Программирование на Python. Том 1 4 изд.

Так что же такое Python?

Как уже говорилось выше, в этой книге не будет уделяться большое внимание основам Python, и мы отложим абстрактные рассуждения о роли Python до заключительной главы, то есть до того момента, когда вы познакомитесь с этим языком программирования на практике. Тем не менее если вы хотите получить исчерпывающее определение темы этой книги, извольте:

Python - это язык программирования общего назначения, распространяемый с открытыми исходными текстами (open source). Он оптимизирован для создания качественного программного обеспечения, высокой производительности труда разработчиков, переносимости программ и интеграции компонентов. Язык Python используется сотнями тысяч разработчиков по всему миру в таких областях, как создание веб-сценариев, системное программирование, создание пользовательских интерфейсов, настройка программных продуктов под пользователя, численное программирование и в других. Как считают многие, один из самых используемых языков программирования в мире.

Как популярный язык, обеспечивающий сокращение времени, затрачиваемого на разработку программ, Python используется для создания широкого круга программ в самых разных областях. В число пользователей Python в настоящее время входят Google, YouTube, Industrial Light & Magic, ESRI, системы BitTorrent обмена файлами, Jet Propulsion Lab в NASA, игра Eve Online и National Weather Service (национальная метеорологическая служба, США). Язык Python используется в самых разных областях, от администрирования систем, разработки веб-сайтов, создания сценариев для мобильных устройств и обучения, до тестирования аппаратуры, анализа капиталовложений, компьютерных игр и управления космическими кораблями.

Среди прочих достоинств, Python отличается удивительной простотой, удобочитаемостью и простым синтаксисом; он легко интегрируется с внешними компонентами, написанными на других языках программирования; имеет мультипарадигменную архитектуру и поддерживает объектно-ориентированное, функциональное и модульное программирование; обладает обширной коллекцией уже запрограммированных интерфейсов и утилит. Набор встроенных инструментальных средств делает его необычайно гибким и динамичным языком программирования, идеально подходящим не только для быстрого решения тактических задач, но и для разработки перспективных стратегических решений. Несмотря на свое общее назначение, Python часто называют языком сценариев, так как он позволяет легко и просто использовать другие программные компоненты и управлять ими.

Самым большим достоинством Python является, пожалуй, то, что с его помощью разработка программного обеспечения становится более быстрой и приятной. Есть такая категория людей, для которых программирование является самоцелью. Они наслаждаются самим процессом. Пишут программы исключительно для собственного удовольствия, а коммерческие или карьерные выгоды рассматривают лишь, как вторичное следствие. Именно такие люди в значительной степени причастны к появлению Интернета, движения за распространение программного обеспечения с открытыми исходными текстами (open source) и Python. Эти же люди исторически являются основными читателями этой книги. От них часто можно услышать, что с таким инструментом, как Python, программирование превращается в настоящее развлечение.

Чтобы понять, как это происходит, читайте дальше. Как побочный эффект, значительная часть этой книги представляет собой демонстрацию воплощения идеалов Python в действующий программный код. Как мы увидим далее, особенно когда будем знакомиться с инструментальными средствами, используемыми для создания графического интерфейса пользователя, веб-сайтов, в системном программировании и так далее, Python способствует продвижению новых технологий.

Об авторе

Марк Лутц (Mark Lutz) является ведущим специалистом в области обучения языку программирования Python, автором самых ранних и наиболее популярных публикаций и известен в сообществе пользователей Python своими новаторскими идеями.

Марк является автором книг «Изучаем Python», «Программирование на Python» и «Python Pocket Reference», выпущенных издательством O’Reilly, каждая из которых претерпела уже четыре издания. Он использует Python и занимается его популяризацией начиная с 1992 года; книги о Python начал писать в 1995 году; преподаванием этого языка программирования стал заниматься с 1997 года. На начало 2010 года Марк провел 250 курсов, обучил более 3500 студентов, написал книги по языку Python, суммарный тираж которых составил примерно четверть миллиона копий и которые были переведены более чем на десять языков.

