Objektorientierte Programmierung mit Python

Transkript

1 Michael Weigend Objektorientierte Programmierung mit Python 3. aktualisierte und erweiterte Auflage

2 Einleitung 21 Warum Python? 21 An wen wendet sich dieses Buch? 21 Inhalt und Aufbau 22 Hinweise zur Typographie 23 Programmbeispiele 23 i Grundlagen 25 I.I Was ist Programmieren? Hardware und Software Programm als Algorithmus Syntax und Semantik Interpreter und Compiler Programmierparadigmen Objektorientierte Programmierung Strukturelle Zerlegung Die Welt als System von Objekten Objekte besitzen Attribute und beherrschen Methoden Objekte sind Instanzen von Klassen Geschichte der objektorientierten Programmierung Aufgaben Lösungen 35 2 Python im interaktiven Modus Python installieren Python im interaktiven Modus Start des Python-Interpreters in einem Konsole-Fenster Die Python-Shell von IDLE Die ersten Python-Befehle ausprobieren Hotkeys Objekte 41

3 8 Inhaltsverzeichnis 2.4 Namen Syntax-Regeln für Bezeichner Schlüsselwörter Anweisungen Ausdruckanweisungen Import-Anweisungen Zuweisungen Erweiterte Zuweisungen Ausgabe von Werten - die print-anweisung Aufgaben Lösungen 56 3 Python-Skripte Skripte editieren und ausführen mit IDLE Ausführen eines Python-Skripts Kommentare Die Zeilenstruktur von Python-Programmen Das EVA-Prinzip Phasen der Programmentwicklung Guter Programmierstil Die Kunst des Fehlerfindens Aufgaben Lösungen 75 4 Datentypen Daten als Objekte Fundamentale Datentypen im Überblick Datentypen und Klassen NoneType Wahrheitswerte - der Datentyp bool Ganze Zahlen int und long Dezimalzahlen, Oktalzahlen und Hexadezimalzahlen Gleitkommazahlen Komplexe Zahlen Arithmetische Operatoren für Zahlen 87

4 4.10 Sequenzen Zeichenketten (Strings) Unicode-Strings Raw-Strings Tupel Liste Einige Grundoperationen für Sequenzen Veränderbare und unveränderbare Sequenzen Mengen Dictionaries Typumwandlungen int() float() complex() bool() str() unicode() dict(), list() und tuple() Aufgaben Lösungen Kontrollstrukturen Einfache Bedingungen Vergleiche Zugehörigkeit zu einer Menge (in, not in) Beliebige Ausdrücke als Bedingungen Zusammengesetzte Bedingungen - logische Operatoren Negation (not) Konjunktion (and) Disjunktion (or) Formalisierung von Bedingungen Hinweis zum Programmierstil Programmverzweigungen (bedingte Anweisungen) Einseitige Verzweigung (if) Zweiseitige Verzweigung (if-else) Mehrfache Fallunterscheidung (elif) 128 9

5 Itsverzeichnis 5.4 Bedingte Wiederholung (while) Endlosschleifen Iteration (for) Zählschleifen - Verwendung von range() Verschachtelte Iterationen Iterative Berechnung rekursiver Folgen Abbruch einer Schleife mit break Abbruch eines Schleifendurchlaufs mit continue Abfangen von Ausnahmen mit try try...except rry...finally Aufgaben Lösungen Funktionen Aufruf von Funktionen Definition von Funktionen Schrittweise Verfeinerung Ausführung von Funktionen Globale und lokale Namen Seiteneffekte - die global-anweisung Parameterübergabe Voreingestellte Parameterwerte Schlüsselwort-Argumente Funktionen mit beliebiger Anzahl von Parametern Lokale Funktionen Rekursive Funktionen Execution Frames Rekursionstiefe Funktionen als Objekte Lambda-Formen Hinweise zum Programmierstil Allgemeines Funktionsnamen Kommentierte Parameter Docstrings Aufgaben Lösungen 181

6 Inhaltsverzei 7 Sequenzen, Mengen und Generatoren Gemeinsame Operationen für Sequenzen Zugriff auf Elemente einer Sequenz Slicing von Sequenzen Anwendung von Slicing bei rekursiven Algorithmen Rekursive Suche in einer Sequenz Tupel Listen Eine Liste erzeugen Eine Liste verändern Flache und tiefe Kopien Listen sortieren Binäre Suche in einer sortierten Liste Zwei Sortierverfahren im Vergleich Modellieren mit Listen - Beispiel: die Charts Generatoren Generatorausdrücke Generatorfunktionen Iteratoren Verwendung von Generatoren Mengen Operationen für Mengen Modellieren mit Mengen - Beispiel: Graphen Aufgaben Lösungen Dictionaries Operationen für Dictionaries Wie erstellt man ein Dictionary? Definition mit einem Dictionary-Display Schrittweiser Aufbau eines Dictionarys Ein Dictionary aus anderen Dictionaries zusammensetzen - updateq Zugriff auf Daten in einem Dictionary Vergebliche Zugriffsversuche Praxisbeispiel: Vokabeltrainer Typische Fehler Aufgaben Lösungen 233

