprinthello()メソッドが定義されています。そして、3種類の方法でクラス変数へアクセスしています。

まずはプライベート化していない状態です。

class Sample:
    name = "Yamada"
    def hello(self):
        return "Hello! I'm " + self.name
    def printhello(self):
        print(self.hello())

a = Sample()
print(a.name)      # クラス変数nameを直接参照して表示
print(a.hello())   # hello()メソッドの戻り値を表示
a.printhello()     # printhello()メソッドを呼び出す

実行してみましょう。

Yamada
Hello! I'm Yamada
Hello! I'm Yamada

では、クラス変数nameをマングリングして、プライベート変数__nameにアクセスできるか試してみましょう。

class Sample:
    __name = "Yamada"    # プライベート変数で定義
    def hello(self):
        return "Hello! I'm " + self.__name
    def printhello(self):
        print(self.hello())

a = Sample()
print(a.__name)    # クラス変数__nameを直接参照して表示
print(a.hello())
a.printhello()

変数nameをプライベート変数__nameに変更しました。実行してみましょう。

Traceback (most recent call last):
   File "private_sample.py", line 10, in <module>
     print(a.__name)
 AttributeError: 'Sample' object has no attribute '__name'

10行目print(a.__name)の部分でAttributeError(属性エラー)「__nameという属性はありません」というエラーが出ました。変数__nameは隠蔽されているため、参照できなかったようです。

では、メソッド内で__nameを参照するhello()メソッドはどうでしょうか？

エラーが出た10行目print(a.__name)の部分をコメントアウト（"#"を付けてコメントにする）して確認しましょう。

class Sample:
    __name = "Yamada"    # プライベート変数で定義
    def hello(self):
        return "Hello! I'm " + self.__name
    def printhello(self):
        print(self.hello())

a = Sample()

# print(a.__name)    コメントアウト
print(a.hello())
a.printhello()

実行してみましょう。

Hello! I'm Yamada
Hello! I'm Yamada

プライベート変数を直接参照することはできませんが、メソッドを通せばアクセス可能です。

次は、hello()メソッドをプライベートメソッド__hello()に変えてみましょう。

class Sample:
    __name = "Yamada"    # プライベート変数で定義
    def __hello(self):   # プライベートメソッドで定義
        return "Hello! I'm " + self.__name
    def printhello(self):
        print(self.__hello())

a = Sample()

# print(a.__name)       コメントアウト
print(a.__hello())
a.printhello()

実行してみましょう。

Traceback (most recent call last):
  File "private_sample.py", line 13, in <module>
    print(a.__hello())
AttributeError: 'Sample' object has no attribute '__hello'

11行目print(a.__hello())の部分でエラーが出ました。__hello()メソッドが隠蔽されているため、アクセスできなかったようです。

では、先ほどと同様にエラーが出た11行目print(a.__hello())をコメントアウトして、メソッド内で__hello()メソッドの戻り値を表示するprint_hello()メソッドのほうを確認しましょう。

class Sample:
    __name = "Yamada"    # プライベート変数で定義
    def __hello(self):   # プライベートメソッドで定義
        return "Hello! I'm " + self.__name
    def printhello(self):
        print(self.__hello())

a = Sample()

# print(a.__name)       コメントアウト
# print(a.__hello())    コメントアウト
a.printhello()

実行してみましょう。

Hello! I'm Yamada

print_hello()メソッドが実行できました。

このように、プライベート化によって変数やメソッドを隠蔽することで、外部からのアクセスを特定のメソッドに制限できました。

クラス内部の変数やメソッドをプライベートとパブリックに分けて適切に管理することで、クラスの保守性を高めることができます。しかし、クラスの保守だけがカプセル化の目的ではありません。次は、アクセス制御するメソッドについて掘り下げていきましょう。

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初学者のためのPython講座　オブジェクト指向編3　メソッド
初学者のためのPython講座　オブジェクト指向編4　初期化メソッド
初学者のためのPython講座　オブジェクト指向編5　クラスの継承
初学者のためのPython講座　オブジェクト指向編6　クラス変数とクラスメソッド
初学者のためのPython講座　オブジェクト指向編7　カプセル化

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