Обладает степенями бакалавра и магистра в области информатики, закончи* университет штата Висконсин (США). На протяжении последних 25 лет занимался разработкой компиляторов, инструментальных средств программиста, приложений и разнообразных систем в архитектуре клиент/сервер. Связаться с Марком можно через веб-сайт книги http://rmi.net/~lutz и веб-сайт курсов, которые он ведет: http://learning-python.com.

I

Начало

Эта часть книги запускает повествование, предлагая краткий экскурс, в котором рассматриваются фундаментальные понятия языка Python и представляются некоторые из наиболее типичных приемов его использования.

Глава 1

Эта глава начинает рассказ с простого примера - записи информации о людях, - что позволит коротко представить некоторые из основных областей применения языка Python, которые мы будем изучать в этой книге. Мы заставим этот пример существовать в самых разных ситуациях. По пути мы встретимся с базами данных, графическими интерфейсами, веб-сайтами и так далее. Эта своего рода демонстрационная глава задумывалась с целью возбудить в вас интерес. Здесь мы не будем исследовать все аспекты, но у нас будет возможность увидеть Python в действии, прежде чем мы погрузимся в детали. Данная глава служит также обзором некоторых базовых идей языка, с которыми вы должны быть знакомы, прежде чем приступать к чтению этой книги, - такими как представление данных и объектно-ориентированное программирование (ООП).

Назначение этой части книги не в том, чтобы дать вам всесторонний обзор языка Python, а в том, чтобы познакомить вас с примером его применения и предоставить краткий обзор определенного круга задач, решаемых с помощью языка Python.

1

Предварительный обзор

«Программирование на Python»: краткий очерк

Если вы берете в руки книгу такого размера, как эта, то вам, как и большинству людей, перед тем как засучить рукава, наверняка захочется немного узнать о том, что вы собираетесь изучать. Именно об этом рассказывает данная глава - в ней приводятся несколько примеров, которые позволят вам оценить возможности языка Python, прежде чем вы перейдете к изучению подробностей. Здесь вы найдете лишь краткие пояснения, поэтому если у вас появится желание получить подробное описание инструментов и приемов, использованных в этой главе, вам придется прочитать последующие части книги. Цель этой главы состоит в том, чтобы возбудить у вас аппетит кратким обзором основ языка Python и ознакомлением с некоторыми темами, рассматриваемыми далее.

Для этого я возьму довольно простое приложение, конструирующее базу данных, и проведу вас через различные этапы его создания: моделирование в интерактивном режиме, использование инструментов командной строки, создание интерфейса командной строки, создание графического интерфейса и создание простого веб-интерфейса. Попутно мы познакомимся с такими понятиями, как представление данных, сохранение объектов и объектно-ориентированное программирование (ООП); исследуем несколько альтернативных решений, к которым вернемся позднее; и рассмотрим некоторые основные идеи языка Python, которые вы должны знать, прежде чем продолжать чтение этой книги. В конечном итоге мы получим базу данных, хранящую экземпляры класса, которые можно будет просматривать и изменять с использованием различных интерфейсов.

Конечно, далее я затрону и дополнительные темы, но приемы, которые будут представлены здесь, применимы к некоторым прикладным областям, которые мы будем исследовать далее. Замечу также, что если что-то в программах из этой главы для вас останется непонятным, не волнуйтесь, так и должно быть - пока, по крайней мере. Здесь просто демонстрируются возможности Python. С недостающими подробностями вы познакомитесь достаточно скоро. А теперь начнем с небольшого развлечения.

Читатели четвертого издания книги «Изучаем Python» могут заметить в примере из этой главы знакомые черты - здесь участвуют те же персонажи, что и в главе про ООП в книге «Изучаем Python», а последние версии примера, основанные на использовании классов, по сути являются вариациями на ту же тему. Не боясь обвинений в избыточности, я здесь возвращаюсь к этому примеру по трем причинам: он вполне может использоваться для обзора основных возможностей языка; некоторые читатели этой книги не читали «Изучаем Python»; здесь этот пример получает дальнейшее развитие за счет добавления графического и веб-интерфейсов. Таким образом, эта глава начинается с того места, где закончилась книга «Изучаем Python», и помещает этот пример использования основных возможностей языка в контекст действующего приложения, что в общих чертах соответствует цели этой книги.

