[Pythonのはじめ方] Part23: カプセル化・クラス変数とインスタンス変数

オブジェクト指向プログラミング（OOP）の世界へようこそ！前のレッスンではクラスとインスタンス、コンストラクタ、継承について学びましたね。今回は、OOPの重要な概念である「カプセル化」、そしてクラス内でデータを保持する方法である「クラス変数」と「インスタンス変数」について詳しく見ていきましょう。

これらの概念を理解することで、より安全で整理された、再利用しやすいコードを書くことができるようになります 💪。

カプセル化とは、オブジェクトのデータ（属性）とそのデータを操作するメソッド（関数）を一つにまとめ、オブジェクトの内部状態を外部から隠蔽することです。これにより、外部から直接データにアクセスされるのを防ぎ、意図しない変更や不正な操作からデータを保護します。

Pythonでは、アクセス修飾子（のようなもの）を使ってカプセル化を実現します。厳密な意味でのアクセス修飾子（他の言語の `public`, `private`, `protected`）はありませんが、命名規則によってアクセスレベルを示唆します。

• Public (公開): 通常の変数名（例: `name`）。どこからでもアクセス可能です。
• Protected (保護): 変数名の前にアンダースコアを1つ付ける（例: `_name`）。「クラス内とそのサブクラスからアクセスされることを意図している」という慣習的な意味合いを持ちますが、強制力はありません。外部からもアクセスできてしまいます。
• Private (プライベート): 変数名の前にアンダースコアを2つ付ける（例: `__name`）。Pythonが内部的に名前マングリング（名前の改変）を行い、クラス外部からの直接的なアクセスを困難にします。ただし、完全に不可能ではありません。

コード例

class MyClass:
    def __init__(self):
        self.public_var = "これは公開変数です"
        self._protected_var = "これは保護変数です（慣習）"
        self.__private_var = "これはプライベート変数です"

    def print_vars(self):
        print(f"Public: {self.public_var}")
        print(f"Protected: {self._protected_var}")
        print(f"Private: {self.__private_var}") # クラス内部からはアクセス可能

    def get_private_var(self):
        """プライベート変数にアクセスするためのゲッターメソッド"""
        return self.__private_var

    def set_private_var(self, value):
        """プライベート変数を変更するためのセッターメソッド"""
        # ここで値の検証などを行うことができる
        if isinstance(value, str):
            self.__private_var = value
        else:
            print("エラー: 文字列を設定してください。")

# インスタンスの作成
obj = MyClass()

# Public変数へのアクセス
print(obj.public_var)

# Protected変数へのアクセス（可能だが非推奨）
print(obj._protected_var)

# Private変数への直接アクセス（エラーになる）
# print(obj.__private_var) # AttributeError: 'MyClass' object has no attribute '__private_var'

# 名前マングリングされた名前を使えばアクセス可能（非推奨）
print(obj._MyClass__private_var)

# メソッド経由でのアクセス
obj.print_vars()

# ゲッターメソッド経由でのアクセス
print(f"Getter経由: {obj.get_private_var()}")

# セッターメソッド経由での変更
obj.set_private_var("プライベート変数を変更しました")
print(f"Setter経由で変更後: {obj.get_private_var()}")
obj.set_private_var(123) # エラーメッセージが表示される

プライベート変数 `__private_var` は、外部から直接 `obj.__private_var` としてアクセスしようとするとエラーになります。これはPythonが `_クラス名__変数名`（例: `_MyClass__private_var`）という名前に内部で変換（名前マングリング）するためです。知っていればアクセスできてしまいますが、意図的に隠蔽されていることを示す強力なサインです。

一般的には、プライベート変数へのアクセスや変更が必要な場合は、上記例の `get_private_var` や `set_private_var` のようなゲッター（Getter）やセッター（Setter）と呼ばれる公開メソッドを用意します。これにより、値の取得や設定時にバリデーション（検証）などの追加処理を挟むことができます。

クラス変数とは、そのクラスの全てのインスタンス間で共有される変数です。クラス定義の直下に記述されます。

コード例

class Dog:
    # クラス変数
    species = "Canis familiaris" # 犬種（全ての犬インスタンスで共通）
    num_dogs = 0               # 作成された犬インスタンスの数

    def __init__(self, name):
        self.name = name # インスタンス変数
        Dog.num_dogs += 1 # インスタンスが作成されるたびにクラス変数をインクリメント

    def print_info(self):
        print(f"名前: {self.name}")
        print(f"種: {self.species}") # インスタンス経由でもクラス変数にアクセス可能

