Objektorientierte Programmierung mit Python

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1 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. Michael Weigend Objektorientierte Programmierung mit Python

2 Einleitung 17 Warum Python? 17 An wen wendet sich dieses Buch? 17 Inhalt und Aufbau 18 Hinweise zur Typographie 19 Programmbeispiele 19 1 Grundlagen 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 31 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 Objekte Namen Syntax-Regeln für Bezeichner Schlüsselwörter 39

3 2.5 Anweisungen Ausdruckanweisungen Import-Anweisungen Zuweisungen Erweiterte Zuweisungen Ausgabe von Werten - die print-anweisung Aufgaben Lösungen 51 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 69 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 Sequenzen Zeichenketten (Strings) Unicode-Strings Raw-Strings Tupel 90

4 Liste Einige Grundoperationen für Sequenzen Veränderbare und unveränderbare Sequenzen Dictionaries Typumwandlungen int() float() complex() bool() str(), unicodeq 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 Wiederholung (while) Endlosschleifen Iteration über eine Sequenz (for) Zählschleifen - Verwendung von range() Verschachtelte Iterationen Iterative Berechnung rekursiver Folgen Abbruch einer Schleife mit break Abbruch eines Schleifendurchlaufs mit continue 129

5 5.7 Abfangen von Ausnahmen mit try try...except try...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 Lösung Sequenzen Gemeinsame Operationen für Sequenzen Zugriff auf Elemente einer Sequenz Slicing von Sequenzen Anwendung von Slicing bei rekursiven Algorithmen Rekursive Suche in einer Sequenz Tupel 181

6 7.3 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 Aufgaben Lösungen Ergebnis des Experiments 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 Zugriffsversuche Praxisbeispiel: Vokabeltrainer Typische Fehler Aufgaben Lösungen 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 229

7 9.2.2 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) Übungen Lösungen Definition eigener Klassen Klassen und Objekte Definition von Klassen Objekte (Instanzen) Zugriff auf Attribute - Sichtbarkeit Öffentliche Attribute Private Attribute Dynamische Erzeugung von Attributen Methoden Polymorphismus - überladen von Operatoren Abstraktion, Verkapselung und Geheimnisprinzip Vererbung Beispiel: Die Klasse Konto - eine Spezialisierung der Klasse Geld 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 Compilieren von Modulen Programmierstil: Verwendung und Dokumentation von Modulen

8 12 Objektorientiertes Modellieren i Phasen einer objektorientierten Software-Entwicklung Fallstudie: Modell eines Wörterbuchs i 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 OOP 12.5 Aufgaben Lösungen Verarbeitung von Zeichenketten Standardmethoden zur Verarbeitung von Zeichenketten Formatieren Schreibweise Tests Entfernen und Aufspalten Suchen und Ersetzen 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 findail() Zeichenketten zerlegen mit splitq Teilstrings ersetzen mit sub() Match-Objekte

9 13.5 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 Zugriffrechte abfragen und ändern (Windows und Unix) Dateien und Verzeichnisse anlegen und modifizieren Merkmale von Dateien und Verzeichnissen abfragen Umgebungsvariablen Systematisches Durchlaufen eines Verzeichnisbaumes Datum und Zeit Funktionen des Moduls time Sekundenformat Zeittupel 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 Instanzierung setzen Widget-Optionen nachträglich konfigurieren Fonts Farben Rahmen Die Größe eines Widgets

10 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 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 Bilder einbinden Icons auf Schaltflächen Hintergrundbilder Aufgaben Lösungen 434

11 18 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 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 486

12 21.3 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 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? 544

13 24.6 Online-Redaktionssystem mit Datenbankanbindung Objektorientierte Analyse (OOA) Objektorientierter Entwurf (OOD) Exkurs: Authentifizieren mit MD5-Fingerprints Implementierung mit Python (OOP) Aufgaben Lösungen 557 Anhang A 559 A.i Zeichencodierung 559 A.1.1 Codierung von Sonderzeichen in HTML 559 A.i.2 Oktettcodierung ISO (erweiterter ASCII-Code, Unicode 0-255) 559 A.2 Quellen im WWW 564 A.3 Standardfunktionen 564 A.4 Mathematische Funktionen 567 A.4.1 Das Modul Math 567 A.4.2 Das Modul random 568 A.5 EBNF-Grammatik 568 B Glossar 573 C Inhalt der CD 582 Stichwortverzeichnis