Постановка задачи

Представьте, что по некоторым причинам вам необходимо хранить информацию о людях. Это может быть адресная книга на вашем компьютере или, возможно, информация о служащих вашей фирмы. По каким-либо причинам вам требуется написать программу, которая сохраняла бы информацию об этих людях. Другими словами, вам требуется организовать сохранение записей в базе данных, чтобы обеспечить возможность долговременного хранения в компьютере списка людей с информацией о них.

Естественно, существует множество уже готовых программ для работы с базами данных. Однако, написав свою программу, вы получите полный контроль над тем, как она действует. Вы сможете добавлять в нее обработку специальных случаев, которые, возможно, не предусматриваются стандартным программным обеспечением. Вам не придется устанавливать базу данных и учиться пользоваться ею. И вам не придется ждать, пока поставщик программного обеспечения исправит ошибки или добавит новые особенности. Итак, вы решили написать на языке Python программу, управляющую информацией о людях.

Шаг 1: представление записей

Коль скоро мы собрались сохранять записи в базе данных, на самом первом этапе нам необходимо решить, как будут выглядеть эти записи. В языке Python имеется масса способов представления информации о людях. Зачастую для этих целей вполне достаточно бывает использовать объекты встроенных типов, такие как списки и словари, особенно если изначально не требуется предусматривать обработку сохраняемых данных.

Списки

Списки, например, позволяют сохранять информацию о людях упорядоченным способом. Запустите интерпретатор Python в интерактивном режиме и введите следующие две инструкции:

>>> bob = [‘Bob Smith', 42, 30000, 'software']

>>> sue = [‘Sue Jones', 45, 40000, ‘hardware']

Мы только что создали две простые записи, представляющие информацию о Бобе (Bob) и Сью (Sue) (мои извинения, если вас действительно зовут Боб или Сью3). Каждая запись является списком с четырьмя элементами: имя, возраст, оклад и должность. Чтобы получить доступ к этим элементам, достаточно просто использовать операцию индексирования. Результат в примере ниже заключен в круглые скобки потому, что он является кортежем из двух результатов:

>>> bob[0], sue[2]    # получить имя и оклад

(‘Bob Smith’, 40000)

В таком представлении записи легко обрабатывать - достаточно просто использовать операции над списками. Например, можно получить фамилию человека, разбив поле с именем по пробельному символу и отобрав последнюю часть, точно так же можно повысить оклад, изменив соответствующий список:

>>> bob[0].split()[-1]    # получить фамилию Боба

‘Smith’

>>> sue[2] *= 1.25    # повысить оклад Сью на 25%

>>> sue

[‘Sue Jones’, 45, 50000.0, ‘hardware’]

Выражение, извлекающее фамилию в этом примере, обрабатывается интерпретатором слева направо: сначала извлекается строка с именем и фамилией Боба, затем строка разбивается по пробелам и преобразуется в список подстрок, а операция индексирования возвращает фамилию (разбейте это выражение на несколько операций, чтобы увидеть, как это происходит).

Первые замечания

Поскольку это первый пример программного кода в книге, необходимо сделать несколько практических замечаний:

•    Этот программный код можно ввести в среде IDLE с графическим интерфейсом; после ввода команды python в командной строке (или той же команды с указанием полного пути к ней, если она не находится в системном списке путей поиска выполняемых файлов) и так далее.

•    Символы >>> characters - это приглашение к вводу интерпретатора Python (эти символы не нужно вводить).

•    Информационные строки, которые интерпретатор Python выводит при запуске, я опустил ради экономии места.

•    Все примеры из этой книги я запускал под управлением Python 3.1; результаты работы примеров во всех версиях линейки 3.X должны быть одинаковыми (разумеется, исключая непредвиденные случаи внесения существенных изменений в Python).

•    Большая часть примеров в этой книге, за исключением некоторых из них, демонстрирующих приемы системного программирования и интеграции с программным кодом на языке C, выполнялись в ОС Windows 7. Однако, благодаря переносимости Python, не имеет значения, в какой операционной системе будут опробоваться примеры, если иное не указано явно.

