Einstieg, Praxis, professionelle Anwendung

Transkript

1 Michael Weigend Objektorientierte Programmierung mit Python Einstieg, Praxis, professionelle Anwendung 4., aktualisierte Auflage mifp

2 Einleitung 19 Warum Python?.. 19 Python 3? 19 An wen wendet sich dieses Buch? 19 Inhalt und Aufbau 20 Hinweise zur Typographie 21 Programmbeispiele 21 1 ' Grundlagen Was ist Programmieren? Hardware und Software 24 i.y 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 34 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 39 " Hotkeys 39

3 2.3 Objekte Namen Syntax-Regeln für Bezeichrier Schlüsselwörter : Anweisungen Ausdruckanweisungen Import-Anweisungen Zuweisungen. > Erweiterte Zuweisungen Aufgaben Lösungen 55 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 Standard-Datentypen Daten als Objekte Fundamentale Datentypen im Überblick Typen und Klassen NoneType Wahrheitswerte - der Datentyp bool Ganze Zahlen Gleitkommazahlen Komplexe Zahlen Arithmetische Operatoren für Zahlen Sequenzen 91 / Zeichenketten (Strings) Bytestrings 94 - ' Tupel 95

4 Liste Bytearray Einige Grundoperationen für Sequenzen.« Veränderbare und unveränderbare Sequenzen : Mengen Dictionaries Typumwandlungen int() float() complex() bool() str() dict(), list() und tupleq 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) Bedingte Ausdrücke Bedingte Wiederholung (while) Endlosschleifen Iteration über eine Kollektion (for) Zählschleifen - Verwendung von rangeq Verschachtelte Iterationen Iterative Berechnung rekursiver Folgen 133

5 5.6 Abbruch einer Schleife mit break Abbruch eines Schleifendurchlaufs mit continue Abfangen von Ausnahmen mit try ^ try...except ^ 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 Sequenzen, Mengen und Generatoren ' Gemeinsame Operationen für Sequenzen Zugriff auf Elemente einer Sequenz 184 / Slicing von Sequenzen Anwendung von Slicing bei rekursiven Algorithmen Rekursive Suche in einer Sequenz 186

6 7.2 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 - update() Zugriff auf Daten in einem Dictionary Vergebliche Zugriffs versuche Praxisbeispiel: Vokabeltrainer Typische Fehler Aufgaben Lösungen Ein- und Ausgabe Files.... f Die Rolle der Files bei E/A-Operationen ' Was ist ein File? 236

7 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 244 Mehr Zuverlässigkeit durch try- und with-anweisungen, try...finally With-Anweisungen 247 Objekte speichern mit pickle Funktionen zum Speichern und Laden 249 Die Pseudofiles sys.stdin und sys.stdout 250 Ausgabe von Werten mit der print()-funktion Anwendung: Ausgabe von Tabellen 253 Kommandozeilen-Argumente (Optionen) 253 Übungen Lösungen Definition eigener Klassen 265 Klassen und Objekte 265 Definition von Klassen 267 Objekte (Instanzen) 269 Zugriff auf Attribute - Sichtbarkeit Öffentliche Attribute Private Attribute Properties Dynamische Erzeugung von Attributen 277 Methoden Polymorphismus - Überladen von Operatoren 278 Statische Methoden 282 Abstraktion, Verkapselung und Geheimnisprinzip 283 Vererbung Spezialisierungen Beispiel: Die Klasse Konto - eine Spezialisierung der Klasse Geld Standardklassen als Basisklassen 288

8 10.9 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 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 QOP Aufgaben Lösungen Verarbeitung von Zeichenketten Standardmethoden zur Verarbeitung von Zeichenketten Formatieren Schreibweise Tests Entfernen und Aufspalten Suchen und Ersetzen 347..* l / n