# インスタンスの作成
pochi = Dog("ポチ")
hachi = Dog("ハチ")

# クラス変数へのアクセス
print(f"犬の種 (クラス経由): {Dog.species}")
print(f"犬の種 (インスタンス経由): {pochi.species}")
print(f"犬の数 (クラス経由): {Dog.num_dogs}") # 出力: 2

# インスタンスのメソッド呼び出し
pochi.print_info()
print("-" * 10)
hachi.print_info()

# 注意点：インスタンス経由でクラス変数と同じ名前の変数に代入すると...
hachi.species = "Shiba Inu" # これはhachiインスタンスに新しい「インスタンス変数」speciesを作成する
print(f"ハチの種 (インスタンス変数): {hachi.species}") # 出力: Shiba Inu
print(f"ポチの種 (クラス変数): {pochi.species}")     # 出力: Canis familiaris (影響なし)
print(f"犬の種 (クラス変数): {Dog.species}")         # 出力: Canis familiaris (クラス変数自体は変わらない)

注意点: インスタンス (`hachi`) を使ってクラス変数 (`species`) と同じ名前の属性に値を代入すると、そのインスタンス固有のインスタンス変数が新たに作成されます。元のクラス変数が変更されるわけではありません。クラス変数を変更したい場合は、必ず `クラス名.変数名`（例: `Dog.species`）を使うようにしましょう。

インスタンス変数とは、それぞれのインスタンスに固有の変数です。通常、`__init__` メソッド内で `self.変数名 = 値` のように定義され、各インスタンスが異なる状態を持つことを可能にします。

コード例

class Car:
    def __init__(self, make, model, year, color):
        # これらは全てインスタンス変数
        self.make = make
        self.model = model
        self.year = year
        self.color = color
        self.odometer = 0 # 走行距離メーターもインスタンスごとに異なる

    def drive(self, km):
        if km > 0:
            self.odometer += km
            print(f"{self.year}年式 {self.make} {self.model} が {km}km 走行しました。")
        else:
            print("走行距離は正の値を指定してください。")

    def get_description(self):
        return f"{self.year} {self.make} {self.model} ({self.color}), 走行距離: {self.odometer}km"

# インスタンスの作成
car1 = Car("Toyota", "Prius", 2023, "シルバー")
car2 = Car("Honda", "Civic", 2022, "ブラック")

# インスタンス変数の値はそれぞれ異なる
print(car1.get_description())
print(car2.get_description())

# 各インスタンスの状態を変更
car1.drive(150)
car2.drive(200)

print(car1.get_description())
print(car2.get_description())

この例では、`make`, `model`, `year`, `color`, `odometer` は全てインスタンス変数です。`car1` と `car2` はそれぞれ異なるメーカー、モデル、年式、色、走行距離を持っています。`drive` メソッドを呼び出すと、そのインスタンスの `odometer` だけが更新されます。

クラス変数とインスタンス変数の違いを理解することは、オブジェクト指向設計において非常に重要です。以下に主な違いをまとめます。

使い分けの例

class Circle:
    # クラス変数 (全ての円で共通)
    pi = 3.14159

    def __init__(self, radius):
        # インスタンス変数 (円ごとに異なる)
        self.radius = radius

    def area(self):
        # インスタンス変数とクラス変数を使用
        return Circle.pi * (self.radius ** 2)

    def circumference(self):
        # インスタンス変数とクラス変数を使用
        return 2 * Circle.pi * self.radius

# インスタンス作成
c1 = Circle(5)
c2 = Circle(10)

print(f"円1の半径: {c1.radius}, 面積: {c1.area():.2f}, 円周: {c1.circumference():.2f}")
print(f"円2の半径: {c2.radius}, 面積: {c2.area():.2f}, 円周: {c2.circumference():.2f}")

# クラス変数 pi の値は共有されている
print(f"円1の円周率: {c1.pi}") # インスタンス経由でもアクセス可能
print(f"円2の円周率: {c2.pi}")
print(f"クラスの円周率: {Circle.pi}")

この `Circle` クラスでは、円周率 `pi` は全ての円で共通なのでクラス変数として定義し、半径 `radius` は円ごとに異なるのでインスタンス変数として定義しています。これにより、効率的でわかりやすいコードになっています。

今回は、オブジェクト指向プログラミングにおける重要な概念である「カプセル化」「クラス変数」「インスタンス変数」について学びました。

• カプセル化は、データを保護し、コードの保守性を高めるためのテクニックです。Pythonでは主に命名規則（`_` や `__`）で表現されます。
• クラス変数は、クラスの全インスタンスで共有されるデータを保持します。
• インスタンス変数は、各インスタンス固有のデータを保持します。

これらの概念を適切に使い分けることで、より堅牢で柔軟なオブジェクト指向プログラムを作成することができます。次のステップに進む前に、これらの違いをしっかり理解しておきましょう！🚀