Если прежде вам не доводилось выполнять программный код на языке Python подобным способом, тогда обращайтесь за справочной информацией к вводным материалам, таким как книга «Изучаем Python». Далее в этой главе я сделаю несколько замечаний, касающихся запуска программного кода, хранящегося в файлах сценариев.

База данных в виде списка

К настоящему моменту мы всего создали всего лишь две переменных, но не базу данных. Чтобы объединить информацию о Бобе и Сью, мы могли бы просто включить ее в другой список:

>>> people = [bob, sue]    # ссылки в списке списков

>>> for person in people: print(person)

[‘Bob Smith’, 42, 30000, ‘software’]

[‘Sue Jones’, 45, 50000.0, ‘hardware’]

Теперь нашу базу данных представляет список people. Мы можем извлекать из него отдельные записи в соответствии с их позициями в списке и обрабатывать их в цикле:

>>> people[1][0]

‘Sue Jones’

>>> for person in people:

print(person[0].split()[-1])    # вывести фамилию

person[2] *= 1.20    # увеличить оклад на 20%

Smith

Jones

>>> for person in people: print(person[2]) # проверить новый размер оклада

36000.0

60000.0

Теперь, когда у нас имеется список, мы можем организовать выборку значений полей из записей с помощью более мощных инструментов выполнения итераций, присутствующих в языке Python, таких как генераторы списков, функция map и выражения-генераторы:

>>> pays = [person[2] for person in people] # выбрать все оклады >>> pays

[36000.0, 60000.0]

>>> pays = map((lambda x: x[2]), people) # то же самое (в версии 3.X

>>> list(pays)    # функция map возвращает генератор)

[36000.0, 60000.0]

>>> sum(person[2] for person in people) # выражение-генератор,

96000.0    # sum - встроенная функция

Для добавления новых записей в базу данных вполне достаточно использовать обычные операции над списками, такие как append и extend:

>>> people.append(['Tom', 50, 0, None])

>>> len(people)

3

>>> people[-1][0]

‘Tom’

Списки неплохо подходят для реализации нашей базы данных, и их возможностей вполне достаточно для некоторых программ, но они страдают рядом существенных недостатков. Во-первых, информация о Бобе и Сью в настоящий момент хранится в виде объектов в оперативной памяти, и она будет утеряна сразу после завершения работы интерпретатора Python. Во-вторых, всякий раз, когда потребуется извлечь фамилию человека или повысить ему оклад, нам придется повторно вводить программный код, который мы только что видели. Это может вызвать определенные проблемы, если когда-нибудь поменяется алгоритм выполнения этих операций, - нам может потребоваться изменить наш программный код во многих местах. Мы вернемся к этим проблемам через несколько минут.

Обращение к полям по именам

Самый, пожалуй, существенный недостаток при использовании списков заключается в необходимости запоминать позиции полей: как иначе можно утверждать, что программный код, обращающийся к элементу записи с таинственным индексом 2, извлекает размер оклада? С точки зрения очевидности программного кода было бы лучше, если бы можно было присвоить каждому полю осмысленное имя.

Мы могли бы связать имена с позициями полей в записи, используя встроенную функцию range, которая генерирует набор последовательных целых чисел при использовании в контексте итераций (таких как операция присваивания последовательности ниже):

>>> NAME, AGE, PAY = range(3)    # 0, 1 и 2

>>> bob = ['Bob Smith’, 42, 10000]

>>> bob[NAME]

‘Bob Smith’

>>> PAY, bob[PAY]

(2, 10000)

Это решает проблему читаемости программного кода: три имени переменных, состоящих из заглавных символов, по сути, превратились в имена полей. Однако такое решение делает программный код зависящим от инструкции присваивания позиций именам полей, - мы должны помнить о необходимости обновлять ее при любом изменении структуры записи. Поскольку имена полей и записи никак не связаны между собой, они могут перестать соответствовать друг другу, и тогда возникнет необходимость вмешательства в программный код.