7 9 Ein- und Ausgabe Files Die Rolle der Files bei E/A-Operationen Was ist ein File? Ein File-Objekt erzeugen Speichern einer Zeichenkette Laden einer Zeichenkette aus einer Datei Absolute und relative Pfade Zwischenspeichern ohne zu schließen Zugriff auf Files (lesen und schreiben) Speichern beliebiger Daten auf Files Objekte speichern mit pickle Funktionen zum Speichern und Laden cpickle Eingabe über die Tastatur Die Pseudofiles sys.stdin und sys.stdout Formatierte Ausgabe von Werten mit dem Formatierungsoperator % Anwendung: Ausgabe von Tabellen Kommandozeilen-Argumente (Optionen) Aufgaben Lösungen Definition eigener Klassen Klassen und Objekte Definition von Klassen Objekte (Instanzen) Zugriff auf Attribute - Sichtbarkeit Öffentliche Attribute Private Attribute Properties Dynamische Erzeugung von Attributen Methoden Polymorphismus - Überladen von Operatoren Statische Methoden Abstraktion, Verkapselung und Geheimnisprinzip 281

8 13 Inhaltsverzeichnis 10.8 Vererbung Spezialisierungen Beispiel: Die Klasse Konto - eine Spezialisierung der Klasse Geld Standardklassen als Basisklassen Hinweise zum Programmierstil Bezeichner Sichtbarkeit Dokumentation von Klassen Typische Fehler Aufgaben Lösungen Klassenbibliotheken in Modulen speichern Testen einer Klasse in einem lauffähigen Stand-alone-Skript Module speichern und importieren Den Zugang zu einem Modul sicherstellen Kompilieren von Modulen Programmierstil: Verwendung und Dokumentation von Modulen Objektorientiertes Modellieren Phasen einer objektorientierten Software-Entwicklung Fallstudie: Modell eines Wörterbuchs OOA: Entwicklung einer Klassenstruktur OOD: Entwurf einer Klassenstruktur für eine Implementierung in Python OOP: Implementierung der Klassenstruktur Assoziationen zwischen Klassen Reflexive Assoziationen Aggregation Beispiel: Management eines Musicals OOA OOD P Aufgaben Lösungen 331

9 13 Verarbeitung von Zeichenketten Standardmethoden zur Verarbeitung von Zeichenketten Formatieren Schreibweise Tests Entfernen und Aufspalten Suchen und Ersetzen Codierung und Decodierung Automatische Textproduktion Texte mit variablen Teilen - der Formatierungsoperator % Textuelle Repräsentation eines Objektes Analyse von Texten Chat Bots Textanalyse mit einfachen Vorkommenstests Reguläre Ausdrücke Aufbau eines regulären Ausdrucks Objekte für reguläre Ausdrücke (RE-Objekte) Textpassagen extrahieren mit findall() Zeichenketten zerlegen mit splitq Teilstrings ersetzen mit sub() Match-Objekte Den Computer zum Sprechen bringen - Sprachsynthese Links zum Thema Sprachsynthese Aufgaben Lösungen Systemfunktionen Das Modul sys - die Schnittstelle zum Laufzeitsystem Informationen über die aktuelle Systemumgebung Standardeingabe und -ausgäbe Die Objektverwaltung beobachten mit getrefcount() Ausführung eines Skripts beenden Das Modul os - die Schnittstelle zum Betriebssystem Dateien und Verzeichnisse suchen Zugriffsrechte abfragen und ändern (Windows und Unix) Dateien und Verzeichnisse anlegen und modifizieren Merkmale von Dateien und Verzeichnissen abfragen 387

10 Umgebungsvariablen Systematisches Durchlaufen eines Verzeichnisbaumes Datum und Zeit Funktionen des Moduls time Sekundenformat Zeittupel Zeitstrings Einen Prozess unterbrechen mit sleep() Aufgaben Lösungen Gestaltung von grafischen Benutzungsoberflächen Ein einführendes Beispiel Einfache Widgets Die Master-Slave-Hierarchie Optionen der Widgets Optionen bei der Instanzierung setzen Widget-Optionen nachträglich konfigurieren Fonts Farben Rahmen Die Größe eines Widgets Leerraum um Text Gemeinsame Methoden der Widgets Die Klasse Tk Die Klasse Button Die Klasse Label Dynamische Konfiguration der Beschriftung Verwendung von Kontrollvariablen Die Klasse Entry Die Klasse Radiobutton n Die Klasse Checkbutton Die Klasse Scale Die Klasse Frame Aufgaben Lösungen 426