9 13.2 Codierung und Decodierung, Platonische Zeichen und Unicode Zeichenketten durch Bytefolgen darstellen Automatische Textproduktion, Texte mit variablen Teilen - Anwendung der String-Methode format() Eine Tabelle erstellen Mahnbriefe 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) Analyse von Strings mit match() und search() Textpassagen extrahieren mit findall() Zeichenketten zerlegen mit split() Teilstrings ersetzen mit sub() Match-Objekte Den Computer zum Sprechen bringen - Sprachsynthese Den Klang der Stimme verändern 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 Zugriffrechte abfragen und ändern (Windows und Unix) Dateien und Verzeichnisse anlegen und modifizieren / Merkmale von Dateien und Verzeichnissen abfragen Pfade verarbeiten

10 Umgebungsvariablen Systematisches Durchlaufen eines Verzeichnisbaumes Datum und Zeit ^ Funktionen des Moduls time Sekundenformat Zeit-Tupel Zeitstrings Einen Prozess unterbrechen mit sleepq Aufgaben Lösungen Gestaltung von grafischen Benutzungsoberflächen Ein einführendes Beispiel Einfache Widgets Die Master-Slave-Hierarchie Optionen der Widgets Optionen bei der Instanziierung 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 Die Klasse Checkbutton Die Klasse Scale Die Klasse Frame Aufgaben Lösungen.{? 445

11 c 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 Photolmage Eine Pixelgrafik erzeugen Fotos analysieren und verändern Bilder in eine Benutzungsoberfläche einbinden Icons 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 513

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() Debugging-Modus und optimierter Modus Ausnahmen gezielt auslösen 555,21.2 Selbstdokumentation Dokumentation eines Programmlaufs mit Log-Dateien Grundfunktionen Logging-Levels Logger-Objekte Das Format der Loggmg-Meldungen konfigurieren Debugging Aufgabe Lösung CGI-Programmierung Wie funktionieren CGI-Skripte? Aufbau eines einfachen CGI-Skripts CGI-Skripte ausführen 573 1

13 22.4 Kommunikation über interaktive Webseiten. / Aufbau eines HTML-Formulars Eingabekomponenten in einem HTML-Formular Verarbeitung von Eingabedaten in einem CGI-Skript...." 580 Sonderzeichen handhaben 582 CGI-Skripte debuggen 583 Objektorientierte CGI-Skripte - Beispiel: ein Chatroom 585 CGI-Skripte mit Cookies 591 Aufgaben 594 Lösungen Internet-Programmierung 601 Was ist ein Protokoll? 601 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-Relatiönship-Diagramme (ER-Diagramme) Relationale Datenbanken Darstellung von Relationen als Listen oder Dictionaries Das Modul sqlite Eine Tabelle anlegen Anfragen an eine Datenbank SQL-Anweisungen mit variablen Teilen SQL-Injections Online-Redaktionssystem mit Datenbankanbindung Objektorientierte Analyse (OOA) 638 / Objektorientierter Entwurf des Systems (OOD) Exkurs: Authentifizieren mit MD5-Fingerprints Implementierung des Redaktionssystems mit Python (OOP)

14 24.7 Aufgaben Lösungen Fortgeschrittene Programmiertechniken - Testen und Tuning Automatisiertes Testen Testen mit Docstrings - das Modul doctest Praxisbeispiel: Suche nach dem Wort des Jahres 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 709 t Üb/erblick Das Client-Programm :3 Das Server-Programm 714 4'

15 26.9 Aufgaben Lösungen Modellieren mit Kellern, Schlangen und Graphen Stack (Keller, Stapel) Queue (Schlange) Schlangen und das Producer-Consumer-Pattern - das Standardmodul queue Graphen Aufgaben Lösungen 743 A Anhang 747 A.i Zeichencodierung H 747 A.1.1 Codierung von Sonderzeichen in HTML 747 A.i.2 Oktettcodierung ISO (Unicode 0-255)?47 A.2 Quellen im WWW 752 A.3 Standardfunktionen 752 A4 Mathematische Funktionen 755 A.4.1 Das Modul math 755 A.4.2 Das Modul random 756 A.5 EBNF-Grammatik 757 B Glossar 761 C Inhalt der CD 771 Stichwortverzeichnis 773 i8 / /