11 haltsverzeichnis 16 Layout Der Packer Layout-Fehler Raster-Layout Vorgehensweise bei der GUI-Entwicklung Die Benutzungsoberfläche gestalten Funktionalität hinzufügen Aufgaben Lösungen Grafik Die Tkinter-Klasse Canvas Generierung grafischer Elemente - ID, Positionierung und Display-Liste Grafische Elemente gestalten Visualisieren mit Kreisdiagrammen Die Klasse Photoimage Eine Pixelgrafik erzeugen Fotos analysieren und verändern Bilder in eine Benutzungsoberfläche einbinden kons auf Schaltflächen Hintergrundbilder Aufgaben Lösungen Event-Verarbeitung Einführendes Beispiel Event-Sequenzen Event-Typen Qualifizierer für Maus- und Tastatur-Events Modifizierer Beispiel: Tastaturereignisse verarbeiten Programmierung eines Eventhandlers Beispiel für eine Event-Auswertung Bindemethoden Aufgaben Lösungen 486

12 19 Komplexe Benutzungsoberflächen Text-Widgets Methoden der Text-Widgets Rollbalken (Scrollbars) Menüs Die Klasse Menü Methoden der Klasse Menü Texteditor mit Menüleiste und Pulldown-Menü Dialogboxen Aufgaben Lösungen Threads Funktionen in einem Thread ausführen Thread-Objekte erzeugen - die Klasse Thread Aufgaben Lösungen Fehler finden und vermeiden Testen von Bedingungen Ausnahmen (Exceptions) Testen von Vor- und Nachbedingungen mit assert() Testen im Debugging-Modus Ausnahmen gezielt auslösen Selbstdokumentation Debugging Aufgabe Lösung CGI-Programmierung Wie funktionieren CGI-Skripte? Aufbau eines einfachen CGI-Skripts CGI-Skripte ausführen Kommunikation über interaktive Webseiten Aufbau eines HTML-Formulars Verarbeitung von Eingabedaten in einem CGI-Skript CGI-Skripte debuggen Objektorientierte CGI-Skripte - Beispiel: ein Chat-Room

13 22.8 CGI-Skripte mit Cookies Aufgaben Lösungen Internet-Programmierung Was ist ein Protokoll? Übertragung von Dateien mit FTP Das Modul ftplib Navigieren und Downloaden Ein Suchroboter für FTP-Server Zugriff auf Webseiten mit HTTP Automatische Auswertung von Webseiten s senden mit SMTP Aufgaben Lösungen Datenbanken Was ist ein Datenbanksystem? Entity-Relationship-Diagramme (ER-Diagramme) Relationale Datenbanken Darstellung von Relationen als Listen oder Dictionaries Das Modul anydbm - Zugang zu DBM-Datenbanken Ein Datenbank-Objekt erzeugen Zugriff auf Datenbank-Objekte Wie speichert man Tupel? Online-Redaktionssystem mit Datenbankanbindung Objektorientierte Analyse (OOA) Objektorientierter Entwurf (OOD) Exkurs: Authentifizieren mit MD5-Fingerprints Implementierung mit Python (OOP) Aufgaben Lösungen Fortgeschrittene Programmiertechniken - Testen und Tuning Automatisiertes Testen Testen mit Docstrings - das Modul doctest Praxisbeispiel: Suche nach dem Wort des Jahres 600

14 25.4 Klassen testen mit doctest Wie testet man eine Klasse? Normalisierte Whitespaces - doctest-direktiven Ellipsen verwenden Dictionaries testen Gestaltung von Testreihen mit unittest Einführendes Beispiel mit einem Testfall Klassen des Moduls unittest Weiterführendes Beispiel Tuning Performanzanalyse mit dem Profiler Praxisbeispiel: Auswertung astronomischer Fotografien Performanzanalyse und Tuning Aufgaben Lösungen XML Was ist XML? XML-Dokumente Ein XML-Dokument als Baum DOM Das Modul xml.dom.minidom XML-Dokumente und DOM-Objekte Die Basisklasse Node Die Klassen Document, Element und Text Attribute von XML-Elementen Anwendungsbeispiel 1: Eine XML-basierte Klasse Anwendungsbeispiel 2: Datenkommunikation mit XML Überblick Das Client-Programm Das Server-Programm Aufgaben Lösungen

15 A Anhang 665 A.i Zeichencodierung 665 A.I.I Codierung von Sonderzeichen in HTML 665 A.i.2 Oktettcodierung ISO (erweiterter ASCII-Code, Unicode 0-255) 665 A.2 Quellen im WWW 670 A.3 Standardfunktionen 670 A.4 Mathematische Funktionen 673 A.4.1 Das Modul math 673 A.4.2 Das Modul random 674 A.5 EBNF-Grammatik 674 A.6 Einige deutsche Webhosting-Dienste, die CGI-Skripting mit Python unterstützen 678 B Glossar 679 C Inhalt der CD 689 Stichwortverzeichnis